DE740820C - Anordnung zur direkten Anzeige des Phasenunterschiedes zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen - Google Patents

Anordnung zur direkten Anzeige des Phasenunterschiedes zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen

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DE740820C
DE740820C DEL104084D DEL0104084D DE740820C DE 740820 C DE740820 C DE 740820C DE L104084 D DEL104084 D DE L104084D DE L0104084 D DEL0104084 D DE L0104084D DE 740820 C DE740820 C DE 740820C
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DEL104084D
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Dr Karl Baerner
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OPTA RADIO AG WERK LEIPZIG
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OPTA RADIO AG WERK LEIPZIG
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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

  • Anordnung zur direkten Anzeige des Phasenunterschiedes zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen Die Erfindung hat eine Anordnung zur direkten Anzeige des Phasenunberschiedes zwischen zwei gleichfrequenten Wechseispannungen mit einem Anzeigebereich von 360" zum Gegenstand. Sie will insbesondere die genaue Messung des Phasenunterschiedes auch kleiner Wechselspannungen ermöglichen.
  • Es ist bekannt, zur Messung beliebiger Phasenwinkel die eine Spannung einem feststehenden - Drehfeldsystem, die zweite Spannung einer in dem Feld beweglichen Spule zuzuführen. Die bewegliche Spule stellt sich dann in die von der Phaseidage der Span nungen abhängige Richtung des Feldstärkemaximums ein, so daß die Winkelstellung der Spule direkt die Phasenbeziehung angibt.
  • Die Anordnung erfordert verhältnismäßig hohe Spannungen, ist wegen der Notwendigkeit der Stromzuführung zu der frei drehbaren Spule kompliziert im Aufbau und hat bei Verwendung von Schleiffedern oder ähnlichen Stromzuführungen Reibungsfehler.
  • Es ist ferner ein Phasenmesser bekannt, bei dem eine Dreiphasenspannung einem feststehenden Drehfeldsystem zugeführt wird, in dessen Feld ein Permanentmagnet angeordnet ist. Die Wechselspannung, deren Phasenlage zu der Drehspannung gemessen werden soll, beeinflußt ein Relais, welches zwei Stromzuführungen des Drehfeldes in Zeitpunkten, die durch die zweite Spannung bestimmt sind, periodisch umpolt. Dadurch entsteht im Drehfeldsystem ein stehendes Wechselfeldmit durch den Zeitpunkt der Umpolung bestimmter Winkellage, und der Magnet stellt sich in die so gegebene Richtung ein. Die Anordnung ist wegen der Verwendung eines Relais naturgemäß nur für sehr niedrige Frequenzen brauchbar, die bewegten Relaiskontakte geben ni Störungen Anlaß, und wegen der Zeitdifierenz zwischen dem Umlegen der Kontakte und dem wirklichen Null durchgang der Wechselspannung können Anzeigefehler auftreten, die unter Umständen sogar amplitudenabhängig sein können und zu ihrer Beseiti gung besondere Maßnahmen erfordern.
  • Die Erfindung geht zur Lösung der gesteilten Aufgabe einen anderen Weg, der die Mängel und Nachteile der bekannten Anordnungen bei einfachem Aufbau und größter Betriebssicherheit weitgehend vermeidet. Gemäß der Erfindung werden aus einer der Spannungen, deren Phasendifferenz gemessen werden soll, zwei um einen bekannten Phasenwinkel a gegeneinander verschobene Span: nungen erzeugt, die zusammen mit der zweiten Spannung zwei Meßkreisen zugeführt werden, von denen jeder das Produkt aus zwei Spannungen und dem cos. ihres Phasenwinkels bildet. Die Anzeigevorrichtung besteht aus zwei zu den Meßkreisen gehörigen festen Spulenanordnungen, die um den Winkel a gegeneinander versetzt sind, und aus einem in ihrem Feld frei drehbar gelagerten Dauermagneten. Dieser kann mit einem Zeiger versehen sein, welcher an einer in Winkelgraden geeichten Skala direkt den Phasenwinkel anzeigt.
