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Anordnung zur Leistungsmessung bei stromrichtergespeisten Verbrauchern
mit großen Induktivitäten
Bei der Speisung von Verbrauchern mit nennenswerten Induktivitäten
durch Stromrichter, ins-I)esondere Gleichrichter, ist häufig wegen der gesamten
Themastellung nicht zu vermeiden, daß diesen Geräten sehr stark wellige Spannungen
und Ströme zugeführt werden. Eine Leistungsmessung, die ein genaues Abbild der aufgenommenen
Leistungsgrößen wiedergeben soll, ist dabei mit handelsüblichen Instrumenten nicht
ohne weiteres möglich.
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Zum Beispiel tritt bei der Speisung der Erregerwicklung eines größeren
Generators aus einem mehrphasigen Gleichrichter häufig der Wunsch auf, über die
bei ihm bekannten Steuerelemente, z. B.
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Steuergitter oder magnetisch sättigbare Kerne, eine Größenregelung
des Erregerstromes vorzunehmen.
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Dieser bewegt sich bei größeren Maschinen zwischen Stromwerten von
einigen IOO bis max. looo A. Wegen der Induktivität im Kreis ist der Strom ziemlich
weitgehend geglättet. Die den Schleifringen zuzuführende Spannung hat aber meist
eine erhebliche Welligkeit, weil man dem Stromrichter Leistungsreserven zur plötzlichen
Steigerung der Erregung (Stoßerregung) lassen möchte und daher den Stromrichter
meist stark heruntergesteuert betreibt. Die von dem Erregerkreis aufgenommene Wirkleistung,
die ja in diesem restlos in Verlusten umgesetzt wird, kann nun mit handelsüblichen
Instrumenten heute ohne weiteres überhaupt nicht genau gemessen werden. Die direkte
Leistungsmessung mit Strom und Spannung und unter Berücksichtigung der Oberwellen
über ein Wattmeter ist nicht möglich, da Wattmeter mit Stromspulen für einige IOO
A serienmäßig nicht geliefert werden. Mit Drehspulinstru-
menten
läßt sich allein und mit recht hoher Genauigkeit die von den Gleichkomponenten von
Strom und Spannung umgesetzte Leistung, die zweifellos den wesentlichsten Teil darstellt,
bestimmen. Die Zusatzverluste, die durch die Wechselkomponente in beiden Größen
auftreten, können nicht erfaßt werden.
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Es sind schon verschiedene Anordnungen zur Messung der Wechselkomponenten
von Strom und Spannung getrennt von den Gleichstromkomponenten vrgeschlagen worden.
Bei der Spannung ist dies in den meisten Fällen durch Abrlegelung des Meßkreises
über einen vorgeschalteten großen Kondensator leicht möglich. Beim Strom liegen
dagegen erhebliche Schwierigkeiten vor, weil die ublichen Stromwandler durch die
gerade im betrachteten f all sehr großen Crieichstromkomponenten sehr stark vormagnetisiert
werden und damit nur ungenau arbeiten £Q;rößen- und Winkelfehler) und auch weil
man bei Verwendung üblicher Wandler dann noch die Bürde groß machen muß, weil ja
die fließende Wechselstromkomponente sehr klein ist, der zu wählende Wandler mit
einem üblicherweise auf 5 A Sekundärstrom - abgestimmten Übersetzungsverhältnis
aber auf der Primärseite für den vollen Wert des Gleichstroms bemessen werden muß.
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Die Erfindung gibt eine Lösung der gestellten Aufgabe unter Benutzung
eines besonders hergerichteten Wandlers. Erfindungsgemäß durchfließt der Verbraucherstrom
einen mit einer gleichstromdurchflossenen Kompensationswicklung versehenen Wandler,
dessen Sekundärwicklung die Stromspule eines Wattmeters speist, dessen Spannungsspule
an der Verbraucherspannung liegt und gegebenenfalls durch einen Kondensator gegen
die Gleichspannung abgeriegelt ist.
