Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Fehlern bei Messwandlern
Die Mehrzahl der bekannten Messmethoden und Vorrichtungen zur Bestimmung von Fehlern bei Strom- und Spannungsmesswandlern bedient sich der sogenannten Differenzschaltung der Sekundärwindungen des normalen und des gemessenen Wandlers.
Der Differenzstrom bzw. die Differenzspannung werden demnach in zwei aufeinander senkrechten Komponenten vermessen, von denen die Komponente, welche mit dem Sekundärstrom oder der Sekundärspannung des vergleichenden Normalwandlers in Phase steht, dem Fehler des tJbersetzungsverhältnis- ses, während die zu ihr senkrechte Komponente dem Phasenfehler des gemessenen Transformators proportional ist, unter der Voraussetzung, dass die Fehler des Normalwandlers vernachlässigt werden können.
Die einzelnen Vorrichtungen unterscheiden sich vor allem durch die verschiedenen Arten, wie die Zerlegung der Differentialgrösse in die oben angeführten Komponenten durchgeführt wird und dadurch, ob die Fehler direkt durch den Zeigeranschlag des Messgerätes angegeben werden oder auf den zugehörigen Skalen des Kompensators nach erfolgter Kompensation mit Hilfe der Kompensationsspannung und des Nullindikators abgelesen werden. Im ersteren Falle bedient man sich zum Beispiel Gleichstrom-Galvanometer in Verbindung mit mechanischen Gleichrichtern. Eine derartige Vorrichtung ist bloss auf jene Komponente des gemessenen Stromes empfindlich, welche mit der Erregung des Gleichrichters in Phase steht. Im letzteren Falle wird der Spannungsabfall auf dem vom Differenzstrom durchflossenen Ohmschen Widerstand mit Hilfe zweier aufeinander senkrechten Kompensationsspannungen kompensiert.
Als Nullindikator wird gewöhnlich ein Vibrations-Galvanometer verwendet.
Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile.
Die vollkommene Nullkompensation mit Hilfe des Vibrations-Galvanometers ergibt sehr genaue, von den Spannungsschwankungen des Netzes unabhängige Resultate, welche unmittelbar von den Skalen des Kompensators im ganzen Bereich des gemessenen Wandlers abgelesen werden können. Der Verlauf der Messung ist jedoch zeitraubend und erfordert abwechselnde, wiederholte Bedienung zweier Regelknöpfe, bevor eine vollkommene Kompensation erzielt wird, was den schnellen Verlauf der Messung bedeutend behindert, besonders wenn grössere Serien von Wandlern gemessen werden. Demgegenüber arbeiten die Ausschlagmethoden rascher, jedoch weniger genau, infolge des eigenen Fehlers des Messapparates und weil sich die Schwankungen des Netzes in vollem Ausmasse in dem Zeigeranschlag bemerkbar machen.
Weiter kann die Vorrichtung nicht derart ausgeführt werden, dass bei beliebigem Strom oder beliebiger Spannung des zu messenden Wandlers die Angaben direkt ohne Umrechnung gelten; dies ist in beschränktem Umfange e nur mit Hilfe eines Empfind- lichkeitsumschalters für eine im voraus bestimmte Anzahl von Werten möglich. Beide Verfahren haben endlich den gemeinsamen Nachteil, dass sie spezielle Vorrichtungen und Apparate, einerseits selbst, anderseits zu ihrer Herstellung erforderlich machen.
Das vorliegende Patent bezweckt die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, welche frei von den oben angeführten Nachteilen, für ein schnelles serienweises Messen mit grosser Genauigkeit geeignet und dabei in der Bedienung sehr einfach sind und keinerlei kostspielige, empfindliche und schwer herzustellende Apparaturen erforderlich machen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Bestimmung von Fehlern bei Strom- oder Spannungswandlern mittels der Differenzmethode unter Verwendung eines Vergleichs-Messwandlers ist dadurch gekennzeichnet, dass man durch Schaltung von zwei Schal tungselementen in den Differenzzweig der Schaltung zwei zueinander senkrechte, der gemessenen Differenzgrösse proportionale Spannungen bildet, von welchen jede separat durch zwei zueinander senkrechte Spannungen kompensiert wird, wobei man die eine dieser beiden Kompensationsspannungen mit der Hand regelt und die andere durch ein selbsttätiges Kompensationsorgan geregelt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stromkreis eines Messdrahtes eine veränderliche Induktivität angeordnet ist, die als Variometer ausgestaltet und mit einem Steuersystem mechanisch verbunden ist, welches lediglich auf diejenigen Spannungskomponenten empfindlich ist, die zu den Komponenten, auf welche ein Nullindikator empfindlich ist, senkrecht sind.
