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Wattmetrisches System in Wechselstromkreisen In der Technik werden
häufig für meß-, steuer-, regel- oder schutztechnische Zwecke wattmetrische Systeme
benötigt. In manchen Fällen wird nur die Feststellung der Energierichtung benötsgt,
z. B. bei Überwachungseinrichtungen zur Kontrolle der Leistungslieferung eines Generators
oder bei Erdschlußmeldeeinrichtungen zur Feststellung der Erdschlußstelle. Bei einer
bestimmten Energierichtung hat in diesem Fall meist schon bei einer sehr geringen
Leistung das wattmetrische System anzusprechen und einen Kontakt zu betätigen. Bei
entgegengesetzter Energierichtung bleibt das System in Ruhe, wobei aber die Leistung
sehr groß werden kann gegenüber der Ansprechleistung bei umgekehrter Richtung, so
daß also das System dauernd durch eine gegenüber der Ansprechleistung sehr große
Leistung beansprucht wird. In andern Fällen soll das wattmetrische System bei Erreichen
einer bestimmten Leistung ansprechen und z. B. durch eire Signal das Personal vor
Überlastung einer bestimmten Anlage gewarnt werden. In diesem Fall wird möglichst
genaues Arbeiten des. Systems verlangt, so daß die Meldung auch tatsächlich bei
der gewünschten, meist am System einsteldbaren Leistung erfolgt.
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Wattmetrische Systeme für Regelzwecke sollen bei Über- oder Unterschreiten
einer bestimmten Leistung auf den nachfolgenden Regelkreis und damit korrigierend:
auf die Leistung einwirken. Solche Systeme sollen mit einem möglichst kleinen Unempfindlichkeitsbereich
arbeiten.
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Selbstverständlich können alle wattmetrischen Systeme so aufgebaut
werden, daß sie auf Wirkleistung oder Blindleistung ansprechen.
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In manchen Fällen, z. B. bei cos q9-Regelung, soll
das
wattmetrische System bei der Abweichung eines bestimmten Verhältnisses von Wirkleistung
zu Blindleistung ansprechen und etwa über Regeleinrichtungen korrigierend einwirken.
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Wattmetrische Systeme haben also je nach ihrem Verwendungszweck denk
verschiedensten Ansprüchen zu genügen, und dementsprechend sind auch zahlreiche
solche Systeme entwickelt worden, die aber dann nur jeweils für ihren besonderen
Zweck verwendbar sind. Die bisher üblichen Systeme, meist als dlynamometrische oder
Ferrar@issysteme ausgeführt, entsprechen ihrem Aufbau nach Leistungsmessern oder
Zählern, also Meßinstrumenten. Da aber der Bedarf für wattmetrische Systeme im Gegensatz
etwa zu Gleichstrominstrumenten gering ist und zudem von Fall zu Fall verschiedene
Geräte benötigt werden, kann eine Massenfabrikation nicht in Frage kommen, so duß
solche wattmetrischen Systeme im allgemeinen teuer werden, verglichen etwa mit Gleichstrommeßinstrumenten.
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Um diese Schwierigkeiten zu beheben, benutzt man in bekannter Weise
Schaltungen, bei denen es möglich wird, durch Übergang auf Gleichstrom normale Gleichstrominstrumente
und Relais für die Messung oder Steuerung zu verwenden.
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Bild i zeigt die einfachste Schaltung für ein Wirkstromrelais etwa
als Meßwerk in einem Regelkreis. i ist ein. Shunt, der vom Belastungsstrom unmittelbar
oder über einen Stromwandler durchflossen und in der Mitte angezapft ist. 2 ist
ein Transformator, der die Spannung U1 am Verbraucher auf die für das. System erforderliche
Spannung U2 umspannt. 3 und 4 sind Gleichrichter in Grätzscha.ltung, und 5 ist ein
polarisiertes Gleichstromrelais mit den zwei Wicklungen I und 1I und dem Kontaktsystem
K.
