DE707823C - Schaltungsanordnung zur Messung des Phasenwinkels zwischen Wechselspannungen gleicher Frequenz - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Messung des Phasenwinkels zwischen Wechselspannungen gleicher Frequenz

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DE707823C
DE707823C DES127572D DES0127572D DE707823C DE 707823 C DE707823 C DE 707823C DE S127572 D DES127572 D DE S127572D DE S0127572 D DES0127572 D DE S0127572D DE 707823 C DE707823 C DE 707823C
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Germany
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voltages
circuit arrangement
voltage
phase angle
resistors
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DES127572D
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Georg Junga
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Siemens and Halske AG
Siemens AG
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Siemens and Halske AG
Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Description

  • Schaltungsanordnung zur Messung des Phasenwinkels zwischen Wechselspannungen gleicher Frequenz Zur Messung des Phasenwinkels von beliebigen Widerständen sind Brückenschlatungen bekannt, bei denen der zu messende Zweipol einen Brückenzweig bildet. Diese bekannten Schaltungsanordnungen ermöglichen mit geringem Aufwand leine genaue Messung des Phasenwinkels von Zweipolen, nicht jedoch Messungen des Übertragungs-, insblesonderte Phasenmaßes von Vierpolen. Hierzu erwies sich Idie Frankesche Maschine als ge- -eignet. Abgesehen von ihrem beschränkten Frequenzband ist die Messung mit der Frankeschen Maschine aber derart schwerfällig, ,daß man trotz der großen Genauigkeit andere Wege suchte, um sie ui erstzen.
  • Alle bekanntgewordenen Schaltungen, die das Prinzip des getrennten Amplituden- und Phasenankers der Frankeschen Maschine elektrisch nachbilden, zeigen aber noch einen unverhältnismäßig hohen Aufwand, ohne dabei die Glenauigkeit der Frankeschen Maschine erreichen zu können.
  • Weiterhin ist lein Verfahren zur Bestimmung des Phasenmaßes eines mit einer sinusförmigen Spannung bes chickten Vierpoles bekannt, bei dem man der in ihrem Betrage gemessenen Ausgangsspannung eine ebenfalls in ihrem Betrage gemessene sinusförmige Spannung der gleichen Frequenz überlagert, deren Phase gleich der der Eingangsspannung ist oder sich von ihr nur um einen konstanten, frequenzunabhängigen Bletrag unterscheidet. Den Betrag der Summe dieser beiden Spannungsvektoren stellt man Idurch Messung fest, worauf sich aus den drei Meßwerten das Phasenmaß lerr,echnen oder graphisch ermitteln läßt.
  • Diese bekannte Anordnung stellt eine Weiterbildung der sog. Dreivoltmetermethode dar.
  • Im Gegensatz - zu dieser bekannten Anordnung kommt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eine Brückenschaltung zur Verwendung. Die Nachteile dieser bekannten Schaltungen werden dabei vermieden.
  • Nun ist bereits eine Phasenmeßeinrichtung bekannt, bei der durch die Ströme in eineS£ Erregerkreise und in einem mit diesem doppelten erregten, abstimmbaren Stromkreis91 Wechselströme einer Brückenanordnung oder einer öhnlichen Meßanordnung derart zugeführt werden daß in einem Teil der Meßanordnung die Summe, in dem anderen die Differenz zur Wirkung kommt, wodurch die Ohmschen Widerstände verändert werden und infolge der Widerstandsänderung eine Anzeigevorrichtung betätigt wird. Bei dieser bekannten Anordnung kommen jedoch für die Widerstände in den Brückenzweigen nichtlineare Widerstände zur Verwendung. Dadurch sind die beiden Hochfrequenzkreise nicht während der gesamten Dauer der Messung entkoppelt.
