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Verfahren zur Ermittlung der Mittelwerte periodisch veränderlicher
elektrischer Größen mittels Meßkontakten und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die-
nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung
der Mittelwerte periodisch veränderlicher elektrischer Größen und die Anordnung
zu seiner Durchführung. Außer den Mittelwerten gestattet es auch, aus ihnen ableitbare
Werte zu bestimmen. Es findet An.wendung, wenn die elektrischen Größen der Grundwelle
aus einer mit Oberwellen behafteten Anordnung durch Kombination mehrerer Messungen
mit Gleichstrommeß instrumenten, denen Meßkontalfte vorgeschaltet sind, bei verschiedenen
Schaltphasen ermittelt werden müssen.
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Mißt man in bekannter Weise Wechselströme und -spannungen, über synchron
mit der Netzfrequenz ein- und ausschaltende Meßkontakte mit Gleichstrommeßinstrumenten,
so erhält man den Gleichstrommittelwert der jeweiligen in Winkelgraden gemessenen
Kontaktdauer und kann das Anzeigeinstrument in Efliektivwerten der Wechselstromgröße
eichen. Die Anzeige stimmt aber nur bei rein sinusförmigen, also oberwellenfreien
Meßgrößen mit dem tatsächlichen Effektivwert überein.
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Um auch bei Oberwellen enthaltenden Meßgrößen eine Anzeige zu erhalten,
die für die Aufstellung von Vektordiagrammen verwendbar ist, hat man Schaltungen
mit Meßkontakten ausgearbeitet, die die Grundwelle der Meßgröße zu messen gestatten.
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Dabei wird vorzugsweise der Meßwert über Resonanzkreise oder Tiefpässe
geleitet, so daß die Grundwelle allein zur Messung gelangt. Ein Nachteil derartiger
Schaltungen ist, daß der Meßwert insbesondere bezüglich seiner Phasenlage durch
den
Kettenleiter bzw. Tiefpaß bzw. Resonanzkreis frequenzabhängig gegenüber dem ursprünglichen
Meßwert verändert wird, so daß bei der phasenmäßigen Auswertung der Meßergebnisse
Fehler entstehen können, wenn Strom und Spannung z. B. über unterschiedliche Tiefpässe
gemessen werden oder wenn kleine Frequenzänderungen zwischen den Einzelmessungen
von Strom und Spannung oder anderer Meßwerte, deren Phasenunterschied bestimmt werden
soll, auftreten.
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Es ist auch bekantgeworden, einzelne Oberwellen dadurch von der Messung
auszuschließen, daß die Kontaktdauer als ein ganzes Vielfaches der Periodendauer
der betreffenden Oberwelle eingestellt wird. Das hat aber den Nachteil, daß die
anderen Oberwellen noch mitgemessen werden. Bei Oberwellen enthaltenden Meßgrößen
tritt im allgemeinen eine große Anzahl höherer Harmonischer gleichzeitig auf, deren
Amplitude jedoch mindestens umgekehrt proportional mit der Ordnungszahl abnimmt.
Wenn man also z. B. die Kontaktdauer auf I200 einstellt, so wird gegenüber der sonst
gern verwendeten Schaltung mit I800 Kontaktdauer zwar die 3., 6., 9., 12. usw. Oberwelle
ohne Einfluß sein. Dafür treten aber die geradzahligen Oberwellen, die bei I800
Kontaktdauer ohne Einfluß sind, also die 2., 4., 6. usw., auf. In den Fällen, in
denen geradzahlige Oberwellen nicht auftreten können, wie z. B. bei allen durch
ferromagnetische Sättigung entstehenden Verzerrungen, sofern keine Gleichstromvormagnetisierung
wirksam ist, kann dadurch das Meßergebnis zwar nicht verfälscht werden. Liegt diese
Voraussetzung vor, d. h., ist die Größe, deren Mittelwert zu ermitteln ist, symmetrisch
zur Nullinie, so ist es auch bekannt, die Messung in der Art durchzuführen, daß
zunächst die zu messende Größe einschließlich aller Oberwellen gemessen wird und
von diesem Meßergebnis die Oberwellenanteile abgezogen werden.
