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Anordnung zur Messung des Leistungsfaktors Um in elektrischen Anlagen
ohne Auftrennen der Leitungen den Leistungsfaktor messen zu können, werden Meßanordnungen
verwendet, bei denen ein Stromwandler mit offenem Eisenkern als sogenannter Anleger
über oder an den zu messenden Leiter geschoben oder gelegt wird. Diese bekannten
Meßanordnungen können nur bei verhältnismäßig hohen Stromstärken des zu messenden
Leiters brauchbare Meßwerte ergeben. Außerdem mußte man die Relativlage des Eisenkerns
und der Leitung so lange ändern, bis der Zeiger des Meßinstruments der bekannten
Meßanordnung einen bestimmten Wert anzeigte. Störfelder von Nachbarleitungen des
zu messenden Leiters konnten überdies relativ hohe Störspannungen induzieren, die
das Meßergebnis fälschten. Außerdem sind diese bekannten Meßanordnungen nicht für
Registriermessungen über längere Zeitabschnitte verwendbar, weil die verwendeten
Stromwandler das Meßergebnis in zu starke Abhängigkeit von Strom- und Spannungsgrößen
brachten.
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Die Erfindung vermeidet diese Mängel - durch Verwendung einer Meßanordnung
mit einer Phasendetektorröhre und eines Stromwandlers zum Anlegen an oder über die
zu messende Leitung, der für die jeweilige Nennfrequenz kompensiert und gegen Fremdfelder
abgeschirmt ist.
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Es sind zwar schon Schaltungen zur Messung der Phasendifferenz zweier
Spannungen bekanntgeworden, bei denen Mehrgitterröhren mit z. B. zwei Steuergittern
verwendet werden, aber hier wurden die den Steuergittern zugeführten Phasenverschiebürigen
nicht
kprnpensiert. Infolgedessen müssen die Größen der Wechselspannungen an den Gittern
vor der Messung auf passende Werte eingestellt werden. .Schwanken die Spannungsgrößen
während des Meßvorganges, so ergeben sich Meßfehler. Schon in geringen Grenzen kann
hier die Größe der Betriebsspannung das Meßergebnis beeinflussen. -Auch diese Nachteile
werden durch die Erfindung vermieden. Dies gelingt durch die Verwendung einer in
dreifacher Hinsicht stabilisierten Phasendetektorröhre; vorzugsweise einer Neunpolröhre,
und durch die Anwendung weiterer Verstärkereinrichtungen mit entsprechenden Schaltungen
und solchen Schalteinrichtungen, die die Verwendung der neuen Einrichtung bei beliebigen
Stromstärken und Spannungen ermöglichen. Durch die erfindungsgemäße Verbindung dieser
Merkmale ist ein Gerät entstanden, das die bisherigen Nachteile vermeidet und zuverlässige
Meßwcrte gibt, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Abbildung.
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Die Anordnung besteht aus folgenden Haupt= teilen: a) dem .Stromwandler
mit Kompensationseinrichtung und Einstellvorrichtung der induzierten Spannung, b)
der Einstellvorrichtung für die .jeweilige -Netzspannung durch Sehalter- S2 und
die Einsdiältung der Netzspannung, c) der Eichein, richtung, d) der Verstärkereinrichtung;
Vorverstärkung VJ, Leistungsverstärkung T12, e) der Vergleichseinrichtung mit Anzeige,
f) der Stabilisierungseinrichtung der Betriebskonstanz durch T14, .rgy.dem Röhrenvoltmeter
T15.. in Verbindung mit dem Instrument A, h) dem Netzgerät.
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Der .Stromwandler: Der Stromwandler besteht in an sich bekannter Weise
aus einem U-förmigen, lamellierten Eisenkern mit konstantem Luftspalt und einer
Spannungswicklung.