  • Es besteht infolgedessen die Gefahr, daß Rückwirkungen des leinen Kreises auf den anderen stattfinden, wodurch das Meßergebnis gefälscht werden kann. Weiterhin hat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß jede zeitliche Änderung der Meßgröße in Abhängigkeit von der Zeitkonstante der nichtlinearen Widerstände verzehrt wiedergegeben wird. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden ebenfalls zur Messung des Phasenwinkels zwischen insbesondere betragsgleichen Spannungen gleicher Frequenz die zu messenden Spannungen gegeneinander entkoppelt je einer Diagonale eines aus Widerständen bestehenden Netzwerkes zugeführt und die entstehenden Summen und Differenzen dieser Spannungen zur Messung benutzt. Die Erfindung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß das als Stern oder Vieleck ausgebildete Netzwerk lineare Widerstände enthält und das Verhältnis der Summen und Differenzen oder von Bruchteilen dieser Spannungen zueinander bzw. zu einer der zugeführten Spannungen als Maß des Phasenwinkels dient.
  • Es ist zwar weiterhin eine Meßschaltung bekannt, bei der eine Brückenanordnung zur Verwendung kommt, in der lineare Widerstände Verwendung finden. Es handelt sich hierbei um Einrichtungen, um entgegengesetzte mechanische oder elektrische Wirkunden auszulösen, wenn die Frequenz eines Wechsel stromes eine Normalfrequenz über-oder unterschreitet. Außerdem wird bei der bekannten Anordnung keine Brückenschaltung im Sinne der Schaltungsanordnung nach der Erfindung verwendet, vielmehr dienen die Gitterkathodenstrecken von Elektronenröhren zum Aufbau der Brückenzweige.
  • Die Phasenmeßeinrichtung nach der Erfindung liefert bei einfachstem Aufbau sehr genaue Ergebnisse. In Durchführung des Erfindungsgedankens wird z. B. in dem Brücken znveig, der die Suinmenspannung liefert, ein Abgriff unmittelbar oder mittelbar geändert s zur Gleichheit der Teilspannung mit der Merenzspannung, wobei entweder der zweig selbst als Spannungsteiler ausdet ist oder ihm ein besonderer Span.
  • Mungsteiler parallel liegt. Die Gleichheit der Summenteilspannung und der Differenzspannung kann beispielsweise durch aufeinanderfolgende Vergleichsmessung an einem Röhrenvoltmeter angezeigt werden. Der Spannungsteiler ist dabei vorteilhaft in Phasenwinkelgraden geeicht.
  • Die Brückenschaltung eignet sich insbesondere zur Messung der Ubertragungsmaßes von Vierpolen nach Dämpfung und Phsenwinkel.
  • Die Messung kann dabei unter Verwendung einer veränderlichen Eichleitung erfolgen, was für diesen Zweck an sich bekannt ist.
  • Fig. 1 zeigt eine praktische Ausführung für den Fall, daß die ,eine der in bezug auf ihre Winkeldifferenz zu vergleichenden Spannung gen U1 einpolig geerdet ist. Die Brücke 1-2-3-4 besteht aus den einander gleichen Widerständen R1 bis R4. Die Strompfeile innerhalb des Brückenvierecks zeigen die Richtung der von 2 herrührenden Teilströme, die Pfeile außerhalb die der von Eine gegenseitige Beeinflussung beider Kreise findet nicht statt, da beide gegeneinander durch das Brückengleichgewicht entkoppelt sind. Auf den Zweigen 1-2 und 4-3 ist die Differenzspannung daher UD = #1 - #2 2 2 auf den Zweigen 1-4 und 2-3 die Summen spannung Us = 1 + Ui 2 2 Unter der bereits genannten Voraussetzung, daß die Beträge beider Spannungen einander gleich sind, d.h. | #1 | = | U2 | = U, sind UD und US die Rechteckseiten in dem aus #1 und II gebildeten Spannungsdiagramm der Fig. 2. Ersichtlich ist dann Up sin #/2 = ½ U Us cos #/@ = ½ 2 und tg #/2 = .
  • Us Durch Vergleich z. B. der Spannung 1-2 mit einem gleich großen Bruchteil der Spannung un t-3 bzw. dem Spannungsteilfer R= Rx Ry in Fig. I wird daher der gesuchte Winkel <p bestimmt aus 1 UD = U # sin # = U # Rx 2 2 R zu Rx 2 = 2 arc sin R@ kann unmittelbar in Winkelgraden geeicht sein. Das Röhrenvoltmeter liegt stets einpolig an Erde. An Steile der Spannung I-2 kann auch die Spannung 1-4 zum Vergleich herangezogen werden, man erhält dann # = 2 arc cos Ry/R.
