-
Meßwertumwandler für Meß-, Regel- und Steuer-, insbesondere Fernwirkzwecke
Meßwertumwandler für Meß-, Regel- und Steuer-, insbesondere Fernwirkzwecke mit Induktivitäten
zur gleichzeitigen entgegengesetzten Regelung von zwei Strömen für einen räumlich
mehr als go' zulassenden Verstellbereich, wie sie beispielsweise als Geber für Quotientenfernmeßinstrumente
Verwendung finden und bei denen bekanntlich zwei Größen, z.B. zwei Spannungen, Ströme,
Frequenzen, übertragen werden, haben den Vorteil, daß der Einfluß der Übertragungsleitung,
der Hilfsspannungsquelle und der Temperatur weitgehend eliminiert werden kann. Als
Sender können auch Impedanzen, d. h. auch ein ohmscher Widerstand in Potentiometerschaltung
vorgesehen werden, während als Empfangsinstrument zweckmäßigerweise ein Ferrarismeßwerk
mit zwei Triebsystemen verwendet wird. Die Triebscheiben müssen, von der Achse aus
gesehen, unrund sein. Für die Triebsysteme werden vorzugsweise Spaltpolsysteme verwendet.
Es sind aber auch normale Bipol- (Zähler-) Systeme brauchbar. Soll das Quotientenmeßinstrument
unabhängig von der Hilfsspannung sein, so muß es richtkraftlos ausgeführt werden.
Es sind Vorschläge gemacht worden, welche diese Aufgabe, einQuotientenmeßinstrument
durch veränderbare Impedanzen zu steuern, zu lösen versuchen. So wurde z. B. als
Geber ein Widerstandspotentiometer vorgeschlagen, welches entsprechend dem zu übertragenden
Geberwinkel a eingestellt wird und den Quotienten zweier Ströme
in zwei Stromkreisen dem Empfangsinstrument zuführt. Bewegt sich der Potentiometermittelabgriff
von einer Extremstellung in die andere, so ändert sich der dem Empfangsinstrument
zugeführte Stromquotient Q von einem sehr kleinen bis zu einem sehr großen
Wärt. Aus Gründen,
die hier nicht angeführt zu werden brauchen,
muß der Stromquotient für das Quotientenmeßinstrument in seinem Bereich eingeschränkt
werden. Dies geschieht entweder dadurch, daß der Potentiometermittelabgriff nicht
von o bis i8o', sondern z, B. nur von 3o bis 150' laufen kann, oder es können auch
bei voller Ausschlagmöglichkeit des Potentiometers feste Vorschaltwiderstände vorgesehen
sein.
-
Andere bekannte Einrichtungen benutzen gleichartig gebaute Gebet und
Empfänger nach Art von Drebstrommaschinen, indem entweder der Rotor oder der Stator
oder auch beide DrehstromwickluDgen tragen und beim Verstellen des einen Rotors
der andere infolge der durch die Erregung der kleinen Maschinen von einem Wechselstromnetz
aus auftretenden Ausgleichsströme zum Nachfolgen gezwungen wird. Ähnlich arbeiten
auch Geber und Empfänger, bei denen der Anker zwei gekreuzte Spulen trägt, die von
einem magnetischen Wechselfeld induziert werden. Es sind auch verschiedene Lösungen
bekannt, bei denen die Geber nach Art der Induktionsdynamometer oder als Doppeltransformator
gebaut sind und als Empfänger bei Gleichrichtung der Meßströme Drehspulinstrumente
benutzt werden oder andere, bei denen ein Drehtransformator mit Doppeldrehspule
als Geber und ein Wechselstromquotientenmesser als Empfänger dient.
-
Bei allen bekannten Einrichtungen mit Wechselstromempfängern ergibt
sich nun aber der Nachteil, daß die praktisch überbrückbare Entfernung verhältnismäßig
klein ist. Beispielsweise sind im Leitungswiderstand gewisse Grenzen gezogen, wenn
der Wert des Potentiometerwiderstandes festgelegt ist. Letzterer ist praktisch
auf einen Wert von etwa 300 Ohm beschränkt, da anderenfalls der Drahtquerschnitt
zu klein wird, um den mechanischen Beanspruchungen besonders durch den Mittelabgriff
gewachsen zu sein-Durch Verwendung von Spezialpotentiometern mit einer Anzahl besonders
feiner Kontaktfinger kann zwar noch eine kleine Erhöhung des Potentiometerwiderstandswertes
erreicht werden. Die oben angegebene Grenze bleibt jedoch im großen und ganzen erhalten.
Um einerseits die Senderimpedanz zu erhöhen und andererseits die Kontaktschwierigkeiten
zu vermeiden, wurden auch schon induktive Geber vorgeschlagen, welche aus zwei koaxialen
Spulen bestehen, in denen ein Weicheisenkern hin und her bewegt wird, damit bald
die eine, bald die andere Spule die größere Impedanz aufweist. Dieser Vorschlag
konnte sich aber aus Dimensionierungs- und Genauigkeitsgründen nicht durchsetzen.
