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Anordnung zur Vermeidung von kurzzeitigen Drehmomentbildungen in falscher
Richtung bei dynamometrischen Meßgeräten Das Produkt zweier phasenverschobener Wechselstromgrößen
nimmt innerhalb einer halben Periode positive und negative Werte an. Wenn man also
mit einem dvnamometrischen System ein derartiges Produkt messen will, ist es vor
allen Dingen bei kleineren Frequenzen, wie z. B. bei i6=/3 Perioden, notwendig,
daß sich ergebende System so auszubilden, daß es keinesfalls den momentanen, in
verschiedenen Richtungen erfolgenden Einwirkungen der Meßgröße folgen kann, son-(lern
daß es den Überschuß der Drehmomentwirkungen innerhalb einer halben Periode oder
auch mehrerer halber Perioden erfaßt und zur Anzeige bringt. Man kann dies dadurch
erreichen, daß man entweder eine große Dämpfung vorsieht oder aber daß man dem beweglichen
System eine solche Masse zuteilt, daß es nicht in der Lage ist; merkliche, Abweichungen
innerhalb einer halben Welle oder gar noch innerhalb kleinerer Zeiträume durchzuführen.
Diese notwendige Maßnahme hat nun anderseits zur Folge, daß derartige Systeme hinsichtlich
der Geschwindigkeit ihres Wirksamwerdens begrenzt sind. Will man z. B. für die Bestimmung
der Energierichtung auf dem Gebiet der Selektiv schutztechnik solche Dynamometer
verwenden, so muß man infolge der großen Trägheit oder Dämpfung des beweglichen
Systems entweder eine Ruhestellung des Systems dergestalt herbeiführen, daß es auf
eine Sperrung des Abschaltbefehls hinauskommt, wenn es in dieser Stellung verharrt,
oder aber, falls man das System in der Ruhestellung schon in die Abschaltlage bringt,
muß man einen gewissen, schon recht beträchtlichen Zeitintervall ver-:>treichen
lassen, wenn man mit Sicherheit
ui warten will, daß zur Geit der
Abfrage dieser Relais es seine Entscheidung schon eindeutig herbeigeführt hat. Bemaßt
man die Zeit zu kurz, so kann es unter C'anstiinden vorkommen, ,Maß sich eine .l#elilallscli@tltuiig
ergibt; bemaßt man die Zeit länger als unbedingt notwendig. so ergibt sich eben
ein zu langsames Arbeit(-ii der ganzen Selektivschutzeinrichtung.
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Die vorliegende Erfindung löst nun die Aufgal)e,eine Eitiriclitung
ztischaffen, die zu keinem Zeitpunkteine falsche Abgabe zuläßt. Dies wird erfindtlngsgem:iß
dadurch erreicht, daß minde-:teils eine einphasige Wechselstromgröße in Komponenten
aufgespalten wird und daß diese Komponenten mit den Komponenten anderer Wecliselstronigrößen
oder diesen Größen selbst dynamometrisch zusammenwirken. -.Man kann dadurch erreichen,
daß die Anordnung eiltweder über den ganzen Zeitverlauf stets das Drehmoment in
der richtigen Richtung hält oder daß, wenn mehrere Systeme über Koiltakte zusammenarbeiten.
es nicht vorkommen kann, daß gleichzeitig alle die verschiedenen Kontaktsysteme
betätigenden 1\leßwerke eine falsche 1--)relinionientrichtttng aufgedrückt erhalten,
sondern es ergibt sich, daß stets eiltweder eines oder alle in einer bestimmten
Zeit in der richtigen Weise angetrieben werden, wobei dann im letzteren Fall die
richtige Angabe mit Sicherheit erfaßt werden kann, welche eine Wirkung auslösen
soll. Die Einrichtungen gem:ill der Erfindung dienen ganz allgemein dazu, Produkte
phasenverschobener Wechselstroingrößen auf dynamornetrischein Prinzip schnellstens
anzuzeigen. Die Bedeutung der 1-Erfindung für die Selektivscliutitechnik ist ganz
allgemein sowohl für die l@iclituligsatizeige als auch für die -Messung von Reaktanzen
und Resistanzen. Für die \ießtecliiiik gewinnt diese Einrichtung praktiscli an Bedeutung,
je geringer die Frequenz der zu anessenden Wechselstromgrößen ist.