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Der isolierte Eisenkern, der gegen Einflüsse durch Streufelder abgeschirmt
werden kann, wird einfach über oder an den zu messenden Leiter geschoben, an- oder
aufgelegt. In der Spannungsspule wird durch den im umfaßten Leiter fließenden Strom
eine Spannung induziert. Die ,Spuleninduktivität des Wandlers wird durch den Kondensator
G1 und den Abgleichwiderstand R1 so kompensiert; daß die induzierte Spannung in
Phase mit dem Netzstrom ist. Das Potentiometer R2 greift einen pässenden-Teil dieser
Spannung ab. Dieser Anteil wird über den Schälten S1 (in Stellung b) dem Vorverstärker
zugeführt.
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Die Netzspannung des, in dem Leiter q. fließenden Netzstromes wird
durch den Schalter S3 eingeschaltet. Uni das Gerät, insbesondere den Netzansehlußteil,
an die jeweils vorhandene Netzspannung. anzupassen, wird die Netzspannung über den
Spannungswähler S2 an eine entsprechende Anzäpfung des Netztransformators gelegt.
Auf diese Weise ist das Gerät -für .jede normaler Weise vorkommende Spannurig im
Bereich von z. B. 12,7 bis 5 od Volt- verwendbar: -Natürlich kann
die Spannung von dem= eingestellten Sollwert noch geringe Ab-
weichungen zeigen.
Diese werden mit dem Potentiometer. Ris = ausgeglichen. R3 ist eire hochohmiger
Widerstand; der mit dem Ankopplungskondensator C2 zusammen den Arbeitspunkt der
Röhre V1 nach dem Prinzip der Gittcrgleichrichtung automatisch richtig einstellt.
Der Kondensator C3 legt das Schirmgitter für Wechselstrom auf Nullpotential. Über
R4 und R6 erhält das Schirmgitter die notwendige positive Gleichspannung gegenüber
der Kathode aus dem -Netzteil. RE bildet mit C4 eine eingliedrige Siebkette für
schädliche Wechselstromreste im Netzteil. Am Außenwiderstand R5 erzeugt der Anodenwechselstrom
der Röhre eine entsprechende Anodenwechselspannung, die über den Kopplungskondensator
C5, der die Gleichspannung zurückhält, und über den UKW-Sperrwiderstand R9 an das
Gitter der zweiten Verstärkerröhre I12 weitergegeben wird. R7 ist deren Gitterableitwiderstand,
der den Gitterkreis galvanisch schließt. Der Anodengleichstrom der Röhre T12 erzeugt
an Rio einen Spannungsabfall, der dem Steuergitter gegenüber der Kathode die notwendige
automatische Vorspannung erteilt. über R11 als Schutzwiderstand .wird dem Schirmgitter
positive Gleichspannung gegenüber der Kathode aus dem Netzteil zugeführt. Die Röhre
T12 ist gleichzeitig Leistungsverstärker und besitzt daher wegen des hohen Anodengleichstromes
eine Drossel D1 als (imaginären) Außenwiderstand. Über den Spannungsteiler R., R5
wird ein Teil der Anodenwechselspannung von T12 an deren Steuergitter (über C6,
R9) zurückgeführt. Diese Spannungskopplung hat die Aufgabe, den Innenwiderstand
von T12 so weit herabzusetzen, daß ein stabiles Arbeiten auf T13 gewährleistet ist.
Die Anodenwechselspannung von T12 wird nämlich über den Kopplungskondensator C6,
der die Gleichspannung zurückhält, an das Gitter 5 von T13 geführt, wobei mit einem
relativ hohen Gitterstrom zu rechnen ist. Das heißt, die Röhre Il 3 entzieht
der Röhre T12 Energie, und ein hoher Innenwiderstand von T12 würde ein Zusammenbrechen
der abgegebenen Anodenwechselspannung zur Folge haben. R12 ist der Gitterableitwiderstand
des Gitters 5, der den Gitterkreis galvanisch schließt. Außerdem wird die am Gitter
5 liegende Wechselspannung über den Kopplungskondensator Cs, der wieder als Gleichstromsperre
dient, dem Röhrenvoltmeter T15 (in Verbindung mit dein Instrument A) zugeführt.