In den beigeschlossenen Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt, anhand deren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert werden.
Fig. 1 veranschaulicht die Schaltung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Prüfen von Stromwandlern.
Fig. 2 stellt eine Vorrichtung zum Prüfen von Spannungswandlern dar, und
Fig. 3 veranschaulicht ein kombiniertes Schaltungsschema.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemässen Schaltung zum Prüfen von Strom-Messwandlern, und der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung wird nun an Hand dieser Abbildung erläutert werden.
In dem Schema bedeutet 1 einen Normalstromwandler, 2 den zu messenden Wandler, 3 einen Ohmschen Widerstand, 4 eine Gegeninduktivität, 5 einen Umschalter, 6 einen Messwidersiandsdraht mit einem Schleifkontakt, 7 einen Hilfsstromwandler, 8 ein als Variometer geschaltetes ferrodynamisches Messsystem, 9 ein gleichartiges Steuersystem, 10 einen ferrodynamischen Nullindikator. 11 und 12 Vorschaltwiderstände, 13 einen Phasen-Regeltransformator, 14 einen Verstärker.
Der Differenzstrom der beiden Messwandler 1 und 2 ruft am Ohmschen Widerstand 3 einen Spannungsabfall hervor, der mit diesem Strom phasengleich ist, während in der Sekundärwicklung der Gegeninduktivität 4 eine um 900 nacheilende Spannung induziert wird. Beide Spannungen sind dem Differenzstrom proportional. Zerlegt man jede dieser beiden Spannungen in zwei Komponenten, von denen die erste in Richtung des Normalwandler-Sekundärstromes liegt, während die zweite dazu senkrecht steht, bestimmt am Widerstand 3 die erste Komponente den Stromfehler und die zweite den Winkelfehler des Prüflings, während an der Gegeninduktivität 4 infolge Drehung beider Komponenten um 900 nunmehr die erste Komponente den Winkelfeh ler und die zweite den Stromfehler bestimmt.
Es ist daher möglich, sowohl den Strom- als auch den Winkelfehler mittels Kompensationsspannungen auszumessen, welche phasengleich mit dem Sekundärstrom des Messwandlers sind, und zwar am Widerstand 3 den Stromfehler und an der Gegeninduktivität 4 den Winkelfehler.
Die Kompensationsspannungen, die für die Kompensierung der beiden den gemessenen Fehlern proportionalen Komponenten erforderlich sind, können aus dem Messdraht 6 entnommen werden, durch welchen wegen des Transformators 7 ein Strom, der zum Strom des Normalwandlers 1 in Phase und proportional ist, hindurchfliesst. Der Messdraht 6 ist mit Skalen für die Stromfehler in Prozenten und Phasenfehler in Minuten versehen. Die verbleibenden, zur Messung nicht verwendeten senkrechten Spannungskomponenten werden in beiden Fällen durch einen besonderen Kompensator automatisch kompensiert, welch letzterer aus einem Variometer 8 besteht, welches durch ein mechanisch gekuppeltes, ferrodynamisches System 9 gesteuert wird.
Dieser selbsttätige Kompensator, dessen Wirkungsweise später beschrie- ben werden wird, entspricht in seiner Ausführung einem normalen Doppelsystem-Wattmeter mit ferrodynamischen Messsystemen, die an Stelle der üblichen Spiralfedern dünne, richtungslose Zuführungsbänder zu den beiden drehbaren Spulen besitzen. Als Nullindikator dient ein Elektro-Dynamometer 10 mit fremder Erregung. Der Nullstrom wird durch den Verstärker 14 verstärkt.
Die beim Messen des Strom- oder Phasenfehlers erforderliche Schaltung erfolgt durch den Schalter 5, der in der Stellung a den Kompensationskreis auf den Widerstand 3 und in der Stellung b auf die Sekundärwicklung der Induktivität 4 schaltet. Die festen Stromspulen des Nullindikators 10 und des elektrodynamischen Systems 9 sind in Serie an die Ausgangsleitung des Verstärkers 14 angeschlossen.
Die Drehspule des Nullindikators 10 ist mit einem Vorschaltwiderstand 12, und die Drehspule des Systems 9 ist mit dem Widerstand 11 versehen; der Strom in der letztgenannten Spule ist um 900 gegen über dem Strom in der Drehspule des Nullindikators verdreht. Diese beiden Ströme liefert der Phasenregel-Transformator 13, der aus dem gemeinsamen Netz wie die beiden Messtransformatoren 1 und 2 gespeist wird. Der Phasenregeltransformator 13 ermöglicht die gemeinsame Drehung der Phasen der beiden Erregungsströme derart, dass der Nullindikator 10 hauptsächlich nur auf die mit dem Strom des Normaltransformators 1 in Phase stehenden Stromkomponenten, während das System 9 lediglich auf die zu diesem Strom senkrechten Komponenten reagiert. Diese Einstellung der Phase kann nur ganz annähernd durchgeführt werden und braucht gewöhnlich während der weiteren Messungen nicht mehr adjustiert zu werden.
