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Verfahren und Schaltung zum Ermitteln des Betrages sowie des Winkels
der Impedanz eines elektrischen Wechselstromnetzes Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Schaltung zum Ermitteln des Betrages und des Winkels der Impedanz eines
elektrischen Wechselstromnetzes, beruhend auf der Messung der Differenz der Scheitelwerte
der positiven und der negativen Halbwellen, die dadurch entsteht, daß eine bekannte,
im Verhältnis zu der zu erwartenden Netzimpedanz große Lastimpedanz durch einen
steuerbaren Gleichrichter während der einen Halbwellen an das Netz angeschaltet
ist und während der anderen nicht.
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Für die richtige Bemessung der elektrischen Betriebsmittel eines
Netzes hinsichtlich thermischer und dynamischer Beanspruchung sowie zur zweckmäßigen
Auswahl der Schutzeinrichtungen müssen die größten und kleinsten Kurzschlußströme
bzw. die Netzimpedanz bekannt sein. Die Netzimpedanzen bestimmen außerdem den Spannungsverlust
bei Belastung.
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Es ist bekannt, daß je nach Lastimpedanzwinkel die Netzimpedanz oder
die Netzwirk-und Netzblindwiderstände aus der Spannungsänderung beim Zu-oder Abschalten
einer Meßbelastung bestimmt werden können. Um Fehler durch Netzspannungsschwankungen
infolge von Belastungsänderungen parallelliegender Verbraucher weitgehend zu vermeiden,
kann die Meßbelastung durch einen Synchronschalter oder mittels eines Gleichrichters
periodisch geschaltet werden. Bei einem bekannten Verfahren werden z. B. durch einen
zweiten Synchronschalter zwei Kondensatoren auf den Scheitelwert der Leerlauf-bzw.
Belastungsspannung aufgeladen und die beiden Spannungen miteinander verglichen.
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Durch die britische Patentschrift 888 327 ist eine Schaltung zur
Bestimmung des Innenwiderstandes eines Wechselstromnetzes bekanntgeworden, bei der
ein steuerbarer Gleichrichter Verwendung findet. Es werden hierbei sehr kurze Stromimpulse
hoher Stärke periodisch über den Gleichrichter und einen Wider stand dem Netz entnommen,
wobei der Spannungs abfall am Widerstand als Maß für den Netzinnenwiderstand dient.
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An anderer Stelle ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, den
Innenwiderstand eines elektrischen Wechselstromnetzes dadurch zu messen, daß mit
Hilfe einer durch eine zusätzliche Netzbelastung bewirkten Spannungssenkung sowie
mit Hilfe eines steuerbaren Einweggleichrichters nur bei Spannungshalbwellen eines
Vorzeichens, und zwar unter Zugrundelegung der Scheitelwerte, sowohl bei den unbelasteten
als auch bei den belasteten Halbwellen belastet und gemessen wird. Hierbei sollen
der Belastungswiderstand und der Zuschaltzeitpunkt desselben, also der Zündwinkel
des Gleichrichters, so
zwischen zwei Nulldurchgängen der Netzspannung gewählt werden,
daß der induktive Anteil des Netzinnenwiderstandes berücksichtigt und der meßverfälschende
Einfluß einer induktiven Netzlast weitgehend ausgeschaltet werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird erstmals eine einwandfreie Messung der Netzinnenimpedanz nach Betrag
und Winkel ermöglicht, wozu eine eindeutige, konkrete Regel der zuzuschaltenden
Lastimpedanz und ihres Zuschaltzeitpunktes gegeben wird. Die an anderer Stelle vorgeschlagene
Innenwiderstandsmessung gestattet nicht die Messung der Innenimpedanz nach Betrag
und Winkel und verwendet auch nicht sowohl positive wie negative Halbwellen.
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In der polnischen Patentschrift 46 235 ist ein Meßkreis beschrieben,
der es ermöglicht, die Summe der halben Scheitelwerte der verschiedenen Halbwellen
., positiven und negativen) zu messen. Hierbei kann ein relativ niederohmiges Meßinstrument
verwendet werden.
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Andere Meßverfahren benötigen im allgemeinen hochohmige Anzeigeinstrumente.
Vor der Messung müssen die Geräte für die jeweils vorhandene Netzspannung geeicht
werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Schaltung
anzugeben, die es ermöglichen, die Impedanz eines elektrischen Wechselstromnetzes
sowohl nach dem Betrag als auch nach dem Winkel zu messen.