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Die einzelnen Oberwellenanteile werden dabei nach dem Verfahren der
harmonischen Analyse bestimmt. In sie geht immer die erstgenannte oberwellenbehaftete
Messung ein. Die Ungenauigkeit, mit der sie behaftet ist, tritt somit in allen Summanden
auf und vermag daher, das Meßergebnis wesentlich zu verfälschen. Außer diesem Nachteil
weist das bekannte Verfahren den auf, daß es versagt, wenn man bei Vorhandensein
ungeradzahliger Oberwellen beliebige ausschalten will.
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Dies ist bei einem Verfahren zur Ermittlung der Mittelwerte und aus
ihnen ableitbarer Werte zeitlich periodisch veränderlicher elektrischer Größen der
Grundfrequenz in einer mit Oberwellen behafteten Anordnung durch Kombination mehrerer
Messungen mit Gleichstrommeßinstrumenten, denen Meßkontakte vorgeschaltet sind,
bei verschiedenen Schaltphasen möglich,- dessen erfinderische Merkmale dadurch gekennzeichnet
sind, daß Messungen bei der Schaltphase, für die der Mittelwert zu bestimmen ist,
und bei umSa*= ß + ißi, mit fit = go°/i dagegen geänderten Schaltphasen durchgeführt
werden, wobei für i die Ordnungszahlen der Oberwellen, die in die Messung nicht
eingehen sollen, einzusetzen sind und aus den Ergebnissen der Einzelmessungen die
gesuchte Größe additiv bestimmt wird.
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Ein Beispiel möge das erläutern. Es sei die Messung der Grundwelle
einer Meßspannung gewünscht, die keine geradzahligen Oberwellen enthält. Die Kontaktdauer
sei auf I200 eingestellt, so daß die 3., 9., 15. usw. Oberwelle nicht in die Messung
eingeht. In der Meßspannung sind alle Oberwellen oberhalb der 9. Ordnung nur noch
mit so geringer Amplitude erhalten, daß ihr Einfluß vernachlässigt werden kann.
Es muß jedoch auf die 5. und 7. Oberwelle noch Rücksicht genommen werden. Für i
sind daher die Werte 5 und 7 einzusetzen. Die erforderlichen Schaltphasenänderungen
Zjak gegenüber der Kontaktdauer von I20° sind dann mit ei7 = go0/7 = I205I1 und
18,= wo0/5 =, I80 3 = - 18,- P5 = - 30°51' J a2 = + 7 = 5091 S a3 =ß7 + 45 = + 5091
pa4 = + ß7 + 45 = + 300511.
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Werden mit diesen Schaltphasenänderungen die Messungen a1, a2, as
und a4 erzielt, so ergibt sich der gesuchte Grundwellenmeßwert a zu «120 = («i +
«2 + a, + a3 + 4)/4 cos ß7 cos 45, bezogen auf die Anzeigeempfindlichkeit der Grundwelle
blei I200 Kontaktdauer. Ist der Meßgleichrichter bzw. Vektormesser für eine Kontaktdauer
von I800 geeicht, so tritt im Nenner noch zusätzlich der Faktor sin (a12) auf.
