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Verfahren zur Messung der Scheinleistung oder des Scheinverbrauchs
eines elektrischen Wechselstromnetzes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Anordnung zur Messung der Scheinleistung und des Scheinverbrauchs, und
zwar wird das Produkt aus Volt und Ampere erhalten, unabhängig von der Phasenlage
zwischen beiden.
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Die Erfindung beruht auf der mathematischen Tatsache, daß man das
Produkt zweier Variablen, beispielsweise des Stromes 1 und der Spannung E, bilden
kann, indem man eine dritte Variable C mißt, wenn es = CI . Dann ist E I = C2. Der
Vorteil der Einführung der dritten Variablen C besteht darin, daß an Stelle des
Produktes zwei Verhältnisse gebildet werden, und diese lassen sich nach bekannten
Methoden leichter her stellen als ein Produkt.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Messung der Scheinleistung
oder des Scheinverbrauchs eines elektrischen Wechselstromnetzes und ist dadurch
gekennzeichnet, daß in einem elektrischen Meßsystem das Verhältnis E der c Spannung
E oder eines ihr proportionalen Stromes zu einem einstellbaren Hilfsstrom C
und
in einem zweiten Meßsystem das Verhältnis des gleichen Stromes C zum Strom I des
\N'echselstromnetzes gebildet wird und beide Verhältnisse durch Regelung des Hilfsstromes
auf gleichen Vert gebracht werden, wobei der Hilfsstrom C ein AIaß für die Schein
leistung E I ist und seine zeitliche Integration ein Maß für den Scheimerbrauch
E 1 ii darstellt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug
genommen, in welchen Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Erfindung angibt,
speiche zwei elektrische Verhältnismesser der Dreheisentype zur Messung der E C
Verhältnisse und umfaßt und einen C I Stromkreis zur Herstellung und Messung der
ÄVerte von C enthält; Fig 2 stellt eine Anordnung dar, die im Prinzip gleich der
der Fig. I ist, bei welcher aber die Einstellung der Variablen C automatisch erfolgt;
Fig. 3 stellt eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dar.
in welcher Verhältnismeßgeräte der Induktionstype verwendet werden, und Fig. 4 stellt
eine Schaltung dar, die zur Messung der Scheinleistung eines ausgeglichenen Dreiphasen-M'echselstromnetzes
verwendet xverden kann.
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In der Fig. I stellt 10 ein Einphasen-Wechselstromnetz dar, dessen
Scheinleistung oder Scheinverbrauch gemessen werden soll. In und 12 sind die Dreheisen
auf einer gemeinsamen Achse 13 eines Verhältnismeßgerätes, die von den feststehenden
Spulen 14 bznv. I5 erregt werden. Spule 14 wird von dem Netz 10 proportional der
Spannung E erregt. Spule 15 wird über einen variablen Widerstand 17 gespeist, um
einen Strom proportional C zu erhalten. Ein zweites Verhältnismeßgerät mit den Dreheisen
18 und Ig auf der Achse 20 wird durch die Spulen 21 und 22 erregt. Spule 22 wird
proportional einem Strom I des Netzes 10 erregt, und Spule 'I ist in Reihe mit der
SpuleIj des zuerst erwähnten Verhältnismeßgerätes geschaltet und wird somit ebenfalls
von einem Strom durchflossen, der proportional C ist.
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Das obere Verhältnismeßinstrument mißt somit das Verhältnis E und
das untere Instrument das C Verhältnis . enn nun der Wert von C durch den variablen
Widerstand I7 so eingestellt wird, daß E first und diese Beziehung aufrechterhalten
wird, dann ist die Scheinleistung E -1 C-. C- kann durch ein Wechselstrommeßgerät,
mit 23 bezeichnet, gemessen werden und das Ergebnis an einer Skala 24 angezeigt
oder auf dem Papier 25 in dem Maß Volt-Ampere aufgeschrieben werden. Gleicherweise
kann der Strom durch ein Induktions-A h-Meßgerät, dargestellt in 26. in dem Maß
Ampere stunden integriert werden.