  • Meßanordnungen, die das Produkt aus zwei Spannungen und dem cos. ihres Phasenwinkels bilden, sind an sich bekannt. Sie werden häufig in Verbindung mit einem Nullinstrument zur Zielkursanzeige u. dgl. oder zur Phasenmessung im Bereich um 900 herum verwendet. Für die Messung beliebiger Phasenwinkel zwischen o und 3 6o sind sie, wi,e leicht einzusehen ist, nicht ohne weiteres brauchbar.
  • Die Erfindung soll nun an einigen in den Abb. I bis 4 schematisch dargestellten Ausfihrungsbeispielen näher erläutert werden, wobei auch weitere Einzelheiten zu erwähnen sind. In Abb. I wird die Spannung U1 direkt an die Primärwicklung 1 eines Übertragers 2 und außerdem unter Zwischenschallung eines Phasenschiebers, der aus dem Kondensator 5 und einem Widerstand 6 besteht, an die Primärwicklung 3 eines zweiten Übertragers 4 angelegt. Die an den Sekundärwicklungen 7 und 12 dieser Übertrager entstehenden Spannungen U3 und U4 sind also um einen bei etwa 90 liegenden Winkel a gegeneinander phasenverschoben. Jede dieser Spannungen wird zusammen mit der zweiten Spannung. je einem an sich bekannten Meßkreis zugeführt, der das Produkt aus den Spannungen und dem cos. ihres Phasenwinkels bildet.
  • Der erste dieser Meßkreise enthält die Sekundärwick]ung 7, an der die Spannung entsteht, die Gleichrichter 8 und 9, zwei zum Anzeigesystem gehörige koaxiale Spulen 10 und ii und Klemmen, an die die Spannung U.-angelegt wird und die mit dem Mittelpunkt der Wicklung7 und dem Verbindungspunkt der Spulen 10 und 11 verbunden sind. Ebenso enthält der zweite Meßkreis die Sekundär wicklung 12, der die Spannung entnommen wird, die Gleichrichter 13 und 14 und die koaxialen Spulen 15 und I6 sowie ebenfalls die Klemmen, an die die Spannung U angelegt wird und die mit der Mitte der Wicklung 12 und mit dem Verbindungspunkt der Spulen I5 und I6 verbunden sind. Die Achsen der Spulen 10, 1 1 und der Spulen I5, 16 schließel den gleichen Winkel a ein, um den die Spannung U4 gegen die Spannung, verschoben ist. Im Schnittpunkt der Achsen ist ein Magnetstab I7 mit einem Zeiger frei drehbar um eine senkrechte Achse gelagert.
  • Unter der Voraussetzung gleicher Keunlinien der Gleichrichter entsteht n den Spulen Io und 11 ein magnetisches Feld, das proportional ist U2 U3 cos. (U2, U3), in den Spulen 15 und 16 entsprechend ein magnetisches Feld, das proportional ist U U4 cos (U2, U+). Ist der Winkel, den die Spannung U4 gegen U3 aufweist a, So wird das magnetische Feld der Spulen 1 j, 16 proportional U2U4#cos. ([U2, U1] a). Sorgt man dafür, daß U3 U4, So wird dieses Feld auch proportional U2#U3#cos. ([U2, U3]-α.
  • Da voraussetzungsgemäß die Spulen 15. 16 um den gleichen Winkel a gegen die Spulen 10, 11 verdreht sind, setzen sich die Magnet+;elder zu einem resultierenden Feld zusammen. dessen Richtung dem Winkel bp entspricht. um den die Spannungen U2 und U gegeneinander verschoben sind. Macht man den Winkel a=9o, so bleibt die Stärke des Magnetfeldes unabhängig von seiner Richtung immer proportional dem Produkt der Spannungen U2#U3 Die auf den Magneten ausgeübte Richtkraft ist also bei allen Phasenverschiebungen der Spannungen gleich. Da die Richtkraft außerdem proportional dem Produkt der Spannung gen ist, ist es möglich, eine der Spannungen verhältnismäßig klein zu machen, sofern man wie das meist der Fall ist, die zweite Spannung groß wählen kann. Sind beide Spannungen klein, so kann man statt der gezeigten einfachen Gleichrichter 8, 9, 13, 14 Elektronenröhren als verstärkende Gleichrichter verwenden.