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Die Wirkungsweise ist die folgende: Wenn zunächst angenommen wird,
daß eine Ohrnsche Belastung vorhanden ist, so sind die Spannungen U2 am Transformator
und U, am Shunt in Phase. An den Klemmen des Gleichrichters 3 liegt
an denen des Gleichrichters 4
Durch die Wicklung I fließt also ein Strom proportional
durch Il ein Strom proportional
Führt man nun die beiden Wicklungen gleich aus und schaltet sie außerdem so, daß
sie gegeneinander arbeiten, so wird als resultierende Durchflutung vom Relais die
Differenz beider wirksam, die Durchflutung wird also proportional
Man sieht, daß am Relais eine dem Strom 1 pro-, portionzle Erregung wirksam ist.
Bei einem bestimmten Strom wird also das Reläis Kontakt gebest. Dreht der Strom
seine Richtung um, so wird sich jetzt im Stromkreis von Wicklung I Spannung U2 und
addieren und umgekehrt im Stromkreis von Wicklung II. Die re,sult.ierepde Durchflutung
ändert also ihreRich@tung,und daspolarisierteRelais wird auf der entgegengesetzten
Seite Kontakt geben.
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Bis jetzt war angenommen, daß U1 und 1 in Phase oder Gegenphase stehen.
1-läufig wird aber die Belastung nicht rein ohmisch, sondern gemischt ohmisch und
induktiv sein, so daß zwischen U1 und 1 eine gewisse Phasenverschiebung auftritt.
Macht man nun U, geniigend groß gegen UI, so wird trotzdem das Relais praktisch
nur vom Wirkstrom beeinflußt, -,vie aus Diagramm Bild 2 hervorgeht. Maßgebend für
die Relaisdurchflutung ist die Differenz der absoluten Größe von U3 und' U4. Die
vom Blindstrom 113 herrührende Komponente von
steht senkrecht auf U", beeinflußt also, solange sie klein bleibt gegenüber U2,
die resultierende Absolutgröße von
praktisch nicht. Dagegen kommt die gleichphasig zu U., vom Wirkstrom IR, herrührende
Komponente von UI in ihrer Größe voll zur Wirkung, so daß also am Relais praktisch
wieder nur der Wirkstrom und damit bei konstanter Spannung die Wirkleistung wirksam
wird.
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Die bisher beschriebene Anordnung kann also z. B. dazu verwendet werden,
etwa den Leistungsaustausch zwischen zwei Netzen auf Null zu halten. Sobald Wirkleistung
in einer oder anderer Richtung auftritt, spricht das Relais in einer oder anderer
Richtung an und kann durch Beeinflussung irgendwelcher Maschinen oder Apparate korrigierend
auf den Leistungsfluß einwirken.
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Dreht man die Spannung U" durch irgendeine Phasenschieberkombination
oder durch Verwendung einer anderen Phasenspannung bei Drehstrom um 9o°, so vertauschen
Wirk- und Blindstrom ihre Rolle, und das Relais ist zum Blindstromrelais geworden.
Der Blindstrom kann auf Null geregelt werden. Dreht man die Spannung um weniger
als 9o', z. B. 45°, so kann <las Relais zur Konstanthaltung des entsprechenden
Leistungsfaktors von cos 99 gleich cos 45° gleich o,; verwendet werden. Nur wenn
dieser Leistungsfaktor auftritt, besitzt dann der Strom keine Komponente in Richtung
der gedrehten Spannung U., und befindet sich demnach dann das Relais in seiner Mittellage.
Durch das Relais kann bei einer solchen cos (p-Regelung z. B. die Erregung eines
Generators, der mit konstantem cos (p arbeiten soll, beeinflußt werden.