  • Aus dem Unterschied von R, und Ry im Verein mit der Umpolung leiner der beiden Spannungen lfi und If kann der Winkel # auf Vielfache von 2 blestimmt werden.
  • 2 Haben die Widerstände R1 bis R4 Phasenunterschiede, so entstehen Fehler von gleicher Größenordnung im Winkelergebnis. Bei der Schaltung nach Fig. I liegt die Spannung ##1 einpolig an Erde. Die Erdkapazitäten können hierbei nur zwischen dem Punkt 3 und Erde auftreten, so daß sie der Spannung ##1 parallel liegen und somit für die Messung nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Bei der Spannung #2 können dagegen durchaus schädliche Erdkapazitäten auftreten, die das Meßergebnis fälschen können. Um die Erdkapazitäten der Spannungspole 2 und 4 herabzusetzen, kann les daher vorteilhaft sein, für die zwischen I und 2 und I und 4 liegenden Widerstände R1 und R« solche Werte zu wählen, die im Verhältnis zu den Widerständen R2 und R3 niederohmig sind. Dann bleiben zwar die Spannungen #1 und #2 gegeneinander entkoppelt, jedoch müssen, um die gleichen Bedingungen für den Winkel # zu erhalten, die Beträge der Spannungen #1 und #3 in einem entsprechenden Verhältnis steben. Dieser Fall ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 dargestellt. Ist hierbei R/r = n das Widerstandsverhältnis der Zweigpaare, so ergibt sich ein Verhältnis der Spannungsbeträge U1 n + 1 = U2 2 Bei Erfüllung dieser Betragsbedingung gelten dann die früheren Gleichungen für den Winkel q7.
  • Um auch bei der Anordnung nach Fig. 3 in gleicher Weise messen zu können wie bei der in Fig. I gezeigten Anordnung, kann mit dem mit einem veränderlichen Abgriff versehenen, als Maß für den Phasenwinkel dienenden Widerstand ein unveränderbarer Widerstand in Reihe geschaltet werden. Dadurch ergibt sich ein zwischen den Punkten 1, 3 liegender Spannungsteiler, bei dem der nicht mit seinem veränderbaren Abgriff versehene Widerstand so bemessen ist, daß sich ein Teilungsverhältnis 1-5:5-3 = 2r: (R + r) ergibt. Diese Verhältnisse sind aus dem in Fig. 3a dargestellten Spannungsdiagramm zu ersehen. Durch das angegebene Teilerverhältnis des Spannungsteilers I-5-3 wird die Strecke I-5 gleich der Strecke 2-4. Hierdurch ist es-möglich, die Betragsbedingungen zu erfüllen. Die Winkelmessung wird in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. vorgenommen, Die Brückenschaltung -2-3-4 hat, wie ausgeführt, die Aufgabe, bei gegenseitiger Entkopplung von #1 und 112 ihre Summen und Differenzen zu bilden. Eine weitere hierfür geeigente Lösung besteht darin, statt des Brückenviereckes einen Stern zu schalten, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei die Entkopplung unabhängig ist vom paarweisen Gleichgewicht. Da hierbei die beiden einer Spannung zugehörigen Strahlen von ein und demselben Strom durchflossen werden, so eignen sich vorrugsweise magnetisch verkettete Drosseln mit reinem Abgriff von an sich beliebigem Teilerverhältnis, besonders aber symmetrische Drosseln mit geerdetem Stirnpunkt, falls #1 und #2 beide erdsymmetrisch sind. Ersichtlich kann die Winkelmessung wegen der symmetrierenden Wirkung der Drosseln an beliebigen Klemmen vorgenommen werden ohne Gefahr von Fehlern durch Erdkapazitäten bzw. den Klemmenwiderstand des angeschlossenen Spannungsmessers. In Fig. 4a ist das Spannungsdiagramm für diesen Fall dargestellt, wobei zur Ermittlung des Phasenmaßes die Punkte 6 bzw. 7 dienen.
  • Für die Messung über viele Frequenzoktaven, die den Arbeitsbereich der Symmetriedrosseln übersteigen, wird die Meßschaltung zweckmäßig aus Ohmschen Widerständen aufgebaut. Gleichzeitig wird es dann meist notwendig sein, einen übertragerfreien und einpolig geerdeten Spannungsmesser zu verwenden. Die Schaltung zeigt Fig.5. in der der gesamte Meßaufbau dargestellt ist, rhit dem Dämpfungs- und Winkelmaß eines beliebigen Vierpoles X ermittelt werden kann.