  • Da die Spannungen U und U4 bei konstanter Frequenz einen konstanten Phasenwinkel ß 115 bzw. a + ß gegen die Spannung U1 besitzen. so zeigt die Richtung des resultierenden Ma gnetfeldes direkt den Phasenwinkel ß - # zwischen den Wechselspannungen U1 und U2 an Die Richtung des Magnetfeldes wird in ein fachster Weise durch den frei drehbaren Magnetstab sichtbar gemacht. Die Verwendung eines Dauermagneten zur Anzeige ergibt selbst bei kleinen Spannungen noch ausreichende Richtkräfte.
  • Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Übertrager 2 und 4 vermieden sind. Die Spannung Ua wird; den Meßkreisen direkt zugeführt. Ein Spannungsteiler 18, 19 schafft den Mittelpunkt für den Anschluß der Spannung U2. Die Phasenverschiebung der den Spulen 15 und I6 zuzuführenden Spannungen gegen die Spannung Uj wird durch die vor den Gleichrichtern 13 und I4 angeordneten Phasenschieber 20, 21 bzw.
  • 22, 23 bewirkt. An Stelle der beiden Phasenschieber 20, 21 und 22, 23, die vor den Gleichrichtern I3 und 14 angeordnet sind, könnte auch ein einziger Phasenschieber zwischen dem Verbindungspunkt der Spulen 15 und i 6, der dann naturgemäß nicht mit dem Verbindungspunkt der Spulen 10 und II zusammengeschaltet werden darf, und der Klemme für die Spannung verwendet werden. Wie Abb. 3 zeigt, ist durch eine solche Abwandlung der Meßkreis möglich, bei der eine Mittelanzapfung der Feldspulen überflüssig ist. Den Spulen 10, II in Abb. 2 entspricht dabei die Spule 24, den Spulen 15, 16 die Spule 25, deren Achsen wieder um den Winkel a gegeneinander verdreht sind. Die Gleichrichter 26, 27, die die Spannung U1 direkt überbrücken und die Gleichrichter 28, 29, die in Reihe mit den Phasenschiebern 30, 31 bzw. 32, 33 an der Sp,annung Ut liege>0 haben in diesem Fall gleiche DurchlaBrichtung, während die entsprechenden Gleichrichter 8 und 9 bzw. I3 und 14 der Abb. I und 2 gegenennandergeschaltet sind. Als Gleichrichter können Vakuum- oder Gasgleichrichter oder auch Trockengleichrichter dienen. Die letzteren haben den Vorteil geringerer Abnutzung und Wartung, erfordern jedoch besondere Schaltmittel zur Gleichmachung der Kennlinien, wobei auch auf die starke Temp eraturabhängigkeit des Sp,errwiderstandes Rücksicht zu nehmen ist.