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Zur Durchführung der Erfindung kann inan beispielsweise, wenn das
Produkt aus Spaniarng und Strom gemessen werden soll, nur die eine der beiden Wechselstrorngrößen,
z. B. die Spannung, in an sich bekannter Weise in zwei phasenverschobene Komponenten
aufspalten und zwei Dynamometer vorsehen, deren Kontakte in Reibe oder parallel
geschaltet sind. Auf die eine Spule beider Dynamometer wirkt dann der gemeinsame
Strom, auf die andere Spule des einen Dynailionieters wirkt die eine, auf die andere
Spule des anderen Dynamometers die andere Spannungskomponente ein. Schaltet man
nun die Kontakte leider Dynatnolneter in Reihe ()der parallel, so ergibt sich, daß
auch dann, wenn diese Systeme sehr wenig gedämpft sind oder ihre Trägheit nur sehr
gering ist, d. 1i. wenn sie bereits auf Mornentallwerte ansprechen, trotzdem eine
falsche Wirkungnicht zustande kommen kann, weil in dem Augenblick, wo das eine falsch
zeigt, das andere Dynamometer <las richtige Drehmoment erhält und umgekehrt,
und es gibt eine bestimmte Geit, in der beide den richtigen Ausschlag zeigen, so
daß dann die gewünschte Wirkung herbeigeführt werden kann. 7u diesem Zweck kann
inan die Aufspaltung der Spannung in zwei Komponenten durchführen, die uni cgo°
gegeneinander versetzt sind. Man kann aber auch eine geringere Phasenverschiebtlng
zulassen, und zwar hängt diese davon ab, in welchem Bereich die Phasenverscbiebutig
zwischen Spannung und Strom auftreten kann. Weiln beispielsweise nur eine Phasenverschiebung
von io bis go° auftreten kann, so kann nian die Spannung in zwei Komponenten aufspalteil,
die "In 70° verschoheil sind.
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Man kann auch mehrere solcher Systeme finit in Reihe oder parallel
geschalteten Kontakten verwenden, wenn man die einphasige Spannung in mehrere Komponenten
aufspaltet. Es ist aber auch möglich, sowohl den Strom als auch die Spannung in
mehrere Komponenten aufzuspalten, z. B. den Strom in zwei Komponenten mit der Phasenverschiebung
o und i o' und die Spannung mit zwei Komponenten finit der Phasenverschiebung von
o und 8o°, und die entsprechenden Komponenten dynamometrisch zusammenwirken lassen
und erreicht dann auch die gewünschte Wirkung.
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plan kann auch Strom und Spannung je in zwei um cjo° oder annähernd
um 9o° versetzte Komponenten zerlegen. Man kann dann zwei dynamometrische Systeme
verwenden, deren bewegliche Systeme mechanisch gekuppelt sind. Auf die eine Stromspule
des einen Systems wirkt die eine Stromkomponente, auf die Spannungsspule die andere
Spannungskomponente ein. Auf die Stromspule des anderen Dynamometers wirkt die um
9o° versetzte Stromkomponente und auf die Spannungsspule des gleichen Dynamometers
die uni 9o° versetzte Spannungskomponente ein. Der Ausschlag des beweglichen Systems
erfolgt dann immer in der richtigen Richtung. Auch drei oder mehrere solcher gekuppelter
Systeme können angewendet werden, wenn man die Aufspaltung in ein Drelistroin- oder
Mehrphasensystein vornimmt. Es ist nicht erforderlich, daß z. B. bei Aufspaltung
in zwei Komponenteil eine Phasenverschiebung voll genau 9o°, bei Aufspaltung in
drei Komponenten eine Phasenverschiebung von i2o° vorgenommen wird, sondern es können
auch andere Winkel angewendet werden, um z. B. die Pendelfestigkeit von Schutzsystemen
zu erhöhen.
Man kann aber auch mit einem einzigen System auskommen,
wenn man die Spulen so anordnet, daß sie, von den entsprechenden Komponenten erregt,
ein rotierendes magnetisches Feld ergeben. Z. B. kann man zwei teststehende Spulen
verwenden, die um 9-o° räumlich versetzt sind, und zwei Rähmchenspulen, die von
diesen Stromspulen beeinflußt werden und ebenfalls um 9o'' gegeneinander versetzt
sind. Erregt man die eine Stromspule von der einen Stromkomponente, die andere mit
der um 9o° dazu versetzten Stromkomponente, die eine Rähmchenspule von der einen
Spannungskomponente, die andere Rähnichenspule mit der um 9o° verschobenen Spannungskomponente,
so ist, wenn man z. B. durch eine Feder das Rähmclleil aus der Ruhelage herausbringt,
das Drehmoment immer in der richtigen Richtung über die ganze Periode wirksam. Man
kann auch z. B. drei Stromspulen und drei gekuppelte Rähmclienspulen bei Aufspaltung
jeder Einpliasengröße in drei Komponenten verwenden, man kann auch das Relais ähnlich
wie eitlen Drehfeldmotor mit `-erteilter Wicklung bauen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele le der Eifindung dargestellt.
