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Einrichtung zur Messung der Scheinlast und des Scheinverbrauches bei
Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom. Bei den Bestrebungen zur Verbesserung der Tarife
für die Abgabe elektrischer Arbeit in Wechsel- und Drehstromnetzen hat sich allgemein
die Auffassung durchgesetzt, daß neben dein Wirkverhrauch auch der Lei-:tungsfaktor
berücksichtigt werden inuß. L:5 ist bekannt,- daß zu diesem Zweck vielfach Blindvcrhrauchszähler
angewendet @;-crcic,i, deren Angaben in Verbindung mit denjenigen eines Wirkverbrauchsmessers
einen Rückschluß auf die mittlere Phasenverschiebung der betrettenden Anlage gestatten.
Einfacher und zweckmäßiger für die Ermittlung der notwendigen Berechnungsunterlagen
ist zweifellos die Verwendung von Meßgeräten, welche die Scheinlast bzw. den Scheinverbrauch
anzeigen,
da diese Größen in Verbilidung mit der Wirkleistung bzw.
dein Wirkverbrauch unmittelbar den Leistungsfaktor liefern und «"eil bei Wechselstrom
die maximale Scheinlast überhaupt den Maßstab für die Beines= sung der 'Maschinen-
und Leitungsanlage darstellt.
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Ein Teil der bisher bekannt gewordenen Konstruktionen von solchen
Meßgeräten löst die Aufgabe in der Weise, daß den messenden Svstemen eine besondere
innere Phasenverschiebung gegeben wird (Patentsclirift285308, 285309, 377I'-8)-
Diese Instrumente zeigen dann innerhalb gewisser Grenzen des Phasenverschiebungswinkels
die Scheinlast bzw. den Scheinverbrauch mehr oder weniger genau an. Bei einer anderen
Einrichtung wird die Phasenverschiebung im Meßstromkreis durch einen Phasenregler
beseitigt und so die Messung des Scheinverbrauches mit einem normalen Wattstundenzähler
ermöglicht (Patentschrift 3d.7702). Noch ein anderer Vorschlag (Patentschrift
352790) geht dahin, die Wirk-und die Blindleistung für sich zu messen und
diese Größen sodann vektoriell zu addieren, um die Scheinleistung zu erhalten.
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Von diesen Einrichtungen unterscheidet sich die Einrichtung, welche
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, dadurch, daß sie die meßtechnischen
Ungenauigkeiten und Fehlerquellen der vorstehend erwähnten Anordnungen sowie die
Umständlichkeit einer vektoriellen Addition vermeidet. Es wird dabei von einer Gleichung
für die Scheinlast ausgegangen, die für alle Phasenverschiebungswinkel streng richtig
ist. Die Ströme und Spannungen, welche den messenden Systemen zugeführt.werden,
haben gegeneinander die gleiche Phasenverschiebung wie in dem Stromkreise, dessen
Scheinlast oder Scheinverbrauch bestimmt werden soll, und die Drehmomente der verwendeten
Meßgeräte sind Teilbeträgen der Scheinlast von solcher Größe proportional, daß ihre
algebraische Summe dem Gesamtwert der, zu messenden Scheinlast bzw. dem Scheinverbrauch
entspricht.
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Die Einrichtung beruht auf der Erkenntnis, daß sich beispielsweise
die Scheinlast bei Wechselstrom: (I) NI -E-J finit Hinzunahme des jeweiligen Phasenverschiebungswinkels
cy auch in cler Forin schreiben läßt: (2) NS - E - J - (cos 2Q7 -r- siil
2 (p) oder ' (3) Ns-E-J-cos299+E-J-siti2cP.
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In dieser Gleichurig 3 ist die Scheinleistung il' zwei Sununandcn
zerlegt, von denen der erste durch einen Wirk-, der zweite durch einen Blindleistungsmesser
bestimmt werden kann, wenn diesen Instrumenten Ströme J, bzw. 1s oder Spannungen
E, bzw. Es von solcher Größe zugeführt werden, daß die Gleichungen: (d.) J, - J
- cos c9 bzw. J, - J # sin T oder .E, - E - cos T bzw. ES - E - sin 9p bestehen.
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Die in Gleichung .4 und 5 ausgesprochenen Bedingungen verlangen also
eine Zerlegung des Stromes J oder der Spannung E in zwei selbständige Teile, von
denen jeder mit der entsprechenden Größe des Meßstromkreises proportional und phasengleich
und außerdem der eine im Verhältnis des Cosinus, der andere im Verhältnis des Sinus
des jeweiligen Phasenverschiebungswinkels c) veränderlich ist. Eine derartige Zerlegung
des Stromes oder' der Spannung kann durch Transformierung in einem. 'Wandler erfolgen,
bei dein die Windungsebenen des Primär- und Sekundärstromkreises gegeneinander verdrehbar
sind und der letztere aus zwei. elektrisch voneinander getrennten Wicklungen gleicher
Windungszahl besteht, deren Ebenen sich rechtwinklig schneiden.