Das eigentliche Messen der Fehler ist genau so einfach und schnell wie zum Beispiel das Messen des Widerstandes durch eine übliche Drahtbrücke und wird durch blosses Verschieben des Kontaktläufers auf dem Messdraht 6 so lange durch geführt, bis der Nullindikator keinen Ausschlag anzeigt. Dabei steuert das System 9 das Variometer 8 derart, dass für jede Stellung der beiden Rotoren die in der festen Induktionsspule des Variometers 8 induzierte Spannung gerade so gross ist, dass sie die erwähnte verbleibende Spannungskomponente im Kreis 34 selbsttätig kompensiert. Nach erfolgter Kompensierung können die gesuchten Fehler des geprüften Wandlers unmittelbar an der entsprechenden Skala des Messdrahtes 6 abgelesen werden, wobei die Skala der Stromfehler für die Stellung a des Schalters 5 und die Skala der Phasenfehler für die Stellung h gilt.
Die Messvorrichtung besitzt die geforderte Selektivität für die Grundwelle, solange die Erregungsströme in den Spannungsspulen der Systeme 9 und 10 einen Sinusverlauf aufweisen. Bei grossen Stromnetzen kann vorausgesetzt werden, dass der Spannungsverlauf praktisch sinusartig ist. Sonst kann eine vollkommene Selektivität entweder durch einen abgestimmten Verstärker 14 oder durch einen entsprechenden Filter im Eintrittsteil des Verstärkers erreicht werden. Dadurch wird einerseits der Eintritt von höheren Harmonischen in die Stromspulen der Systeme 9 und 10 verhindert, anderseits der Verstärker gegen eventuelle Ummodulierung durch höhere Harmonische, die auch nach der Kompensierung der Grundwelle weiter bestehen und in besonderen Fällen eine bedeutende Grösse erreichen können, geschützt.
Sonst haben die Eigenschaften des Verstärkers, wie zum Beispiel die Charakteristik, der Verstärkungsfaktor und die übliche Schwankung der Netzspannung, praktisch keinerlei Einfluss auf die Genauigkeit der Messung, da es sich um ein Nullkompensationsverfahren handelt und die angeführten Faktoren lediglich in begrenztem Masse die EmpEindlichkeit der ganzen Vorrichtung beeinflussen.
Zum Schlusse sei zusammenfassend noch eine Beschreibung des Messvorganges mit dieser Messeinrichtung gegeben.
Bei der ersten Inbetriebnahme der Einrichtung wird nach Anschluss an das Netz und EinstelIung des gewünschten Prüfstromes der beiden Messwandler 1 und 2 zuerst die richtige Phaseneinstellung der beiden aufeinander senkrecht stehenden Erregerströme für die Drehspulen der Systeme 9 und 10 vorgenommen. Dies kann zum Beispiel so geschehen; dass der Umschalter 5 mit einem dritten Kontakt versehen wird (in Fig. 1 nicht eingezeichnet), welcher an den Verbindungspunkt der beiden Messelemente 3 und 4 angeschlossen ist. Dadurch können diese Elemente aus dem Kompensationskreis ausgeschaltet werden.
Sodann wird der Schleifkontakt am Messdraht 6 in eine der beiden Grenzstellungen verschoben und damit eine Prüfspannung, die gleichphasig ist mit dem Strome des Normalwandlers, in den Kreis mit dem Messdraht eingeführt. Der Phasenregler 13 wird nun so reguliert, dass die Drehspule des Messsystems 8 eine Stellung senkrecht zu den festen Spulen einnimmt, was durch einen Zeiger kenntlich gemacht werden kann.
Da in diesem Falle in der Drehspule keine Spannung induziert wird, darf in 9 - bei richtiger Phasenlage des Erregerstromes - kein Drehmoment entstehen. Dieses System wird, mit andern Worten, unempfindlich für Ströme, welche gleicher Phase sind mit den Strömen des Normalwandlers 1.