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Das Verfahren zum Ermitteln des Impedanzbetrages besteht gemäß der
Erfindung darin, daß als Lastimpedanzgebilde ein solches verwendet wird, dessen
Impedanzbetrag trotz veränderlich einstellbarem Impedanzwinkel konstant bleibt,
daß bei unter sich
gleichgehaltenen Gleichrichterzünd-und Lastimpedanzwinkeln
hierfür derjenige Winkel eingestellt wird, bei dem die Differenz der Scheitelwerte
einen Maximalwert hat, und daß dieser als Maß für den gesuchten Impedanzbetrag dient.
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Gemäß der weiteren Erfindung besteht das Verfahren zur zusätzlichen
Ermittlung des Netzimpedanzwinkels darin, daß als Maß für diesen der den Maximalwert
der Scheitelwertdifferenz bedingende Gleichrichterzünd- bzw. der diesem gleiche
Lastimpedanzwinkel dient.
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Als Weiterbildung der Erfindung wird (vgl. B i I d 1) eine Schaltung
zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 angegeben, die aus einer am
Wechselstromnetz G. Zi liegenden Serienschaltung einer nach dem Winkel veränderbaren,
nach dem Betrag konstanten Lastimpedanz RB XB mit einem steuerbaren GleichrichterGII
besteht, einem Zündgerät mit veränderbarer Zündwinkeleinstellung für den Gleichrichter
Gl1 und einem am Netz liegenden Meßkreis zum Messen der maximalen Differenz der
Scheitelwerte der Netzspannungshalbwellen.
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Der an sich zur Netzimpedanzmessung bekannte Meßkreis besteht aus
einei am Netz liegenden Serienschaltung aus einem Gleichrichter Gl3, einem Kondensator
C1, einem dem Kondensator Ci gleich großen Kondensator C, und einem gegenüber dem
Gleichrichter Gl3 umgekehrt gepolten Gleichrichter Gl4 ferner aus je einem zu den
Kondensatoren Ci und C2 parallelgeschalteten, gieich en Hochohmwiderstand RE1, RE2.
aus einem zwischen den dem Netz abgewandten Anschlüssen der Gleichrichter Gl3. G/4
angeschlossenen Nullindikator Vund ferner aus einem ebenfalls am Netz liegenden
Potcntiometer R,,, dessen Abgriff mit dem Zusammenschattungspunkt der Hochohmwiderstände
RE1, RE2 und der Kondensatoren Ci.
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C2 verbunden ist, wobei der Potentiometerabgriff zugleich mit einem
der übrigen Poientiometeranschlußklemmen verbunden ist und diesen jeweils ein gegen
die Hochohmwiderstände relativ kleiner Widerstand Ri, R2 vorgeschaltet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung liegt parallel zur Lastimpedanz RB,
XB, die Serienschaltung eines gegenüber dem steuerbaren Gleichrichter Gl1 umgekehrt
gepolten Gleichrichters G/2 mit einem Dämpfungswiderstand R, derartiger Bemessung,
daß periodische Uberspannungen an dem steuerbaren Gleichrichter G11 vermieden sind.
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Die Zündung des Gleichrichters Gll ist gegenüber dem Nulldurchgang
der Netzspannung um den Phasenwinkel @ der Lastimpedanz ZB. verzögert.
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Wegen ZB # Z, wird der Gleichrichter praktisch im »Stromnulldurchgang«
gezündet, wodurch Einschwingvorgänge vermieden werden.
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Parallel zu der Reihenschaltung aus Lastimpedanz und d steuerbarem
Gleichrichter liegt ein Meßkreis. Der eine Zweig dieses Meßkreises besteht aus den
in Reihe geschalteten, im allgemeinen gleich großen Widerständen R1 und R, sowie
dem Abgleichwiderstand Ra Der zweite Zweig ist eine Reihenschaltung aus den entgegengesetzt
gepolten Gleichrichtern G13 und G14 und den gleich großen Kondensatoren Ci und C2
mit ihren ebenfalls gleich großen Entladewiderständen REZ und RE2 Die Verbindung
der Kondensatoren C1 und C, ist an den Abgriff des Widerstandes Ra des anderen Zweiges
geführt.