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Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann hierbei derart
getroffen werden, daß die Skalenteilung für die Einstellung der Schaltphasen des
Meßkontaktes mit zusätzlichen, vorzugsweise in an sich bekannter Weise farbig gekennzeichneten
Teilstrichen derart versehen ist, daß für die Schaltphase, für die der Mittelwert
bestimmt werden soll, eine einstellbare Nullmarke zur Deckung mit dem Nullpunkt
der Winkelteilung gebracht wird, und zusätzliche, den Winkelbeträgen + fi entsprechende
Teilstriche entweder auf dem Nullmarkenträger oder auf beiden verteilt angebracht
werden, an denen die Schaltphasenänderungen eingestellt werden. Es ist zwar bereits
bekannt, mechanische Meßkontakte mit besonderen Einstellmarken zu versehen. Während
diese jedoch bisher nur die Bedeutung von Erinnerungsmarken haben, die ohne weiteres
auch weggelassen werden können, ermöglichen sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
erst seine praktische Verwirklichung, da durch sie erst die schnelle Wiederholbarkeit
der Messungen möglich wird. Man kann auch gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens
eine paarweise Mehrzahl von maximal 2i Meßkontakten mit gemeinsamer Schaltphasenverstellbarkeit
vorsehen, deren Ein- und Ausschaltphasen je für sich um d ak von der Schaltphase,
für die der Mittelwert zu bestimmen ist, abweichen, von denen jeder einzelne additiv
unabhängig von den anderen Meßkontakten auf den Meßwert Einfluß nimmt, so daß die
zur
Anzeige kommenden Summen-, Mittel- oder Differenzwerte der Einzeleinwirkungen
abgelesen werden können. Es ist zwar bekannt, Doppelwegmeßgleichrichter mit zwei
Meßkontakten und gemeinsamer Schaltphasenänderung vorzusehen, jedoch nur in Schaltungen,
bei denen die Einschaltphasen untereinander und auch die Ausschaltphasen untereinander
sich um I800 unterscheiden. Diese SchaI-tungen dienen auch nicht der Unterdrückung
von Oberwellen, die vielmehr mit besonderen Tiefpässen vermieden werden, sondern
der Verdopplung der Meßempfindlichkeit, dem Schutze vor Fremdfeldeinstreuungen sowie
der Schaffung eines zu keinem Zeitpunkt unterbrochenen konstanten Meßkreiswiderstandes.
Aus diesem Grunde werden solche Doppelwegmeßgleichrichter auch mit 1 8o0 Kontaktdauer
ausgerüstet. Bei der erfindungsgemäßen mit 2i Meßkontakten ausgerüsteten Anordnung
dagegen weichen bei I800 Kontaktdauer die Phasendifferenzen zwischen den einzelnen
Meßgleichrichtern untereinander und von- dem Nullpunkt der Skala von I800 ab.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Fig. I zeigt einen Teilkreis, mit dem die Schaltphasen winkelgetreu
verstellt werden können. Der Nullmarkenträger 2 läßt sich willkürlich einstellen
und arretieren. Links und rechts vom Nullpunkt o werden auf dem Teilkreis 1 zwei
Teilstriche im Abstand + ß2 markiert, und zwar bei 3 und 4.
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Ebenso sind links und rechts von der Nullmarke 5 auf dem Nullmarkenträger
2 im Abstand + S ebenfalls zwei Teilstriche 6 und 7 markiert. Soll die Grundwelle
für die dargestellte Lage der Winkelskala I bestimmt werden, so verdreht man zunächst
den Nullmarkenträger 2 bis zur Koinzidenz der Marken o und 5. Dann arretiert man
den Nullmarkenträger und führt nun die vier Einzelmessungen durch, bei denen durch
Verstellen der Schaltphase nacheinander Teilstrich 4 mit 7, 3 mit 7, 4 mit 6 und
3 mit 6 zur Deckung gebracht werden, und liest jedesmal den Meßwert ab. Die Einstellung
kann weiterhin durch Rasterungen erleichtert werden, die den zusätzlichen Teilstrichen
zugeordnet werden.
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Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Anordnung derartiger zusätzlicher
Teilstriche. Darin sind auf der Skala S viermal zwei Teilstriche 11 und I2 und auf
dem Nullmarkenträger N sechs zusätzliche Teilstriche 13, I4, 15, I6, I7 und I8 angebracht.