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Bild 3 zeigt, wie mit dem System bei einer Leistungsregelung nicht
nur die Leistung Null, son, d'ern auch jede beliebige gewünschte Leistung eingeregelt
werden kann. Die Schaltung entspricht der von Bild i, nur ist noch der Spannungsteiler
6 für die Spannung U2 vorgesehen, so daß für die Wicklungen I und 11 verschiedene
Spannungen abgegriffen werden. Bei Wirkstrom Null sind in diesem Fall d ie- beiden
Ströme in den Wicklungen I und 1I verschieden, so daß das Relais anspricht und regulierend
eingreifen kann. Bei einem bestimmten Wirkstrom, dessen Spannungskomponente am Shunt
i sich dann zu der niedrigeren Spannung am Spannungsteiler 6 addieren und von der
höheren
subtrahieren muß, werden die beiden Ströme in I und II gleich,
und das Relais befindet sich in seiner Mittellage. Wird der Wirkstrom größer, so
wird auf der einen Seite, wird er kleiner auf der entgegengesetzten Seite Kontakt
gegeben.
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Bei der bisher beschriebenen Anordnung entsprechendl Bild 3 arbeitet
das System als Wirkstrom-und nicht als Wirkleistungsrelais. Bei fallender Spannung
z. 13. wird der gleiche Wirkstrom, also eine etwas geringere Wirkleistung, eingeregelt.
Durch die in Bild 4 aufgezeichnete Zusatzeinrichtung kann aber erfindungsgemäß das
Relais innerhalb gewisser Spannungsgrenzen auch als Wirkleistungsrelais Verwendung
finden. Das Relais 5 erhält eine weitere Wicklung III die über einen Gleichrichter
7 an d.er Spannung U2 liegt. Der Strom durch diese Wicklung wird bei Normalspannung
so eingestellt, diaß ihre Durchflutung gerade die halbe Differenzdurchflutung von
Wicklung I und II aufhebt. Gegenüber Betrieb ohne Wicklung III kommt also das Relais
jetzt schon bei halbem Strom in seine Mittellage bzw. kann der Spannungsabfall am
Shunt bei sonst gleichen Verhältnissen aif die Hälfte reduziert werden. Weicht nun
die Spannung U1 vom Sollwert ab, ist sie z. B. um 5 % zu niedrig, so wird die entsprechende
Durchflutung vom Wicklung III auch um 5 % niedriger, d. h. der Wirkstrom muß um
5 % ansteigen, bis das Relais wieder in seine Mittellage kommt. Da die Spannung
um 5 % gefallen, der Wirkstrom aber um 5 % gestiegen ist, ist somit die Wirkleistung
die gleiche wie vor der Spannungsabsenkung. Das Systeme kann also für nicht zu große
Abweichungen der Spannung als Wirkleistungssystem aufgefaßt werden.
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An die Stelle des Shunts i kann auch ein Stromwandter treten, mit
Mittelanzapfung auf der Sekundärseite; an der Wirkungsweise der Anordnung ändert
sich damit praktisch nichts.
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Bei dem Beispiel Bild 4 entsprechend muß ein polarisiertes Relais
Verwendung finden, das im allgemeinen nur eine verhältnismäßig geringe Schaltleistung
aufweist. Außerdem wird das Relais, wenn es z. B. als Rückle:istungsrelais mit sehr
geringer Ansprechleistung ausgebildet wird, bei normaler Leistungsrichtung und entsprechend
großem Strom thermisch stark beansprucht. Außerdem ist bei der bisher behandelten
Schaltung eine unmittelbare Messung des Wirkstromes nicht möglich.
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Um nun normale Gleichstromrelais verwenden oder die thermische Überlastung
vermeiden zu können oder eine unmittelbare Messung des Wirkstromes möglich zu machen,
kann erfindungsgemäß die Schaltung noch entsprechend Bild 5 umgewandelt werden.