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Die Zeichnung zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Schaltung zur
Messung der durch Gleich- und Wechselkomponenten in - Strom und Spannung in einem
Verbraucher allgemeinster Art V umgesetzten Leistungen. Sie werden von dem gegebenenfalls
mit Gittersteuerung ausgerüsteten Gleichrichter GR geliefert und über einen besonderen
Wandler W geführt, dessen Primärwicklung P für den vollen zu messenden Wellenstrom
ausgelegt ist. Ihr zugeordnet ist über einen hochwertigen Kern (Ringkern) eine Sekundärwicklung
S, die an den ,Strommesser JX und die Stromspule des Leistungsmessers N~- inReihenschaltung
angelegt ist und deren tYbersetzungs- und Windungszahlen im Verhältnis zur Primärwicklung
so gewählt sind, daß die zu erwartenden Wechselkomponenten für die Instrumente gerade
zu einem Nennstrom von ,etwa 5 A führen. Gegebenenfalls kann zwischen den Instrumenten
und der Sekundärwicklung des Wandlers noch ein hier nicht dargestellter Zwischenwandler
eingefügt werden, der im, wesentlichen für laufende Messungen über größere Strombereiche
zur Anpassung der Instrumente an die jeweils vorliegenden Stromgrößen umschaltbar
eingerichtet iiet. Eine wuirkungsmäßig vollkommen entsprechende Umschaltung kann
auch direkt durch entsprechende Mittel an S vorgenommen werden.
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Als wesentliches Zusatzelement besitzt der Hauptwandler eine dritte,
sogenannte Kompensationswicklung IC, deren Windungszahl in einem bestimmten, genau
bekannten Verhältnis zur Primärwicklung P des Wandlers steht und die betriebsmäßig
von einem von außen zugeführten Gleichstrom in der Richtung durchflossen wird, daß
ihre und der Primärwicklung Durchflutungen sich hinsichtlich der Gleichkomponenten
durch entgegengesetzte Richtung gerade möglichst genau aufheben. Um einen Abfluß
irgendwelcher Wechselkomponenten von dieser Sekundärwicklung in ihren speisenden
Gleichstromkreis mit Sicherheit zu verhindern, ist vor diese Wicklungen eine entsprechend
ausgelegte, reichlich bemessene Drosseispule Dr und außerdem noch ein zusätzlicher
Widerstand R gelegt. Die Speisung dieses Kreises erfolgt über einen kleinen, möglichst
sechsphasig ausgebildeten Gleichrichter 1G (Dreiphasenbrückenschaltung), der vorzugsweise
als Trockengleichrichter ausgebildet ist und durch Umschaltungen an seinem Speisetransformator
und/oder mit Hilfe eines demselben vorgeschalteten dreiphasigen Reguliertransformators
Tr - in weiten Grenzen hinsichtlich der abgegebenen Gleichspannung einstellbar ist.
Der Ohmsche Widerstand R, der in den Gleichrichterkreis gelegt ist, wird dabei zweckmäßig
so groß gewählt, daß die bei Verwendung einer Trockengleichrichterplatte je Gleichrichterzweig
erzielbare Gleichspannung bei dem größten Kompensationsstrom des Wandlers gerade
voll im Kreise verbraucht wird. Außerdem kann der Widerstand R zur Einstellung des
Kompensationsstromes herangezogen werden.
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Durch diese Anordnung wird der erste Grundgedanke der vorliegenden
Erfindung, nämlich die Wechselkomponente des welligen Stromes über einen Wandler
zu messen, der durch eine Zusatzwicklung von der Gleichstromdurcbflutung des Laststromes
entlastet ist, verwirklicht. Die Abstimmung des Kompensationskreises kann nun gemäß
Weiterbildung des Erfindungsgedankens in sehr einfacher Art und Weise mit den unter
Ausnutzung der für die Gleichstrommessung ohnehin erforderlichen Elementen durchgeführt
werden.
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Gemäß der Darstellung in der Zeichnung wird hierzu hinter dem Wandler
in den Hauptstromkreis der übliche Nebenschluß N1 eingefügt, der zum Anschluß des
Drehspulstrommessers J dient und z. B. beim Nennstrom 60, I50 oder 300 mV hergibt.