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Vm den Vergleich der Anzeige der beiden Verhältnismeßinstrumente
und die Aufrechterhaltung des gleichen Verhältnisses zu erleichtern, sind die Instrumente
mit Zeigern 27 und 2S ausgerüstet, die auf der gleichen Skala2g spielen. In einem
solchen Falle müssen die Instrumente so entworfen oder justiert werden, daß sie
gleiche Kennlinie für alle Skalenpunkte haben.
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Dieses Meßprinzip hindert weder die Verwendung von Spannungs- oder
Stromtransformatoren noch die Verwendung einer verschiedenen Zahl von Amperewindungen
auf den beiden Verhältnismeßgeräten. Auch bereitet die Einstellung des C-Stromes
zur Erreichung gleicher Verhältnisse keinerlei Schwierigkeiten.
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Sehmen wir an, daß die Instrumente an einem Netz von 100V liegen,
daß einen Strom von 10 A führt. Die Scheinleistung beträgt dabei I000 VA. Der C-Strom
wird so lange geregelt, bis beide Verhältnismesser den gleichen Wert zeigen. C ist
dann gleich I E.I = 3I,3 multipliziert mit der Eichkonstanten K des Systems. Die
Meßeinrichtungen in dem C-Kreis sind entsprechend geeicht; der Zeiger des Instrumentes
24 zeigt somit auf I000 VA.
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Es wird nun angenommen, daß der Strom 1 auf 20 A ansteigt. Der Zeiger
2S des unteren Verhältnismessers bewegt sich skalenabwärts.
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Der C-Strom wird nun vergrößert, wodurch der Zeiger 27 sich skalenabwärts
bewegt, während sich der Zeiger 28 aufwärts bewegt, bis das Verhältnis wieder gleich
ist. Der C-Strom ist nun K . @ 100 . 20 = K . 44,S, und die Instrumentenskala ist
bei diesem Punkt mit 2000 VA bezeichnet. Es wird nun angenommen, daß sich Strom
und Spannung auf 25 A bzw. So V ändern. Das ergibt ebenfalls 2000 VA, und der C-Strom
wird der gleiche sein. Beide Instrumentenzeiger 27 und 28 werden sich skalenabwärts
bewegen, aber ihre Ausschläge werden untereinander gleich bleiben, und eine Verstellung
des C-Stromes wird nicht notwendig sein.
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Vorzugsweise wird das Netz 10 als Spannungsquelle für den C-Strom
verwendet, denn der C-Strom muß Null werden, wenn das Netz C ausgeschaltet vird.
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Die Anordnung der Fig. I ist für Handeinstellung des C-Stromes eingerichtet,
und der Vergleich der beiden Verhältnisse geschieht durch das menschliche Auge.
In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, wo diese Funktionen automatisch durchgeführt
werden. Auch in Fig. 2 sind Verhältuismesser dargestellt, deren Spulen auf die gleichen
Dreheisen einwirken.
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Das Meßprinzip ist das gleiche wie in Fig. 1. Das E Instrument, welches
das Verhältnis C mißt, hat ein Dreheisen 27, das mit der E-Spule 14
und
der C-Spule 15 zusammenwirkt, so daß es sich im Uhrzeigergegensinne dreht, wenn
das Verhältnis E ansteigt. Das Instrument, welches 0 das Verhältnis Cz mißt hat
ein Dreheisen 28, das mit der C-Spule 21 und der Spule 22 zusammenarbeitet, so daß
es sichbeimAnsteigen des 0 Verhältnisses T im Uhrzeigergegensinne dreht.
