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Wechselstromkompensator mit selbsttätiger Abgleichung unter Verwendung
elektrodynamischer Meßinstrumente als Drehtransformatoren Es ist ein Wechselstromkompensator
bekannt, bei welchem die beiden Komponenten der zu messenden Spannung unmittelbar
durch denAusschlag zweier als Drehtransformatoren wirkender Dynamometer dargestellt
werden, deren Feldspulen von Strömen durchflossen sind, die gegeneinander um go0
phasenverschoben aus derjenigen Wechselstromquelle entnommen werden, welche auch
die zu messende Spannung liefert, Die Drehspulen beider Dynamometer sind in Reihenschaltung
an die zu messende Wechselspannung angelegt und stellen sich von selbst so ein,
daß die zu messende Spannung durch die in den Drehspulen induzierten Spannungskomponenten
kompensiert wird. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Energie zur
Einstellung der Systeme aus dem Meßkreis entnommen werden muß. Selbst bei weitgehend
reibungsfreier Lagerung der Drehsysteme wird demnach ein wenn auch nur geringer
Bruchteil der Meßspannung nicht kompensiert,
und zwar ist dieser
Bruchteil um so größer, je niedriger die Meßspannung ist bzw. je stärker die Energieentnahme
aus dem Meßkreis beschränkt ist. Die Anordnung ist demgemäß nur für solche Fälle
brauchbar, wo es sich um die Messung verhältnismäßig hoher Spannungen (etwa I0 V)
handelt und wo ferner die Meßspannung nicht bei der geringsten Energieentnahme bereits
zusammenbricht.
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Die Verwendung der Dynamometer zur unmittelbaren Aufzeichnung der
kompensierten Werte ist infolgedessen pral;tisch kaum durchführbar.
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Die oben angeführten Nachteile der bekannten Anordnung lassen sich
erfindungsgemäß dadurch vermeiden, daß die Dynamometer nach Art der Doppelspulelektrodynamometer
gebaut sind, deren eine Spule (Kompensationsspule) die Kompensationsspannung liefert,
während die zweite Spule (Richtspule) von dem Ausgangsstrom eines Verstärkers beeinflußt
wird, dessen Eingang im Kompensationskreis liegt. Diese Anordnung ermöglicht es,
von einem Verstärker Gebrauch zu machen, ohne daß an diesen Verstärker besonders
hohe Anforderungen hinsichtlich Phasentreue, Unveränderlichkeit des Verstärkungsgrades
usw. gestellt zu werden brauchen, und die die Kompensationsspannung liefernden Spulen
von der Abgabe mechanischer Verstellenergie vollkommen zu entlasten. Infolgedessen
ist der erfindungsgemäße Kompensator auch für sehr niedrige Spannungen, z. B. o,oI
V, ohne weiteres zu verwenden, und ferner kann der drehbare Teil der beiden Kompensationsdrehtransformatoren
auch mechanisch belastet sein, so daß die jeweilige Stellung beispielsweise mit
Hilfe üblicher Schreibfedern auf einem Streifen aufgezeichnet werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Fig. I zeigt ein Schaltungsbild, während in der Fig. 2 an einem Diagramm die elektrischen
Vorgänge innerhalb des Kompensators erläutert sind.
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Mit K; und K1" sind zwei Eisenkörper bezeichnet, in deren Nuten Erregerwicklungen
SFS bzw. SF" angeordnet sind. Konzentrisch innerhalb der mittleren kreisförmigen
Aussparungen der Eisenkörper befinden sich zwei zylinderförmige Eisenkörper K2'
und K2", und innerhalb des von den beiden Eisenkörpern gebildeten Ringspaltes ist
drehbar jeweils ein Doppelspulenpaar S1,, S2, und S" und 52" angeordnet. Die Erregerwicklungen
SFr und SF" sind über Isoliertransformatoren T' und T" an das Netz U angeschlossen,
aus welchem ebenfalls das Meßobjekt gespeist wird. In den einen Erregerkreis ist
eine Selbstinduktion L, in den anderen eine Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes
R und einer Kapazität C geschaltet, und diese Elemente sind so bemessen, daß die
Erregerströme beider Systeme um praktisch go° gegeneinander verschoben sind. S1,
bzw. 51 sind die die Kompensationsspannungen liefernden Kompensationsspulen. Aus
ihnen werden über Isoliertransformatoren T}t! und TK" zwei feste WiderständeR«'
und RKU gespeist, an denen die Kompensationsspaunnngen C' bzw.