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In Fig. i sind zwei dvnamometrische Systeme i und i' vorgesehen. Sie
besitzen je eine Stromspule 2 und 2' und eine Spannungsspule 3 bzw. 3'. Die Kontakte
q. bzw. q' sind in Reihe geschaltet. Die Stromspulen werden erregt vom Strom I#sin
(ait-c@), während der Spannungsspule 3 die Spannungskomponente E# sin (u,)t), der
Spannungsspule 3' die um 9o° .dazu verschobene Komponente E # sin (tot- 9o) zugeführt
wird. Es ergibt sich dann für das System i die in Fig. 2 dargestellte Drehmomentkurve
I, für das System i' die Drehmomentkurve I'. Wichtig ist nun die Tatsache, daß zu
keinem Zeitpunkt beide Drehmomente falsche Richtung , haben, sondern daß, sobald
das eine System falsch aufzuschlagen geneigt ist, das andere System in der richtigen
Weise ablenkt. Innerhalb jeder Halbwelle entsteht ein Zeitraum voll 1/4 Welle, wobei
beide Systeme in der richtigen Richtung beeinflußt werden. Man kann auch andere
Phasenverschiebungen zwischen den Spannungskomponenten wählen, so daß man größere
Zeiträume für die richtige Anzeige, z. B. i oo bis 12 0°, erhält. Die Phasenverschiebung
zwischen dert beiden Spannungskomponenten braucht nur so groß zu sein, daß der Nulldurchgang
des Stromes bei allen möglichen Phasenverschiebungswinkeln zwischen Strom und Spannung
zwischen den Nulldurchgängen der beiden phasenverschobenen Spannungskomponenten
sich befindet. Man kann also beispielsweise eine Phasenverschiebung von 7o° zwischen
den beiden Spannungskomponenten wählen, wenn der Leitungsstrom mit der Leitungsspannung
je nach den Betriebsverhältnissen nur einen Phasenverschiebungswinkel von io bis
So' einschließen kann.
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Bei der Betrachtung der Fig. 2 sieht man, däß z. B. in Punkt P die
richtige Anzeige des einen Systems mit der falschen Anzeige desselben Systems und
die falsche Anzeige des zweiten Systems mit der richtigen Anzeige des zweiten Systems
wechselt. Dies kann unerwünscht sein, da zwar hier nicht beide Systeme ein falsches
Drehmoment gleichzeitig erhalten, aber immerhin zeitlich gesehen die Punkte des
falschen Drehmomentes von beiden Systemen sehr nahe heranreichen. Man kann dies
leicht dadurch vermeiden, daß man, wie in Fig. 3 dargestellt, nicht nur die Spannung,
sondern auch den Strom aufteilt und in Fig. i dem Strompfad 2' des zweiten Systems
nicht den Strom J # sin (wt- #), sondern den Strom .1 # sin (o)t - e@ -f- z. B.
2o°) zuführt.
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Män kann die Phasenverschiebung des Stromes nun auch noch weiter fortsetzen.
Man erhält, wenn man z. B. sowohl den Strom als auch die Spannung um 9o° verschiebt
und die Komponenten von Strom und Spannung entsprechend Fig.4 auf zwei mechanisch
gekuppelte dynamometrische Systeme i und i' einwirken läßt, an dem Kontakt 5 ein
konstantes und stets in derselben Richtung arbeitendes Drehmoment (in Fig. 4 sind
die Teile, die der Fig. i entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen).
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In entsprechender Weise könnte man auch statt, wie in dem Ausführungsbeispiel
der Abb. q., Spannung und Strom in j e zwei Komponenten, die ein Zweiphasensystem
bilden, aufzuteilen, einen Dreiphasenstrom aus den zu messenden Wechselstromgrößen
bilden und diese Komponenten drei gekuppelten Systemen zuführen. Dabei ist es, wie
früher erwähnt, nicht erforderlich, daß die Komponenten 9o oder i2o° verschoben
sind, sondern es können auch andere Winkel angewendet werden.
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Das in Fig. 4 offenbarte Prinzip kann auch noch in anderer Weise erreicht
werden, denn es ist nicht erforderlich, daß man zwei oder mehrere getrennte dynamometrische
Systeme verwendet, sondern man kann die gleiche Wirkung auch mit einem einzigen.
Dynamometer erreichen, sobald man nur die Wicklungen so anordnet, daß aus den Komponenten
des zwei- bzw. dreiphasigen oder mehrphasigen Wecliselstromsystems einer jeden beteiligten
Wechselstromgröße ein Drehfeld entsteht. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5
dargestellt.