Der Spannungsteiler R21, R19 stellt eine so hohe negative Grundgitterspannung für
T15 ein, daß im Ruhezustand kein wesentlicher Anodenstrom in T15 fließen kann: R.2
schließt den Gitterkreis; die Stromgegenkopplang R29 bestimmt die Steilheit von
T15 und damit den Vollausschlag des Röhrenvoltmeters. In der gezeichneten Schalterstellung
a von S1 (Schalterstellung Verstärkung) liegt das Instrument A im Anodenkreis von
V5 und zeigt damit die Größe der Wechselspannung an, die am Gitter 5 der Röhre T13
liegt. Da die Röhre T12 am stabilsten arbeitet; wenn diese* Spannung etwa 5o Volt
beträgt, ist R29 des Röhrenvoltmeters auf einen Vollausschlag von 6o Volt eingestellt.
In der Schalterstellung a (S1) wird R2 so eingestellt, daß das Instrument A die
passende
Spannung von 50 Volt anzeigt. Die Zeigerstellung für 5o Volt ist auf der
Skala der Wert von cos cp = i.
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S1 schaltet in Stellung c an Stelle des Anlegers den Spannungsteiler
R23 . . . R28 und R31 an den Eingang des Verstärkers hl, T12. Während der Abgriffzweig
R31 einen festen Widerstandswert besitzt, wird der Vorschaltzweig R23. . . R20 entsprechend
der Netzspannung mit S2 umgeschaltet. Die Eichwiderstände R23 ... R20 sind-
so gewählt, daß im Spannungsteiler jeweils der gleiche Querstrom fließt und an R3,
eine gleichbleibende Spannung abfällt. R31 ist so abgeglichen, daß diese Spannung
nach ihrer Verstärkung gerade die erforderlichen 50 Volt am Gitter 5 der
Röhre I13 hervorruft. Da dem Gitter 3 der Röhre T13 ebenfalls die Netzspannung übertragen
wird, realisiert die Schalterstellung c von S1 den Wert cos 9p = i (Stellung »Eichen«).
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Der Anodenstrom I" der Röhre T13 hängt, wie bereits beschrieben, von
der Phasenverschiebung zwischen den Wechselspannungen ab, die an den Gittern 3 und
5 gelegt werden. Ist die Phasenverschiebung cp = o°, so erreicht der Anodenstrom
IQ ein Maximum, für 9p = ± i80° wird er Null. Geht man von (P = ± go° aus, so steigt
I", wenn (p abnimmt und umgekehrt. Da es zweckmäßig ist, für kleine Phasenverschiebungen
(p und damit kleinen cos 99 einen geringeren und für wachsenden cos T einen größeren
Ausschlag am Instrument A ablesen zu können, ist in den Spannungspfad eine Phasenbrücke
C9, R27 und R29 eingeschaltet. Durch diese wird mit R29 eine Anfangsphasenverschiebung
im Spannungspfad von g7 = + go° eingestellt. Der sich hierfür ergebende Ausschlag
von A wurde auf vier Fünftel des Vollausschlages verlegt. Weist jetzt der Netzstrom
eine negative Verschiebung (-(p) gegenüber der Netzspannung auf (induktive Belastung
des Netzes), so beträgt die gesamte Phasenverschiebung zwischen den Spannungen am
Gitter 3 und 5 der Röhre T13 jetzt cpl = 99 - 990 = (9p -I- 9o°). Der Absolutbetrag
von 991 wird also größer und der Ausschlag kleiner. Für cp = -go° wird cpi =-i80°
und IA = Null. Damit ist eine rechtspositive Einteilung der Skala von A erreicht.
Um positive Phasenverschiebung (kapazitive Netzbelastung) zu messen, wird der Anleger
einfach um 1800 gedreht.