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Entsprechend dem Übersetzungsverhältuis zwischen Primär- und Kompensationswicklung
wird von dem im Kompensationskreis liegenden Widerstand ein Anteil N2 so ausgebildet,
daß an ihm bei der gleichen Durchflutung wie im Hauptstromkreis auch die gleichen
Gleichspannungen entstehen. Der Nebenschluß N2 des Kompensationskreises muß also
einen im Windungsübersetzungsverhältnis von Hauptwicklung P zu Kompensationswicklung
K höheren Widerstand haben. Diese - beiden Nebenschlüsse im Kompensations- und Hauptstromkreis
werden
unter Berücksichtigung der Richtung der Gleichströme an einem Ende niiteinander
verbunden, während am anderen Ende zwischen sie ein hochwertiges Millivoltmeter
G als Nullinstrument gelegt wird. Dieses Instrument wird bei der .Messung durch
Abgleich des Kompensationsstromes gerade in seine Mittelstellung gebracht.
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Dann ist Gewähr gegeben, daß sich die Gleichstromdurchflutungen am
Wandler W gerade voll herausheben, so daß er wie ein normaler Wechselstromwandler
mit dessen tlbersetzungs- und Phasengenauigkeit arbeitet und seinem Sekundärkreis
mit den Stromspulen von JN und Ns allein die Wechselkomponente des Wellenstromes
unter Einrechnung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Primärwicklung P und Sekundärwicklung
s zuführt.
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Für die Leistungsmessung sei darauf hingewiesen, daß es häufig durchaus
zweckdienlich ist, den Spannungspfad des Wattmeters N durch einen vorgeschalteten,
reichlich bemessenen Rondensator C von den Gleichkomponenten zu entlasten.
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Dieses ist jedoch für das vorliegende Verfahren keine grundsätzliche
Forderung, da ein Gleichstrom in der Spannungsspule des Wattmeters mit dem Wechselstrom
in der Stromspule zu keiner Anzeige führt. Bei den in den Erregerwicklungen von
Generatoren meist sehr großen Wechselkomponenten der Spannungen bedeutet häufig
die Abriegelung des Spannungspfades durch einen Kondensator für die thermische Belastung
dieses Zweiges nur eine geringfügige Verkleinerung der Eífelitivwerte.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird man zur geeigneteren
Anpassung den in der Zeichnung dargestellten Wandler einmal auf der Primärseite
P umschaltbar machen. Diese Umschaltung muß dann, insbesondere wenn der Nebenschluß
für den Wellenstrom mit dem Wandler fest zusammengebaut werden soll, mit einer entsprechenden
Wicklungsumschaltung auch auf der Kompensationswicklung K gekuppelt sein. Darüber
hinaus ist eine weitgehende zusätzliche Anpassung durch Wicklungsumscbaltungen oder
einen Zusatzwandler an der Sekundärwicklung des Hauptwandlers möglich, wie das oben
bereits dargestellt wurde.
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Wenn auch der Erfindungsgedanke gerade an einem mit Dampf- oder Gasentladungsgefäßen
arbeitenden Stromrichter beschrieben ist, so ist es dennoch klar, daß er auch bei
anderen Stromrichtern. z. 13. Ixontaktumformern, und bei mit magnetischen Verstärkern
(gleichstromvormagnetisierten Drosseln) versehenen Stromrichtern Bedeutung hat.
Es sei hierzu auf die Scllaltbilder Fig. Ioa und Iob auf Seite 17 und Fig. I3b auf
Seite 20 der Dissertation U. Lamm, The Transductor, Stockholm 1943, verwiesen.
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PATENTANSPRtVCHE r. Anordnung zur Leistungsmessung bei stromrichtergespeisten
Verbrauchern mit großen Induktivitäten zur Erfassung der in derWelligkeitskomponente
von Strom und Spannung enthaltenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom
einen mit einer gleichstromdurchflossenen Kompensationswicklung versehenen Wandler
durchfließt, dessen Sekundärwicklung die Stromspule eines Wattmeters speist, dessen
Spannungsspule an der Verbraucherspannung liegt und gegebenenfalls durch einen Kondensator
gegen die Gleichspannung abgeriegelt ist.