'Mit i i sind die Stromspulen bezeichnet, die von der einen Stromkomponente .l .
sin (tut - tw) erregt «erden. Sie sind in IZeihe geschalt,-t. Mit 12 sind die anderen
Stromspulen bezeichnet, die um 9o° gegenüber den vorerwähnten versetzt sind und
von der Stromkomponente J # sin I alt - # - 9o° ) erregt werden. Das Rähnichen `besitzt
zwei Shuleii 13 und 1.1, von denen die erstere von der Spannungskomponente E# sin
(tot), die zweite von der SpannungskomponenteE.sin (to(-9o) erregt wird. Das Drehfeld
des Stromes und (1a> Drehfeld des Rähmchens, hervorgerufen von der Spannung, sind
nun bestrebt, zur Deckung zu konunen, (l. 1i. das Rähmchen will im Verhältnis zu
den feststehenden Strom-.pulen eine ganz bestimmte Lage einnehmen. Lenkt man das
Rähmchen durch eine mechanische Kraft aus dieser Lage ab, so erhält nian ein Drehinotnent,
welches wie bei der :ltiordnung nach Fig. d. stets gleiche Richtung hat und einen
konstanten Wert für einen bestimmten Ablenkungswinkel besitzt, d.li: die Wirkung
ist praktisch die gleiche wie bei einem von Gleichstrom beaufschlagton ,ivnatniotiietrisclien
Svstein.
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Die Anwendung der Erfindung wird sich besonders in der Selektivschutztechnik
günstig gestalten, (la hier einmal die nur erforderlichen sehr kleinen Bewegungen
der beweglichen Systeme die sonst vielleicht ans anderen Gründen notwendige Dämpfung
verineiden lasen, -anderseits die Geschwindigkeiten, die man erwartet, im Verhältnis
zu den üblichen Wellenlängen der verwendeten Wechselströme sehr groß ist. Auch in
der Meßtechnik kann die Erfindung, wie sie z. B. im Prinzip in Fig. d. und 5 dargestellt
ist, zur Steigerung der Geschwindigkeit bei der Messung entsprechender Größen vor
allen Dingen bei kleineren Periodenzahlen, z. B. von 16'=J3 Perioden, von Wichtigkeit
sein.
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Es ist bekannt, mehrere Dynamometer, die mechanisch gekuppelt sind,
z. B. bei der Richtungsanzeige in Mehrphasensystemen, z. B. Drehstroinsystemen,
zu verwenden. Entsprechend kann die Anwendung der vorliegenden 13riindung auch auf
mehrphasige Systeme dadurch erweitert werden, (laß man mehrere Svstenie entsprechend
der Erfindung mechanisch aufeinander einwirken 1ä ßt und jedem dieser Systeme in
der oben beschriebenen Weise die aufgespaltenen Komponenten der zu den einzelnen
Phasen gehörenden Spannung und Strom zuführt. Es kann auch vorteilhaft sein, für
jede Phase eines 11ehrphasensvstenis getrennte Systeme vorzusehen, die man dann
im Zusammenhang mit der ganzen Einrichtung, der sie dienen, durch eine entsprechende
Schaltung einer gewählten @esutzni;ißigkeit hinsichtlich der Auswirkung ihrer Anzeige
unterwirft. U'enn man also drei derartige Systeme für die einzelnen Ströme R, S
und T eines Drelistromsystems vorsieht, so wird man z. B. bei einem Kurzschluß zwischen
R und S, zii dessen Energierichtungsanzeige die Systeme herangezogen werden,
entweder mir (las System mit dem Strom R oder auch (las System mit dem Strom S befragen,
nicht dagegen das System im Strom T.
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Von besonderer Bedeutung wird die Erfindung zur Durchführung schnell
arbeitender Streckenschutzeinrichtungen sein. Die Selektivität derartiger Einrichtungen
stützt sich auf die einwandfreie Anzeige der Energierichtung im Kurzschlußkreis,
und für ein zuverlässiges und schnelles Jlrbeiten ist es notwendig, daß sowohl ein
möglichst erschütterungsfreies Arbeiten der Richtungsglieder erreicht wird als auch
(laß zur Erzielung der notwendigen Geschwindigkeit falsche Anzeigen, die sich, wie
früher erwähnt, bei der Anwentlung normaler dvnanionietrischerSysteme ergeben würden,
vermieden werden. Die gröl.Ite Arbeitsgeschwindigkeit wird man dann erreichen, wenn
inan dafür sorgt, daß zu allen fehlerfreien hetriebsiuäßigen Zuständen die Kontakte
der Richtungsrelais schon auf Auslösestellung stehen und daß sie nur wenige ,lfillisekunden,
nachdem der Kurzschluß eingetreten ist, durch ein sogenanntes Anregeorgan allgefragt
werden. Diese Abfrage kann durch Anwendung des 1--rfin(lungsgcclankens bei dein
Aufbau dtr Richtungsrelais wesentlich schneller erfolgen, als wenn inan normale
(lvnainoinetrische Relais verwendet.