  • Von einer Meßstromquelle G wird die Meßspannung über leinen Übertrager Ü einerseits über den zu messenden Vierpol X als Spannung #1 den Punkten 1, 5 der Meßanordnung zugeführt, während andererseits eine zweite Spannung 2 über eine veränderbare Eichleitung E an die Punkte 3, 7 der Meßanordnung gelegt wird. Die Widerstände R1 bis Rs sind untereinander gleich, ebenso die Widerstände R9 bis R12. Beide Gruppen sind jedoch in der Größe des Widerstandes unabhängig voneinander. Wie aus dem Spannungsdiagramm Fig. sa ersichtlich, werden in dieser Schaltung bei Gleichheit der Absolutbeträge von #1 und #2 die Spannungsvektoren 0-1 und 0-8 zur Winkelbestimmung benutzt. Durch Verändern der Dämpfung an der EichleitungE wird die Betragsbedingung |#1| = |#2| erfüllt und damit das Dämpfungsmaß gefunden. Mittels des veränderlichen Abgriffes an dem Widerstand R9 wird das Verhältnis der Spannung o-8 zu Spannung o-I bestimmt. Hieraus ergibt sich nach Spannung 0-8 sin #/2 = Spannung 0-1 der gesuchte Winkel .
  • Es ist auch möglich, an Stelle der Widerstände Rg, Rlo, R11 und R12 Widerstände R13, R14, R15 und R16 zwischen den Punkt o und die Punkte 2, 4, 6, 8 zu legen. Dieser Fall, bei dem abweichend von dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die anderen Achteckdiagonalen 2-0-6 und 8-0-4 mit untereinander gleichen Widerständen besetzt werden, ist in Fig. 5 b dargestellt. Wie sich aus dem in Fig. 5a gezeigten Spannungsdiagramm ergibt, werden in dieser Schaltung die Spannungsvektoren o-8 und 0-2 zur Winkelbestimmung nach folgender Gleichung benutzt Spannung 0-8 tg #/2 = Spannung 0-2 Das gesuchte Verhältnis der Spannungen 0-8 zu 0-2 wird wieder als das Verhältnis der Widerstände R13 zu R' gefunden.

Claims (5)

  1. P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Schaltungsanordnung zur Messung des Phasenwinkel 5 zwischen vorzugsweisebetragsgleichen Wechselspannungen gleicher Frequenz, bei der die zu messenden Spannungen gegeneinander entkoppelt je einer Diagonale eines aus Widerständen gebildeten Netzwerkes zugeführt werden und die entstehenden Summen und Differenzen dieser Spannungen zur Messung benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das als Stern oder Vieleck ausgebildete Netzwerk lineare Widerstände enthält und das Verhältnis der Summen und Differenzen oder von Bruchteilen dieser Spannungen zueinander bzw. zu einer der beiden zugeführten Spannungen als Maß des Phasenwinkels dient.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweig, der einen Teil der Summen-oder einer der zugeführten Spannungen führt, ein Abgriff unmittelbar oder mittelbar geändert wird bis zur Gleichheit dieser Teilspannung mit dem entsprechenden Teil der Differenzspannung, wobei entweder der Brückenzweig selbst als vorzugsweise in Phasenwinkelgraden geeichter Spannungsteiler ausgebildet ist oder ihm ein besonder Spannungsteiler parallel liegt.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei Verwendung der Sternschaltung magnetisch verkettete, vorzugsweise symmetrische Drosseln benutzt werden.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus untereinander gleichen Widerständen ein Achteck gebildet und die beiden Spannungen den gegenüberliegenden Endpunkten zweier aufeinander senkrecht stehender Diagonalen zugeführt werden, so daß an den Endpunkten des zweiten Diagonalpaares die geometrische Summe und Differenz der Spannungen zur Messung abgenommen werden können.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder beiden Diagonalpaaren gleiche Widerstände liegen und die elektrischen Mitten dieser Widerstände miteinander verbunden und geerdet sind.
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