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Da die Widerstände R, = R2 # REZ = RE2 sind, werden die Kondensatoren
C1 und C2 bei Ra = 0 auf
den halben Scheitelwert der Belastungs-bzw. Leerlaufhalbwelle
aufgeladen. Mit einem hochohmigen Instrument, z. B. einem Röhrenvoltmeter, läßt
sich die halbe Spannungsdifferenz zwischen den Scheitelwerten der Leerlauf-und Belastungshalbwelle
messen Der Meßkreis ist so aufgebaut, daß die Differenz der Spannungen an den Kondensatoren
Cl und C2 durch Verändern des Widerstandes Ra auf Null gebracht werden kann. Hierdurch
wird die Verwendung eines empfindlichen Schalttafelinstrumentes an Stelle eines
sehr hochohmigen Instrumentes möglich.
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Für die Spannungsgleichheit an Rl + Ra und an R2 gilt mit guter Näherung
die Beziehung Ra+R1 UB+U1 R1 UB Mit R1=R2=R. UB=ZBI and U1 = @ U cos (#-q) = ZiI
cos (#-q) (vgl. B I l d 2) erhält man R Ra = Zi cos(#-q).
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ZB Hieirlei ist L'B die Netzspannung bei Bclastung, I der Belastungsstrom,
U1 der Längsspannungsabfall, @ C der Spannungsabfall an der NetzimpedanzZj, # der
Netzimpedanzwinkel und Lastimpedanzz-inkel.
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Läí3t man den Betrag der Lastimpedanz konstant und ändert den Lastimpedanzwinkel
gemeinsam mit dem Zündwinkel, so wird Ra bei Nullabgleich dann am größten, wenn
Netzimpedanzwinkel # und Lastimpedanzwinkei'/übereinstimmen.
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Bei stufenweiser Verstellung des Zünd-und Lastimpedanzwinkels, z.
B. in Stufen von 15@, wird Ra dann am grot3ten, wenn der Lastimpedanzwinkel dem
Netzimpedanzwinkel am nächsten kommt. Hierbei beträgt der Differenzwinkel für das
angeführte Beispiel im ungünstigsten Fall 7, 5.
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Fiir ist die Beziehung Ra = Zi ZB genau erfiillt. Da R und ZB bekannt
sind. ist R. unmittelbar ein Maß für den Betrag der Netzimpedanz Z,. Die Messung
ist unabhängig von der jeweils vorhandenen Netzspannung. Der Widerstand Ra kann
z. B. in Kurzschlußstromwerten bei Netzspannung geeicht werden.
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Um etwa vorhandene Unsymmetrien des Meßkreises oder durch Verbraucher
erzeugte Gleichspannungen im Netz bei abgeschalteter Lastimpedanz kompensieren zu
können, ist es zweckmäßig, Rl oder R2 in kleinen Grenzen variabel zu machen.
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Ein Kondensator Cs in Reihe mit einem Widerstand RS2 schützt den
Gleichrichter Gl1 gegen Uberspannungen durch den Trägerstaueffekt. Ein Widerstand
Rs, dient zur Entladung dieses Kondensators.
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Unmittelbar nach Unterbrechung des Belastungsstromes i hat die Netzspannung
den Wert û0 sin #, wenn man den kleinen Winkel 8 zwischen Leerlauf-und Belastungsspannung
vernachlässigt und der Dämpfungswiderstand RD = X ist. Der Kondensator CS lädt sich
über die Netz-und die Lastimpedanz sowie den Widerstand RS2 auf die Netzspannung
auf.
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Da eine ausreichende Dämpfung dieses Vorganges
zur
Vermeidung von Uberspannungen an dem Gleichrichter GI1 durch einen großen Widerstand
Rs2 nicht zweckmäßig ist, wurde der Widerstand RD in Reihe mit dem Gleichrichter
Gl2 vorgesehen.
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Der Stromfluß durch diese Reihenschaltung beginnt, wenn die Netzspannung
negativ wird. Bei il = i2 wird i = 0, und der Gleichrichter GI sperrt.
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Die nachfolgende Aufladung des Kondensators CS läßt sich durch geeignete
Wahl von RD derart dämpfen, daß am Gleichrichter GIl keine Überspannungen auftreten.
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Durch Rß und C/2 werden außerdem auf bekannte Weise Überschläge zu
den Netzklemmen vermieden. wenn die Verbindune des Meßgerätes mit den Netzklemmen
während des Betriebes unterbrochen wird.