-
Die Erfindung betrifft nun einen Meßwertumwandler für Meß-, Regel-
und Steuer-, insbesondere Fernwirkzwecke, bei dein eine Winkelgröße in elektrische
Wechselstromwerte durch Verdrehen einer Spule mit mehr als go' Verstellbereich im
Felde zweier symmetrisch angeordneter feststehender Spulen umgewandelt wird und
bei dem die Anzeige mit Hilfe eines Quotientenineßinstrumentes geschieht.
-
Fig. i zeigt schaltungsmäßig ein Ausführungsbeispiel, Fig. 2 ist ein
Diagramm, Fig. 3 bis 5 stellen ein Ausführungsdetail im Querschnitt,
in Seitenansicht und in Draufsicht dar, und Fig. 6 veranschaulicht eine Variante
zum Ausführungsdetail nach den Fig. 3 bis 5.
-
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i ist i die Wicklung eines
zwischen den beiden mit den Wicklungen 2'und 3 versehenen Polen des Stators
eines Gebers drehbar gelagerten Rotors. Die magnetischen Achsen der Statorwicklungen
sind in der äußersten Stellung des Rotors bei a = 0 parallel zur magnetischen
Achse des Rotors. Das eine Ende der Rotorwicklung ist an die Verbindungsstelle der
beiden Statorwicklungen, die ihrerseits gleichen Wicklungssinn haben, das andere
an eine Wechselstromquelle geschaltet. Die beiden freien Enden der Statorwicklungen
2 und 3
führen über Fernleitungen zu den freien Enden der beiden Stromsp:ulen
S eines Quotientenmeßinstrumentes nach Ferrarischem Prinzip. Die beiden anderen
Enden derSpulenS sindmiteinander verbunden, und an die Verbindungsstelle ist über
eine dritte Fernleitung der zweite Pol der Wechselstromquelle geschaltet.
-
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die folgende: Steht die magnetische
Achse der Rotorwicklung senkrecht zu den magnetischen Achsen der Statorwicklungen,
d. h. befindet sich die Rotorwicklung in der Mittellage bzw. ist der Verstellwinkel
a = go', so wird von der Rotorwicklung keine Spannung auf die Statorwicklungen
induziert, und die Ströme durch die Statorwicklung 2 und die eine Spule
S des Quotientenmeßgerätes bzw. durch die Statorspule 3 und die andere
Spule S sind einander gleich. Das Quotientenmeßgerät zeigt go#. Bei aus der
Mittellage gedrehtem Rotor wird hingegen von der Rotorwicklung auf die beiden Statorwicklungen#
eine Spannung induziert, die sich zu der Spannung an der einen Statorwicklung addiert,
von der anderen subtrahiert. Die Ströme in den Spulen S werden entsprechend
verstärkt bzw. geschwächt, und der Quotientenmesser stellt sich nach diesem Stromverhältnis
ein. Der Zusammenhang zwischen dem Einstellwinkel a am induktiven Geber und dem
dabei entstehenden Stromquotienten Q ist in der Fig. 2 durch die Kurve
b dargestellt. Im gleichen Diagranun ist durch Kurve a die gleiche Abhängigkeit
bei einem Potentiometer als Geber dargestellt. Daraus geht hervor, daß beim induktiven
Geber bei kleinen Werten von a, etwa von a = 0 bis a = 30', der Stromquotient
Q verhältnismäßig weniger zunimmt und bei großen Werten von a, etwa von a
= 13o0 bis 18o', verhältnismäßig stärker zunimmt als bei einem Potentiometer
als Geber.
-
Um nun am Quotienteninstrument einerseits Triebscheiben mit linearen
arithmetischen Spiralen anwenden zu können und bei annähernd linearer Instrumentenskala
auch in den Endstellungen noch genügend Drehmoment bei Ablenkung aus der Gleichgewiclitslage,
d.h. eine gute Einstellsicherheit zu bekommen, muß der Regelbereich reduziert werden.
Es stehen dann nicht mehr 18o', sondern nur noch etwa no' Regelbereich am Geber
zur Verfügung. Die Vorteile dieser Schaltung sind nun mehrfach: i. Der Regelbereich
ist größer als go', dies bedeutet höhere zulässige Ungenauigkeit im mechanischen
Ankoppelungsgetriebe; 2. es ergibt eine sehr weitgehende Unabhängigkeit von Schwankungen
der Hilfssparmungsquelle;
3. es wird sehr weitgehende Unabhängigkeit
vom Widerstand der Übertragungsleitung und dessen Änderungen mit der Temperatur
erzielt; 4. es kann die Femmeßanlage leicht an verschiedene Hilfsspannungen angepaßt
werden, d.h., es ist kein spezieller Anpaßtransformator nötig, und 5. es
ist kein Schiebekontakt am Geber vorhanden, so daß kein Fehler durch Verschmutzen
oder Funken im Stromkreis entstehen kann.