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Die Achsen der beiden Verhältnismesser liegen in einer Flucht und
tragen Spiegel 29 und 30 in solcher Lage, daß sie mit lichtempfindlichen Zellen
zusammenarbeiten. Die Anordnung besteht aus einer Lichtquelle 3I, einem Hohlspiegel
32 mit kugeliger Oberfläche, einem Spiegelträger 33 mit Hohlspiegeln 34 und 35,
die in einer Kante 36 zusammenstoßen, und den lichtempfindlichen Zellen 37 und 38.
Der Spiegel 32 ist so ausgebildet und gelagert, daß das Licht von der Quelle 3I
durch den Spiegel 29 auf den Spiegel 32 und zurück auf den Spiegel 30 für jede Winkelstellung
29 geworfen wird. Die Spiegeloberfläche 35 ist so ausgebildet und gelagert, daß,
wenn der Lichtstrahl, der vom Spiegel 30 zurückgeworfen wird, diese Oberfläche trifft,
er auf eine lichtempfindliche Zelle 37 geworfen wird. Wenn in gleicher Weise die
Oberfläche 34 getroffen wird, wird der Lichtstrahl auf die lichtempfindliche Zelle
38 geworfen. Der Lichtstrahl vom Spiegel 30 trifft eine der beiden Oberflächen 35
oder 34 oder kann teilweise auf beide fallen, nämlich an der Kante 36. Die Stellung,
bei der der Lichtstrahl vom Spiegel 30 auf die Oberfläche 34, 35 oder 36 trifft,
hängt von der Winkelstellung der beiden Verhältnismeßinstrumente ab. Wie in Fig.
2 dargestellt, wird der Lichtstrahl vom Spiegel 30 durch die Kante 36 gespalten
und teilweise auf jede der beiden lichtempfindlichen Zellen geworfen. Dies ist die
normale Stellung der Anordnung, obgleich die Teilung des Lichtes variieren kann
und die Spiegel 29 und 30 sich um einen beträchtlichen Betrag von der dargestellten
Lage bewegen können. Um den Lichtstrahl auf der Kante 36 zu halten, muß der Spiegel
30 im Uhrzeigersinne gedreht werden, wenn der Spiegel 29 im gleichen Sinne gedreht
wurde, oder umgekehrt, da, wenn der Lichtstrahl 32 weiter links trifft und Spiegel
30 sich nicht bewegt, er das Licht weiter nach rechts auf die Fläche 35 wirft. Die
Photozellen 37 und 38 sind in Reihe über einen passenden Teil eines Spannungsteilerwiderstandes
39 geschaltet, der von einer Gleichstromquelle 40 gespeist wird.
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Die Verteilung des Lichtes auf die Zellen 37 und 38 regelt die Vorspannung
an dem Gitter einer Dreielektrodenröhre 4I, deren Kathode und Anode an passende
Teile des Spannungsteilers 39 angeschlossen sind, wobei die Anode positiver als
die Kathode ist. Man sieht, daß, wenn das Licht nur auf die Photozelle 38 fällt,
die Röhre 41 stärker leitend ist, als wenn das Licht nur auf die Photozelle 37 fällt,
und daß, wenn das Licht auf beide Zellen fällt, die Röhre 41 in einem entsprechenden
Verhältnis Strom durchläßt.
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Die Leitfähigkeit der Röhre 41 kontrolliert die Leitfähigkeit eines
Paares von Dreielektrodenröhren 42 und 43, die an den Transformator 44 angeschlossen
sind, welcher von der Stromquelle 10 gespeist wird. Die Anodenkreise der Röhren
42 und 43 speisen einen Transformator 45, der den C-Strom für die Spulen 15 und
21 der Verhältnismeßgeräte erzeugt. Kathoden und Gitter der Röhren 42 und 43 sind
über einen Widerstand 46 geschaltet, der im Anodenkreis der Röhre 41 liegt, so daß,
wenn Strom durch die Röhre 41 fließt, der Widerstand 46 den Gittern der Röhren 42
und 43 eine negative Vorspannung erteilt, um den darin fließenden Strom zu vermindern.