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Wird der Netzanschluß des Gerätes nicht, wie bisher angenommen, an
den Nulleiter und an eine Phase geklemmt (Vierleitermessung), sondern an zwei Phasen
angeschlossen, so weist der in einer der Phasen fließende Strom im Fall cos 9a =
i bereits eine Phasenverschiebung von cp = 9o° gegenüber der verketteten Netzspannung
auf. Um diese Anfangsverschiebung wieder wettzumachen und damit die gleiche Skala
von A verwenden zu können, ist eine zweite Phasenbrücke, C1., R2$ und Rio, vorgesehen,
die mit Rio auf cpo = -I- 18o eingestellt wird. Die Umschaltung der Brücken
übernimmt der Netzschalter S2, der beispielsweise folgende Schalterstellungen besitzt:
500, 380, 2a0 und 127 Dreieck, 22o und 127 aus der Sternschaltung. Mit dem
Schalter S1 wird bei Stellung a (Eichen) in jedem Fall die 9J-Brücke, C9, R30 und
R28, eingeschaltet. Die Spannung, die der Phasenbrücke und über diese dem Gitter
3 der Röhre Z'3 zugeführt wird, beträgt wieder 5o Volt und wird einer passenden
Wicklung des Netztransformators entnommen. Der Netztransformator weist infolge seiner
Streuinduktivität eine Phasenverschiebung von etwa -f- 2o0 auf. Der Verstärker V1,
T12 besitzt wegen der großen Kopplungskondensatoren C2, C5 und C8 nur eine geringe
Verschiebung von etwa -h 2°. Es ergibt sich also eine resultierende Verschiebung
von 2o-2 = i80, die von den beiden Phasenbrücken berücksichtigt wird. Die Brücke
C9, R27 und R29 schiebt selbst nur um 90-18=721, die Brücke Clo, R28 und Rio um
i8o-i8=i62°. Die Regelwiderstände R29 und Rio werden einmal abgeglichen und bleiben
dann fest.
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Der Anodengleichstrom der Röhre T13 erzeugt an R13 die erforderliche
automatische Gittervorspannung. Der Gitterkreis von Gitter 3 ist über die Widerstände
bzw. Transformatorenwicklung der Phasenbrücke geschlossen. Der Gitterkreis von Gitter
5 wurde bereits beschrieben. Im Anodenstromkreis bei Schalterstellung b und c liegt
das Instrument A. Der Widerstand R1$ belastet das Röhrenvoltmeter T15, das ohne
Rl$ einen Gitterstrom aufweist, der die Spannung am Gitter 5 von der Röhre T13 durch
Dämpfung herabsetzen würde. Die Röhre T13 arbeitet gleichzeitig als Strombegrenzer,
d. h. ein Anwachsen der Steuergitterspannungen über einen Mindestwert läßt den Anodenstrom
nicht weiter steigen; die Anzeige von A bleibt konstant, wenn der Netzstrom um ±
50% schwankt. Eine Schwankung der Netzspannung wird ebenfalls ausgeglichen. Dazu
dient zunächst die Gitterkombination R14 und C7 in Gitter i der Röhre V3. Dieses
Glied stabilisiert nach dem Gittergleichrichtungsprinzip jede Schwankung des Anodenstroms,
die von Heizspannungsschwankurigen herrührt. Weiter dient der Betriebskonstanz die
Stabilisatorröhre T14, welche die Schirmgitterspannung der Gitter 2, q. und 6 von
T13 durch Querstromregelung in Verbindung mit R17 auf gleichem Wert hält. Mit Rio,
durch R15 und R17 begrenzt, wird die Schirmgitterspannung von T13 in Schalterstellung
a (Eichen) vorher auf den genauen Wert gebracht (Ausschlag von A auf die
Marke cos cp = i bringen).
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Der Aufbau des Netzteiles erfolgt in der üblichen und bekannten Form.
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Der Aufbau des Meßgerätes kann tragbar und stationär erfolgen. Durch
geeignete Maßnahmen in Verbindung mit einem Schreibgerät kann dieses Meßgerät nicht
nur als Revisionsgerät, sondern auch als Betriebsgerät Verwendung finden.