-
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.