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Daher leiten die Röhren 42 und 43 den Strom im umgekehrten Verhältnis
zu der Leitfähigkeit der Röhre 4I, und entsprechend ist der C-Strom umgekehrt proportional
der Leitfähigkeit der Röhre 41.
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Es wird nun angenommen, daß die gemessenen Verhältnisse in beiden
Systemen gleich sind und daß das Gesamtsystem in dieser Lage ausgeglichen ist. Wenn
nun E ansteigt und 1 konstant bleibt, muß C ansteigen, um das System wieder ins
Gleichgewicht zu bringen.
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Ein Anwachsen von E verursacht eine Drehung des Spiegels 29 im Uhrzeigergegensinne.
Das Licht, das von ihm zurückgeworfen wird, geht auf dem Spiegel 32 nach links und
wird vom Spiegel 30 weiter nach rechts auf den Spiegel 35 geworfen. Die Photozelle
37 wird stärker leitend, die Photozelle 38 dagegen weniger leitend, wodurch die
Leitfähigkeit der Röhre 41 abnimmt und die Leitfähigkeiten der Röhren 42 und 43
ansteigen, was einen Anstieg des C-Stromes zur Folge hat. Hierdurch wird der Spiegel
29 im Uhrzeigersinne und der Spiegel 30 im Uhrzeigergegensinne verdreht in dem Maße,
wie es notwendig ist, um das Gleichgewicht der Systeme E C und-die Bedingung = wiederherzustellen.
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C I In der gleichen Weise kann gezeigt werden, daß ein Ansteigen
oder Abfallen des Stromes oder der Spannung eine automatische Rückführung des Systems
in den ausgeglichenen Zustand hervorruft, wo C2 proportional der Scheinleistung
ist. Wie in Fig. I wird im C-Kreis ein Wechselstrom verwendet, wodurch der C2-Strom
leicht mit Wechselstrommeßgeräten, die in VA oder VA-Stunden geeicht sind, gemessen
werden kann.
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Im C-Kreis ist ein anzeigendes VA-Instrument 47, ein integrierendes
VAh-Meßgerät 26 und ein registrierendes VA-Meßgerät 23 dargestellt.
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Diese können beliebig weit von den Verhältnismeßgeräten
und
der Regelapparatur aufgebaut werden.
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Fig. 3 stellt eine andere Anordnung zur Ausführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung dar, wo der Ausgleich der Verhältnisse automatisch bewirkt wird
und wattmetrische Induktionsinstrumente verxvendet werden, die auf einen Differentialregler
einwirken. Hier werden Geschwindigkeitsverhältnisse verglichen und ausgeglichen.
In Fig. 3 speist das Wechselstromnetz 10 eine Last 48. 49 stellt eine drehbare Induktionsscheibe
aus leitendem Material dar, welche durch eine abgeschirmte Spule eines Induktionsmotorstators
50 proportional zum C-Strom angetrieben wird. Die Scheibe 49 wird durch einen Dämpfermagneten
51 gebremst, der proportional der Spannung des Netzes 10 gespeist wird.
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52 ist eine andere drehbare Induktionsscheibe aus leitendem Material,
die von einem gleichartigen Induktionssystem 53 angetrieben wird, welches proportional
dem Laststrom 1 des Netzes 10 erregt wird. Die Dämpfung erfolgt durch einen Magneten
54, dessen Erregerspule in Reihe mit der Antriebsspule 50 in dem C-Stromkreis liegt.
Die beiden Induktionsscheiben laufen in entgegengesetzter Richtung, und ihre Achsen
sind so angeordnet, daß sie die beiden Sonnenräder 55 und 56 eines mechanischen
Differentials antreiben, dessen Planetenrad 57 so nach Richtung und Betrag proportional
der Differenz der Geschnindigkeiten der beiden Motorscheiben 49 und 52 umläuft.