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An Stelle des Shunts ist hier ein Stromwandler i mit zwei getrennten,
genau gleichen Sekundärwicklungen getreten. Auch die Sekundärwicklung des Spannungswandlers
2 ist unterteilt, so daß die Gleichrichter 3 und 4 auf der Wechselstromseite galvanisch
getrennt sind und dementsprechend auf der Gleichstromseite zusammen-, und zwar gegeneinandergeschaltet
werden können. Sind die Spannungen an den Gleichrichtern gleich, was dann der Fall
ist, wenn der Strom Null ist oder reiner Blindstrom fließt, so wird! ihre Differenz
A U auch Null; ein etwa angeschlossenes Gleichstromvoltmeter zeigt also Null, bzw.
ein angeschlossenes Gleichstromrelais führt keinen Strom. Tritt nun Wirkstrom in
der einen oder anderen Richtung auf, so überwiegt entweder die Spannung am Gleichrichter
3 oder 4, und dementsprechend tritt eine Differenzspannung auf, deren Richtung von
der Wirkstromrichtung und deren Größe von der Wirkstromgröße abhängt. Ein angeschlossenes
Voltmeter kann also unmittelbar bei linearer Skala als Wirkstrommesser geeicht werden,
ein einfaches Gleichstromrelaios spricht bei einem ganz bestimmten Wirkstrom an.
Versieht man ein solches Relais entsprechend Bilde 4 noch mit einer zweiten vom
einem der Spannung U proportionalen Strom durchflossenen Wicklung, so arbeitet es
in einem gewissen Spannungsbereich, wie bei Bild 4 beschrieben, als Wirkleistungsre.lais.
Da die Gleichrichter Strom nur in einer Richtung durchlassen, müssen noch die Widerstände
5 und 6, normal gleich groß, vorgesehen werden. Wenn z. B. die Spannung von Gleichrichter
3 überwiegt, fließt entsprechend den eingetragenen Pfeilen durch Widerstand 5 der
Gleichrichterstrorn verringert um den Strom i im Außenkreis, durch Widerstand 6
der Gleichrichterstrom erhöht um den Strom i. Wird nun der Strom i so groß, daß
der Spannungsabfall am Widerstand 6 gleich der Gleichrichter,spannung an 4 wird,
so beteiligt sich der Gleichrichter 4 nicht mehr am Stromfluß, und nur Gleichrichter
3 mit den je'eiligen hälftigen Sekundärwicklungen vorn Stromwandler I und Spannungswandler
2 führt Strom. Die Differenzspannung A U nimmt aber unabhängig davon noch weiterhin
proportional mit dem Wirkstrom zu. Die Spannung am Gleichrichter 4 als Differenz
von' Stromwandler- und Spannungswandlerspannung wird allmählich Null; ändert wechselstromseitig
ihre Richtung und steigt dann wieder an. Damit steigt auch die Gleichspannung am
Gleichrichter 4; und zwar selbstverständlich mit der ursprünglichen Polarität, und
wird schließlich größer als der Spannungsabfall am Widerstand 6, so daß jetzt auch
Gleichrichter 4 wieder Strom führt und seine Spannung für die Differenzspannung
A U maßgebend wird. Am Gleichrichter 3 liegt die Spannung
am Gleichrichter 4 jetzt
Die Differenz der Absolutbeträge wird damit einfach gleich 0 U = U2 = const.
Das bedeutet aber, daß von einem bestimmten Wirkstrom ab die Differenzspannung A
U konstant bleibt. A U abhängig von I" wird also den in Bild 6 aufgezeichneten grundsätzlichen
Verlauf nehmen, also Proportionalität zwischen A U und 1", bis zu einem bestimmten
Strom, dann konstanter Wert für A U. Durch geeignete Bemessung der Spannungen UI
und. U, und Widerstände 5 und 6 kann die Proportionalität bis zu beliebigem, gewünschten
Wert eingestellt werden. Man sieht aus dem Verlauf der Kennlinie Bild 6, daß es
bei dieser Schaltung ohne weiteres möglich ist, Instrumente oder Relais, die von
A U gespeist werden, vor Überlastung zu schützen. Man kann. also
z.
B. ein sehr empfindliches Relais vorsehen, das schon bei sehr geringem Wirkstrom
anspricht, aber trotzdem auch bei noch so großem Strom nicht überlastet werden kann.