Ihre Winkelabstände von der jeweiligen Nullmarke o l;zw. den Teilstrichen für go,
I80 und 2700 betragen + 6,920 = + 90°/I3 für die Marken II und I2 auf der Skala;
für die Marken I3 und I8 betragen die Winkelabstände + 30,8° = + 900/5 + 900/7.
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Für die mit doppelten Kreisen gekennzeichneten Marken 15 und I6 betragen
die Winkelabstände 1 5,I40 = + 9o0/59o0/7. Schließlich betragen die Winkelabstände
für die mit einfachen Kreisen gekennzeichneten Marken 14 und 17 1 10+ = 1900/5.
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Der Meßkontakt möge auf I20 oder 2400 Kontaktdauer eingestellt sein,
so daß die 3., 9., und 15. Oberwelle ausgeschaltet ist. Will man auch noch die 5.
Oberwelle ausschalten, so führt man zwei Messungen mit dem Skalennullpunkt vor den
einfach gekennzeichneten Teilstrichen 14 und 17 durch. Soll auch die 7. Oberwelle
ausgeschaltet werden, so werden vier Messungen mit dem Skalennullpunkt vor den doppelt
gekennzeichneten Teilstrichen I3, I5, 16 und 18 durchgeführt und addiert.
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Soll auch noch die II. Oberwelle beseitigt werden, so hat man acht
Messungen zu machen mit Marke II vor I3, 15, I6 und I8und Marke 12 ebenfalls vor
I3, 15, I6 und I8.
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Fig. 3 und 4 zeigen einen Doppelweg-Meßgleichrichter bekannter Art
in Form eines Kollektorgleichrichters dargestellt, um die Lage der Schaltphasen
und der Kontaktdauer sinnfällig zu kennzeichnen. Es kann sich natürlich hierbei
ebenso wie bei den folgenden Darstellungen auch um Gleichrichtersynchronrelais oder
Druckkontakte mit synchronem Kurbelwellenantrieb bekannter Bauweise handeln.
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Die Kollektorlamellen.k, k1, k2 umfassen hier etwa I800; sie sind
über Schleifringe mit den Zuführungen s, sl, s2 der Meßspannungen verbunden.
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Die Bürsten b1 und b2 sind mit dem Gleichstrommeßinstrument g verbunden.
Die Widerstände r in Fig. 3 ersetzen die eine Kollektorlamelle, wodurch der mechanische
Aufbau einfacher wird, aber die Empfindlichkeit zurückgeht.
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In Fig. 5 ist zunächst die für Meßgleichrichter meist benutzte Einphasengleichrichtung
dargestellt mit I80° Kontaktdauer. Fig. 6 zeigt die entsprechende Anordnung mit
ak = 120° Kontaktdauer, in der die 3., 6., 9. usw. Oberwelle unterdrückt wird. Nach
Fig. 7 werden zwei Bürsten b1 und b2 mit symmetrischen Winkeldifferenzen #α1
und da, gegenüber der gestrichelt eingetragenen Schaltphasenlage einer Bürste nach
Fig. 6 vorgesehen, für die die Grundwelle bestimmt werden soll. Die Bürsten b1 und
b2 erzeugen über getrennte Widerstände r zwei voneinander unabhängige Meßstromanteile.
Mit ak= I200 und d Jal = - I80 so wie Ja2 = + I80 wird die 3., 5., 6., 9., 10. usw.
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Oberwelle unterdrückt.
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Man kann die Anordnung auch nach Fig. 8 mit #α1 = -18° und
#α2 = 180° + 18° ausführen.
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Die von den Bürsten b1 und b2 abgenommenen Ströme müssen dann in einer
Brücken- oder Differenzschaltung mit verschiedenem Vorzeichen auf das Meßinstrument
einwirken. Der unsymmetrische Aufbau läßt deutlich den Unterschied gegenüber der
bekannten Schaltung nach Fig. 3 erkennen.
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Folgende Tabelle zeigt verschiedene. zweckmäßige Kombinationen der
Schaltwinkel und der Kontaktdauer.