  • Abb. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für die Messung des Phasensvinkels zwischen einer sehr kleinen Spannung U2 und einer größeren Bezugslspannung U1 besonders geeignet ist. Hier sind an Stelle der Gleichrichter in Anodengleichrichtungsschaltung arbeitende Elektronenröhren 34, 35, 36 und 37 verwendet, die also als verstärkende Gleichrichter wirken. Als Anodenspannung für diese Verstärkerröhren dient die Spannung U1. Sie wird den Röhren 34 und 35 über die Spulen 38, 39 direkt und den Röhren 36 und 37 über die Spulen 40, 41 und die damit in Reihe liegenden Phasenschieber 42, 43 bzw. 44, 45 zugeführt. In dieser Schaltung müssen nicht dargestellte Mittel zur Erzielung gleicher Kennlinien der verwendeten Elektronenröhrenpaare vorgesehen werden, oder die Röhren müssen entsprechend ausgewählt werden, da es für eine einwandfreie Anzeige auf die Gleichheit der Kennlinien ausschleggebend ankommt. Geringe Unterschiede der Röhrenpaare gegeneinander können in gewissem Umfange auch durch entsprechende Einstellung der zu den Phasenschiebern gehörenden Widerstände 43 und 45 ausgeglichen werden.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Anordnung zur direkten Anzeige des Phasenunterschiedes zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen mit einem Anzeigehereich von 360°, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die aus einer der Spannungen zwei um einen festen bekannten Phasenwinkel α verschobene Spannungen erzeugt werden. welche zusammen mit der zweiten Spannung zwei an sich bekannten Meßkreisen zugeführt werden, von denen jeder Edas Produkt aus zwei Spannungen und dem cos. ihres Phasenwinkels bildet, und daß die Anzeigevorrichtung aus zwei zu den Meßkreisen gehörigen, gegeneinander tun den Winkel a versetzten festen Spulenanordnungen und aus einem in deren Feld drehbar gelagerten Dauermagneten besteht.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer gegen die erste Spannung um einen festen bekannten Winkel a verschobene Spannung eine aus Kondensatoren und Widerständen bestehende Phasens chieberanordnung dient
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hilfsspannungen, die aus der ersten Spannung gewonnen werden, den mit Mittelpunktanzapfungen versehenen Sekundärwicklungen getrennter Übertrager entnommen und über je zwei Gleichrichter den festst,ehenden Spülenpaaren der Anzeigevorrichtung zugeführt werden, während die zweite Spannung zwischen den Mittelpunkten der Sekundärwicklungen und den miteinander verbundenen Mitten der Spulen der Anzeigevorrichtung eingeschaltet sind.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung einem Anzeigespulenpaar direkt über zwei gegeneinanderges chaltete Gleichrichter, dem zweiten Spulenpaar über zwei weitere gegeneinandergeschaltete Gleichrichter, denen je ein Phasenschieber vorgeschaltet ist, zugeführt wird, während die zweite Spannung zwischen dem Mittelabgriff eines die erste Spannung überbrük kenden Spannungsteilers und den miteinander verbundenen Mitten der Anzeigespulen eingeschaltet wird.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung den Anzeigespulen unter Zmischenschaltung von Gleichrichtern direkt zugeführt wird, während die erste Spannung zwischen dem Mittelabgriff eines die zweite Spannung überbrückenden Spannungsteilers und der Mitte des einen Anzeigenspulenpaares direkt und außerdem zwischen dem Mittelabgriff des die zweite Spannung überbrüchenden Spannulngsteilers und der Mitte des zweiten Anzeigespulenpaares unter Vorschaltung eines Phasenschiebers eingeschaltet wird.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung überbrückt ist durch zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter, zwischen denen die eine Anzeigespule angeschlossen ist und außerdem durch zwei mit Phasenschiehereinrichtungen in Reihe liegende Gleichrichter, zwischen denen die zweite Anzeigespule eingeschlossen ist, während die zweite Spannung zwischen dem Mittelabgriff eines die erste Spannung überbrückenden Spannungsteilers und dem Verbindungspunkt der beiden Anzeigespulen eingeschaliet ist.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6,, dadurch gekennzeichnet. daß die Gleichrichter als Trockengleichrichter ausgebildet sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als verstärkende Gleichrichter gittergesteuerte ElelitronenriShren dienen.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung den Steuergitterröhren aller I:lektronenröhren direkt zugeführt wird, während die erste Spannung als Anodenspannung der Röhren dient, wobei sie zwei dieser Röhren über die Anzeigespulen direkt und denanderen beiden unter Zwischenschaltung einer Phasenschieberan ordnung zugeführt wird.
    Io. Anordnung nach Anspruch I bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spannungen Steuergittern von Elektron röhren, die als verstärkende Gleichrichter geschaltet sind, zugeführt werden.
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