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UK" abgegriffen werden. Den die beiden Widerstände RK bzw. RK' enthaltenden
Kreisen ist jeweils noch eine Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen Rv' bzw.
Rv" und Kapazitäten Cv' bzw. Cv" zugeordnet, um die Kompensationsspannungen l UK'
bzw. UKN auf eine der jeweiligen Aufgabe entsprechende Größe zu bringen, d. h. mit
anderen Worten, den Meßbereich des Kompensators in gewünschter Weise einstellen
zu können. Die beiden anderen Drehspulen 52' und S sind hintereinander in den Ausgangskreis
eines Verstärkers V geschaltet, für den die Energie unmittelbar aus dem Netz U entnommen
wird und dessen Eingang in Reihe mit den Kompensationswiderständen RK' bzw. RK"
an der dem Meßobjekt M entnommenen Meßspannung Ux liegt. In Reihe mit den Spulen
-' und 52" liegt noch ein Kondensator CA, dessen Bedeutung späterhin noch erläutert
wird.
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Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Anordnung erklärt sich wie
folgt: In den Kompensationsspulen S' bzw. S" werden um go0 gegeneinander verschobene
Spannungen erzeugt, die den Ablenkungswinkel a' bzw. a" proportional sind. Diese
Spannungen rufen über die Isoliertransformatoren TK' bzw. TK" in den beiden Kreisen
TR', RK' bzw. TK", RK" proportionale Ströme JR' bzw. JR" hervor. Diese wiederum
erzeugen ihnen proportionale Spannungsabfälle U< bzw. UK" in den Widerständen
RR' bzw. RK'.
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Diese Spannungsabfälle dienen zur Kompensation der Meßspannung Ux.
Es ist ohne weiteres klar, daß der Eingang des Verstärkers spannungslos wird, wenn
die vollständige Kompensation herbeigeführt ist. Solange dies noch nicht der Fall
ist, wirkt die noch vorhandene Differenzspannung UO auf den Verstärker ein, so daß
die Spulen -' und 52" von Strom durchflossen werden, Je nachdem, welche der beiden
Komponenten noch nicht voll auskompensiert ist, wird demnach die eine der Spulen
S2, bzw. S2, unter Umständen auch beide, ein Drehmoment ausüben, und zwar im Sinn
eines vollständigen Abgleichs.
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Bei entsprechender Wahl des Verstärkungsgrades kann selbst bei erheblichen
Reibungswiderständen der Doppeldrehspule eine praktisch vollkommene Kompensation
herbeigeführt werden. Der Kondensator CA hat für die oben erläuterte Wirkungsweise
an sich keine Bedeutung. Er ist aber von Bedeutung
insofern, als
es bei entsprechender Abstimmung des Kondensators möglich ist, den Widerstand im
Ausgangskreis des Verstärkers auf einen Mindestwert zu bringen, so daß der Ausgangsstrom
einen Höchstwert erreicht.
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Dadurch wird die Wirksamkeit des Verstärkers verbessert, indem er
von den durch die Induktivitäten der Spulen S2' und S2" gegebenen Blindströmen entastet
wird.
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In der Fig. 2 ist das Vektordiagramm des vorn beschriebenen Ausführungsbeispiels
des Erfindungsgegenstands dargestellt. Mit I bis IV ist das Achsenkreuz bezeichnet.
<t' und #" sind die von den Strömen Jp' bzw. JF" erzeugten Primärfelder in den
Drehtransformatoren. Infolge der in den Eisenkörpern hervorgerufenen Hysterese und
Wirbelstromverluste sind die magnetischen Flüsse um die Phasenwinkel e' bzw. e"
rückwärts verschoben, und zwar erfahrungsgemäß um etwa 1/2 bis I°.
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Solange die Meßanordnung noch nicht abgeglichen ist, liegt am Verstärker
die Eingangsspannung U0, die durch die geometrische Differenz der zu prüfenden Spannung
und der Vergleichs spannung
gebildet wird und in die beiden Komponenten
zerlegt werden kann. Bei dem in der Fig. 2 als Beispiel angenommenen Sonderfall
sind die Phasen der magnetischen Flüsse 0' und 0" so gewählt, daß 4(Uo,JÄ) = (U01,
#') = # (U0", #") = 90° ist. Bezeichnen q7' und #" die Phasenwinkel zwischen JA
und #' bzw. JA und 0", so ergeben sich die Drehmomente, die auf die Drehspulen S1',
S,' und S1H, S2" einwirken, aus den Gleichungen D' = const . #' . JA . cos #' und
D" = const #" . JA . cos #".