Das Planetenrad des Differentials trägt einen Kontaktarm 58, der über einen Widerstand
59 gleitet, welcher an der Spannung des Netzes 10 liegt. Der C-Kreis wird über den
ELontaktarmgS gespeist. Das Differential regelt so einen TtXriderstand, der in dem
C-Kreis liegt und von dem Netz 10 gespeist wird. Die Drehrichtung der Teile des
Differentials in bezug auf die Einstellung des Widerstandes ist derart, daß eine
Verminderung der Geschwindigkeit der Scheibe 49, bezogen auf die Geschwindigkeit
der Scheibe 52, den im C-Kreis eingeschlossenen Teil des Widerstandes 59 vermindert.
Dies vergrößert den C-Strom und vergrößert die Geschwindigkeit der Scheibe 49, wobei
gleichzeitig die Geschwindigkeit der Scheibe 52 wieder vermindert wird, bis beide
Geschwindigkeiten wieder gleich sind.
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Die Geschwindigkeit der Scheibe 49 ist ein c Maß für das Verhältnis
E und die der Scheibe 52 ein Maß für das Verhältnis c . Wenn beide Gec 1 schavindigkeiten
gleich sind, ist daher E = C oder E I = C2.
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Die Anordnung ist also so, daß das Quadrat des Stromes im C-Kreis
proportional der Scheinleistung ist. Dieser Strom kann gemessen oder integriert
werden im VA-Maßstab, wie dies durch die mit 47 und 26 bezeichneten Anordnungen
angedeutet ist. Es ist selbstverständlich, daß Antriebs- und Dämpfungselemente der
beiden Motorzähier gegeneinander ausgetauscht werden können, um das gleiche Ergebnis
zu erzielen.
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Wird der Speisekreis 10 ausgeschaltet, so bleiben beide Motoren stehen,
und der C-Strom geht auf Null herunter. Wenn Spannung, aber kein Strom vorhanden
ist, wird der C-Strom durch die Bewegung des Widerstandsarmes 58 zunächst auf einen
minimalen Wert des C-Kreises heruntergeregelt und dann dieser Kreis geöffnet. Die
Anordnung ist so ganz automatisch und spricht auf alle Bedingungen an, wie sie auch
zusammentreffen.
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Wenn nur der Scheinverbrauch gemessen werden soll, ist es nicht unbedingt
notwendig, daß die Regelung des Widerstandes in Fig. 3 sehr genau oder empfindlich
ist, solange die mittlere Geschwindigkeit der beiden Teile 55 und 56 ausgeglichen
ist. Für die Regelanordnung im C-Kreis können somit sehr kleine Motoren verwendet
werden; und der Widerstand selbst kann Anzapfungen erhalten, so daß die Einstellung
sprungweise erfolgt, um die mittlere Geschwindigkeit der zwei Meßanordnungen gleich
und damit den mittleren C2-Strom proportional der Scheinleistung zu halten.
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In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, um die Spannungsspule 14
und die Stromspule 22 der Verhältnismeßgeräte von einem Dreiphasen-NVechselstromnetz
10a, dessen Phasen gleich belastet sind, zu speisen. In dieser Darstellung ist 60
ein künstlicher Sternpunkt aus drei Spulen, die im Stern geschaltet und an die drei
Phasen des Kreises IOa angeschlossen sind.
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Eine Spannung wird vom Sternpunkt und einer der drei Phasen abgenommen.
Die Spulen 14 und 22 werden dann durch Ströme gespeist, die proportional der Spannung
und dem Strom der drei Phasen sind, und der notwendige Multiplikationsfaktor kann
an irgendeiner Stelle des Meßsystems eingeführt werden.
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Im vorstehenden sind nur einige vorteilhafte Beispiele näher beschrieben.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann aber auch mit anderen Mittdn durchgeführt
werden.