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Tabelle I
| crk A A« Ausgeschaltete Obergehen |
| I202 180 +180 3- 3., 5., 6., 9., IO., 12.... |
| I44° -300 +300 3., 5., 6., 9., IO., 12.... |
| I80" 300 +30" 2., 3., 4., 6., 8., 9., IO., 12.... |
| I20 o" O 2., 3., 4., 6., 8., 9., IO., 12.... |
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Man kann die Bürstenzahl auch verdoppeln nach Fig. g und- 10. Die
Winkel Ja sind in beiden Bildern so eingetragen, daß die nachfolgende Tabelle für
sinnvolle Kombinationen für beide Bilder Gül tigkeit hat. Es können in einer solchen
Anordnung zwei Oberwellen entsprechend ßl = go°/i und ß2 =go °/i zusätzlich zu der
durch ak beseitigten Oberwelit von ihrem Einfluß auf das Meßergebnis ausgeschlossen
werden.
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Tabelle 2
| ak i PS dar, «2 #α3 #α4 Ausgeschaltete Oberwellen |
| 180,00 302 18,0° -40,00 -I2,& +I2,00 +48,00 2., 3., 4.,
5., 6., 8., 9., IO., I2. |
| I20,00 180 I2,90 30,90 - 5,10 + 5,1° +30,90 3., 5., 6., 7.,
9., IO., 12., 14., 15. |
| I44,00 300 I2,90 42,90 17,10 +I7,I +42,90 desgl. |
| I54,3 30° 18,00 -48,0" 12,00 +12,00 +48,0" desgl. |
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Die drei letztgenannten Kombinationen sind also bezüglich ihrer schaltungsmäßigen
Wirkung einander völlig gleichwertig. Für die geradzahligen Oberwellen bestehen
jedoch Unterschiede. Auch in konstruktiver Hinsicht unterscheiden sich die Ausführungen
insbesondere dadurch, daß mehr oder weniger Überschneidungen der einzelnen Kontaktzeiten
konstruktiv berücksichtigt werden müssen.
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Bei allen Schaltungen nach Fig. 7 bis 10 werden sämtliche Bürsten
auf einer gegenüber dem Motorgehäuse gemeinsamen Bürstenbrücke angeordnet.
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Die einzelnen Werte von da können ebenso wie in an sich bekannter
Weise die Kontaktdauerak einstellbar gemacht werden.
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Das zuerst beschriebene Verfahren der Doppelmessung läßt sich auch
auf derartige Meßeinrichtungen mit Mehrfachkontakten anwenden, z. B. in der Form,
daß durch die Mehrfachkontakte die niedrigen Oberwellen soweit wie möglich und soweit
erforderlich ausgeschaltet werden und bei der Eichung des Meßinstrumentes so berücksichtigt
werden, daß die Grundwelle direkt abgelesen werden kann, beispielsweise nach Tabelle
2 in einer der drei letzten Zeilen, und daß die zusätzlichen Teilstriche vorgesehen
sind für paarweise Messungen zur Ausschaltung der II. und der 13. Oberwelle.
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Entsprechend kann man bei I800 Kontaktdauer durch die Doppelmessungen
auch noch die 7. Oberwelle ausschließen.
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Fig. II zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel mit Druckkontakten
für eine Schaltung nach Art von Fig. 8. Von einem nicht gezeichneten Synchronmotor
wird die Kurbel 51 um die zur Zeichenebene senkrechte Achse 52 in synchronen Umlauf
versetzt. Bei jedem Umlauf hebt sie die Blattfedern b1 und b2 je einmal von dem
festen Gegenkontakt b ab. Die Bürsten b1 und b2 sind als U-förmige Blattfedern ausgebildet
und werden mit den vier Justierschrauben 53, 54, 55 und 56 so justiert, daß die
Schaltphasen z. B. denen der ersten Tabelle in der ersten Zeile entsprechen.