Die eigentliche Fehlermessung geht dann folgendermassen vor sich: Der Umschalter 5 wird in die Stellung a gebracht, das heisst der Spannungsabfall am Widerstand 3 wird in den Kompensationskreis eingereiht. Durch Verschieben des Schleifkontaktes am Messdraht 6 wird die Nullstellung des Indikatorsystems 10 erreicht und der Stromfehler auf der Skala des Schleifdrahtes abgelesen. Hierauf wird der Umschalter 5 auf b umgelegt, damit die induzierte Spannung der Gegeninduktion 4 zur Messung herangezogen, in gleicher Weise gemessen und der Winkelfehler am Messdraht abgelesen werden kann.
Es werden also von Hand aus nur jene Messspannungen kompensiert, welche gleichphasig mit der Messdrahtspannung sind, wogegen die Kompensation der dazu senkrechten Spannungen automatisch erfolgt.
Fig. 2 veranschaulicht die Anwendung des Messverfahrens zum Prüfen von Spannungs-Messwandlern.
In dem Schaltungsschema bedeutet 15 einen Normal Spannungswandler, 16 den zu prüfenden Wandler, 17 und 18 die Ohmschen Messwiderstände, 19 den Messkondensator, 20 den Umschalter, 21 den Hilfstransformator, 22 einen Vorschaltwiderstand mit dem Kondensator 23.
In diesem Falle sind die beiden Spannungswand ler mit ihren Sekundärseiten einpolig derart verbunden, dass an den beiden offenen Enden der Wicklungen die Differenz ihrer Spannungen entsteht.
Durch den Umschalter 20 kann über den gemeinsamen Messwiderstand 18 entweder der Ohmsche Widerstand 17 oder die Kapazität 19 geschaltet werden. Der Messdraht 6 und das Variometer 8 werden aus dem Hilfsstromwandler 21 mit Strom in gleicher Phase wie die Sekundärspannung im Normalwandler 15 gespeist, was durch die geeignete Wahl des Widerstandes 22 und des Kondensators 23 ermöglicht wird. Die übrige Schaltung ist die gleiche wie in Fig. 1.
Über dem Widerstand 18 entstehen durch SchaItung entweder des Widerstandes 17 oder der Kapazität 19 zwei zueinander praktisch senkrechte Spannungen, die der Differenzspannung zwischen dem normalen und dem zu messenden Transformator proportional sind und deren Komponenten, die den gemessenen Fehlern des Übersetzungsverhältnisses und der Phase proportional sind, können auf dem mit entsprechenden Fehlerskalen versehenen Messdraht 6 nacheinander kompensiert werden. Die verbleibenden senkrechten Komponenten werden hier wiederum selbsttätig kompensiert, wie dies in Verbindung mit der Vor richtung zum Prüfen von Strom-Messtransformatoren gemäss Fig. 1 beschrieben wurde.
Im Hinblick darauf, dass bei den beschriebenen Vorrichtungen eine Reihe von Elementen gemeinsam sein kann, können die beiden vorteilhaft in eine kombinierte Vorrichtung zum Prüfen von Strom- und Spannungswandlern kombiniert werden.
Fig. 3 zeigt ein Schaltungsschema einer derartigen Vorrichtung, in welcher alle bereits beschriebenen Elemente vorkommen. Dabei sind die beiden Transformatoren 7 und 21 aus Fig. 1 und 2 zu einem einzigen Transformator 24 vereinigt, der zwei Primärwicklungen besitzt. 25 ist ein Zweipolumschalter, und anstatt eines einzigen Umschaltwiderstandes 18 besitzt der Kondensator 19 einen selbständigen Messwiderstand 18'.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist aus dem vorher Gesagten klar und muss nicht nochmals beschrieben werden. Es genügt, lediglich darauf hinzuweisen, dass der Transformator 24 die Trennung der beiden Teile der Vorrichtung derart ermöglicht, dass ausser dem Einschalten des entsprechenden Normalwandlers und des zu prüfenden Messwandlers auf die dazu bestimmten Klemmen keine weitere Umschaltung mehr erforderlich ist.
Bei allen beschriebenen Ausführungsarten der Vorrichtung kann man mit einem einzigen Messdraht 6 auskommen. Falls es jedoch aus bestimmten Gründen vorteilhafter erscheint, eine getrennte Ablesung der Fehler des Übersetzungsverhältnisses und der Phase anzuordnen, können zwei hintereinander oder nebeneinander geschaltete Messdrähte verwendet und abwechselnd in den Kompensationskreis eingeschaltet werden.
Anstatt des Steuer-Phasentransformators mit einem Drehfeld kann auch eine der bekannten Kunstschaltungen mit Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren verwendet werden. Anstatt der Drehung der Phase der Erregungsspannung der Systeme 9 und 10 kann in ähnlicher Weise die Phase der Eintrittsspannung des Verstärkers 14 gedreht werden.