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Hieraus folgt, daß D' der reellen Komponente U0' und D" der imaginären
Komponente UO'' in bezug auf Größe und Richtung entspricht. Die Drehrichtungen von
S1, und S2, und S1" und S2" sind so gewählt, daß die Spannungen UK' bzw. UK" bzw.
dieAblenkungswinkel a' und a" im Sinn der angestrebten Kompensationseinstellung
verändert werden. Dabei ist das jeweilige Drehmoment D1 oder D2 der jeweiligen Größe
von U0' bzw. U0", also der jeweiligen Abweichung vom Kompensationszustand proportional.
Ein Überschwingen oder Pendeln des mit den Drehspulen verbundenen Anzeige- oder
Schreiborgans läßt sich durch eine ausreichende, zweckmäßig magnetische Dämpfung
vermeiden. Trotzdem kann eine Einstellzeit von etwa 0,5 Sek. erreicht werden.
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An Stelle der im Ausführungsbeispiel dargestelken Kunstschaltungen
zur Erzielung der um go0 gegeneinander phasenverschobenen Erregerströme JF' bzw.
JF" können auch andere geeignete Schaltungen benutzt werden; insbesondere kann man
auch einen Drehfeldphasenschieber dazu verwenden. Wenn diese Erregerströme JF' und
JF' sinusförmig verlaufen, dann werden die Grundwellen der in der Meßanordnung wirksamen
Ströme und Spannungen zur Messung herangezogen, während die Oberwellen unberücksichtigt
bleiben.
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Wenn ein sinusförmiger Verlauf der Erregerströme nicht vorausgesetzt
werden kann, dann kann man die bei Wechselstromkompensationsmessungen im allgemeinen
erwünschte Grundwellenselektivität dadurch erreichen, daß vor den Röhrenverstärker
V eine mehrgliedrige Siebkette geschaltet wird, welche die in den Spannungen UK'
bzw. UK" enthaltenen Oberwellen von dem durch die Drehspulen und den Röhrenverstärker
gebildeten Null indikator fernhält.
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Spannungsschwankungen der Stromquelle U gehen in das Meßergebnis
deswegen nicht ein, weil sie in gleicher Weise die Meßspannung Ux und die Kompensationsspannungen
UK' und UK" verändern. Daneben ändert sich allerdings auch noch der Verstärkungsgrad
des Verstärkers V. Da es sich aber um eine reine Nullmethode handelt, wird dadurch
lediglich die Größe der Drehmomente D' und D" und somit die Einstellzeit der drehbaren
Instrumententeile beeinflußt.
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Wie oben bereits erwähnt, eignet sich der erfindungsgemäße Kompensator
zur Messung auch sehr niedriger Spannungswerte oder gibt eine vollautomatische Aufzeichnung
der beiden Komponenten der Meßspannung.
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Man kann den Kompensator gemäß der Erfindung z. B. anwenden zur Aufzeichnung
der Kapazität und des Verlustfaktors von Kondensatoren, Kabeln, Hochspannungsapparaten
in Abhängigkeit von der Zeit, Temperatur u. dgl.
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Man kann ferner Spannung und Frequenz messen mit Hilfe von spannungs-
bzw. frequenzempfindlichen Brückenschaltungen, die selbsttätig von dem Kompensator
abgeglichen werden. Außerdem kann man sehr kleine Widerstandsänderungen, z. B. bei
der Temperaturmessung mittels wechselstromgespeister Widerstandsthermometer, auch
bei schnellem Verlauf aufzeichnen und auch Meßwerte mit Hilfe stetig regelbarer
Gegeninduktivitäten, die von Meßinstrumenten gesteuert werden, fernübertragen.
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Der an sich verhältnismäßig einfache Aufbau des Kompensators kann
in dem häufig vorkommenden Fall, daß die Meßspannung Ux
eine bestimmte
unveränderliche Phasenlage hat, noch wesentlich vereinfacht werden, weil dann nur
eine Abgleichrichtung zu berücksichtigen ist und nur ein einziges Doppelspulgerät
vorgesehen zu werden braucht.