-
Berücksichtigt man einerseits, daß bei einem linear gewickelten Potentiometer
mit Verdrehung des Abgriffes sich der Widerstand ebenfalls linear verändert, daß
aber andererseits sich die Impedanz eines Meßwertumwandlers nach Schaltung Fig.
i nicht mehr linear, sondern sinusförmig mit zunehmendem Verstellwinkel an der Welle
ändert, so erkennt man, daß insbesondere bei den Verstellwinkeln von o bis
30'
und 15o bis 18o' die Änderung der Impedanz pro Verstellwinkel außerordentlich
klein ist und deshalb das Gebiet der Extremwerte nicht verwendet werden soll; denn
in diesem Gebiete wird am Ouotientenmeßinstrument nur eine außerordentlich kleine
Einstellsicherheit erzielt. Weil die Reibung nun über dem gesamten Instrumentenskalenbereich
ungefähr gleich groß ist, würde also der Reibungsfehler des Instrumentes im Extrembereich
wesentlich größer werden als im Mittelbereich des Quotientenmeßinstrumentes.
-
An und für sich ist die Anzeige des Quotientenmeßverfahrens nach Fig.
i aus Symmetriegründen unabhängig von den Schwankungen der Hilfsspannung, dies aber
nur so lange, als die einzelnen Impedanzen stromunabhängig sind, was praktisch zutrifft,
da sowohl der Meßwertumwandler als auch das Quotientenmeßinstrument relativ sehr
große Luftspalte und daher praktisch lineare Magnetisierungskurven besitzen.
-
Aus Isolationsgründen macht die Unterbringung von genügend Kupfer
auf den Rotor immer Schwierigkeiten. Bei gleicher Windungszahl der Spulen i und
?, bzw. 3 würden sich die Durchflutungen der Wicklungen i und 2 in eine Extremlage
gerade aufheben, während sich die Durchflutungen der Wicklungen i und
3 in der anderen Extremlage des Rotors aufheben, d.h. Q geht von praktisch
0 in cc, über. Da nun aber wegen der Eigenschaften des Empfangsinstrumentes
an diesem QE = 0,3 gewählt werden muß, erhält die Rotorwicklung weniger
Windungen als die Statorwicklung, was aus Isolierungsgründen sehr erwünscht ist.
-
Es werden also zwei Wicklungen 2, 3 auf dem leicht zu isolierenden
Stator und eine Wicklung i auf dem Rotor aufgebracht. Die zwei Wicklungen auf dem
Stator haben den gleichen Wicklungssinn und können ebenfalls als eine Wicklung mit
Mittelanzapfung ausgeführt werden. Das Rückdrehmoment des induktiven Gebers auf
den Meßwertfühler ist in der Mittelstellung (a = go') = 0, da die
Ströme beider Kreise im Rotor Drehmoment entwickeln, welche gegeneinander wirken.
Erfindungsgemäß wird auch QLT ungleich 0 bzw. ungleich oo gewählt, so daß
selbst in den Endstellungen noch eine Reduktion des resultierenden Drehmomentes
stattfindet. Es kann auch durch eine zur Rotorwicklung parallel geschaltete Kapazität
eine das Rückdrehmoment schwächende Wirkung erzielt werden.
-
Da auf den Stator relativ viel Kupfer aufzubringen ist, ist es notwendig,
die Statorspulenköpfe unter Isolierung und nachstellbar aus der Nähe des Rotors
wegzuhalten. Dies wird nach den Fig. 3 bis 5 durch eine Spannvorrichtung
erreicht, die eine Saite 6 aus nicht leitendem Stoff aufweist, die um ein
Spannschloß 7, 8
herumgelegt ist und deren Enden bei 9 miteinander
verknüpft sind. Wie die Variante nach Fig. 6 zeigt, können die Enden der
Saite 6 auch durch Löcher des einen platten- oder zylinderförmigen Teiles
7 des Spannschlosses in der einen und anderen Richtung durchgesteckt und
durch eine am äußeren Loch vorgesehene Schraube io fixiert sein.
-
Soll der induktive Spannungsabfall, welcher durch den magnetischen
Querfluß im Meßwertumwandler hervorgerufen wird, reduziert werden, so kann dies
durch eine Kurzschlußwicklung erfolgen, welche im Stator senkrecht zur Primärwicklung
angeordnet ist.
-
Sollen für den Fabrikationsprozeß die zulässigen Toleranzen möglichst
groß sein, damit der Meßwertumwandler billig wird, so wird der induktive Spannungsabfall
wegen der Toleranzen für den.Luftspalt von Stück zu Stück auch verschieden groß
werden. Um nun trotzdem eine bequeme Einstellung des Stromverhältnisses Q_r erzielen
zu können, wird ein variabler Widerstand im Rotorkreis des Meßwertumwandlers vorgeschlagen.
Dieser Widerstand wird zweckmäßigerweise in das Quotientenmeßinstrument eingebaut
und bei der Eichung fest eingestellt. Um aber diese Einstellung wirklich durchführen
zu können, ist es nötig, das Stromverhältnis Q_, für den Meßwertumwandler
kleiner zu dimensionieren, als für das Quotientenmeßinstrument nötig wäre; denn
mit wachsendem Vorwiderstand steigt ebenfalls das Stromverhältnis QE, am Quotientenmeßinstrument.
Bei Unterbrechung der Mittelleitung ist dieser natürlich i.