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Durchfließt z. B. der Strom J die Primärwicklung des Wandlers, so
entsteht ein pulsierendes Wechselfeld, das dem jeweiligen Betrage von J proportional
ist (Stromwandler). Die " elektromotorischen Kräfte c, und es, welche dieses Feld
in den beiden Sekundärwicklungen induziert sind ihrer Größe nach - abgesehen von
den sonstigen aus der allgemeinen Induktionsgleichung bekannten Verhältniswerten
- noch abhängig von den Winkeln, die die Ebenen der Sekundärwicklungen mit der Windungsebene
der Primärwicklung bilden. Wird einer dieser Winkel niit a bezeichnet, so gilt:
(Ga) e, - C, - J - cos a und für die zweite Wicklung: (6l>) es - Cl - J - cos (a
-(- 90) -+C,-J-silla. Bei entsprechendem Anschluß von zwei unter sich gleichen und
uüverznderlichen Widerständen an die Klemmen- der @el;ttndarwicl;lungen entstehen
somit zwei Striinie, die durch die Gleichungen: (7) J,= C -J -cos
a und J,'== C-J-sin « darstellbar sind.
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Solche Widerstände wie die eben erwähnten bilden auch die Stromspulen
eines Wirk-und eines Bliildleistungsniessers, die für gleiche \'ennstromst:irl;e
gebaut sind. Vereinigt
iuan also die Meßwerke dieser Instrumente
auf einer gemeinsamen Achse, so entsteht bei der Anwendung eines derartigen Doppelineßgerätes
in Verbindung mit (lein Wandler der Ausschlag: (8) :1-C#E#J# (cos cc cos
q) -f- sin a sin (p), der seinen Höchstwert erreicht, wenn der räumlicheWinkel u
gleich dein Pha,eiiwinlcelcp im Meßstromkreis ist. In. diesem Falle geht dann die
rechte Seite voii Gleichung 8 bis auf den Festwert C in den Ausdruck über, welcher
nach Gleichung z der zu messenden Scheinlast ATS entspricht. Um daher diese lIessung
nach dem vorstehenden Verfahren auszuführen, muß die bewegliche Wicklung des Stromwandlers
so weit gedreht «-erden, bis der Ausschlag des Meßgerätes seinen größten Betrag
erreicht hat.
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Die im vorstehenden beschriebene Zerlegung des Stromes ist in derselben
Weise auch für die Spannung ausführbar, wenn die Wicklungen des Wandlers dementsprechend
bemessen werden. Es ergibt sich ferner, daß dieser Apparat bei gleichen Bürden in
den beiden Sekundärwicklungen sich genau so verhält wie ein Strom- bzw. Spannungswandler
der bekannten normalen Bauart, weshalb er in der Folge kurz als Drehwandler bezeichnet
wird.
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Die bisherigen Ausführungen über die lIesung der Scheinlast gelten
sinngemäß auch für die Bestimmung des Scheinverbrauches, wobei an die Stelle der
Wirk- und ßlindleistungsinesser Zähler treten. Für Mehrphasenstrom kommt unter Uniständen
die wiederholte Anwendung der Apparatur in Frage, je nach der Zahl der Meßstromkreise,
welche bei diesen StroniaTten zur- genauen Scheinlast- (Verbrauchs-) Messung erforderlich
sind, sofern nicht die Symmetrie der Belastung eine Vereinfachung gestattet.
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Während die zeitweise Feststellung der Scheinlast mit Zeigermeßgeräten
durch Betätib fing des Drehwandlers von Hand ausgeführt werden kann, erfordert ihre
Messung finit schreibenden Instrumenten sowie die Bestimmung des Scheinverbrauches
noch eine Vorrichtung, welche die Einstellung des Wandlers selbsttätig bewirkt-,
so daß der räumliche Winkel n. zwischen den primären und sekundären Windungsebenen
dauernd dem jeweiligen I'Aasenverschiebungswinkel im 'L\feßstromkreise entspricht.
Für diese Fälle kommt als Steuerinstrument beispielsweise ein -Leistungsfaktor-
oder Phasenwinl:elnie,.er in Frage, der koachsial mit dem be--tveglichcn Teil des
Drehwandlers angeordnet wird. Ist die Dichtkraft des Steuergerätes nicht ausreichend,
uni die Drehung der Wandlerspulen unmittelbar vorzunehmen, so wird diese Drehbewegung
einem Hilfsmotor übertragen, dessen Lauf der Phaseninesscr steuert.
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Zu diesem Zweck ist an (lern Wandler ein Träger mit zwei Kontakten
so angeordnet, daß er die Drehung der beweglichen Wicklung mitmacht. Bei Übereinstimmung
des räunnlichen Winkels«. und des Phasenwinkels (p steht der Zeiger des Steuerinstrumentes
zwischen diesen beiden Kontakten, die daher offen sind. Ändert sich der Leistungsfaktor
des Netzes, so drückt der Zeiger des Phaseninessers, der den neuen Verschiebungswinkel
T' richtig angeben will, auf einen dieser Kontakte und schließt dadurch den Stromkreis
des Hilfsmotors, der nun die bewegliche Wandlerwicklung so lange dreht, bis dieÜbereinstimmung
der beiden Winkel ä und g' wieder herbeigeführt ist. In diesem Augenblick wird der
vorher vom Zeiger des Phasenmessers betätigte Kontakt wieder freigegeben, der Stromkreis
des Motors unterbrochen und dieser selbst stillgesetzt. Die Leitung des Motorstromkreises
ist so anzuordnen, daß der lUotor verschiedene Drehrichtung annimiTit, je nachdem
der Zeiger des Phasenmessers an den einen . oder anderen Kontakt anlegt.
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In Abb. i der beiliegenden Zeichnung ist die Schaltung für eine Scheinverbrauchsmessung
schematisch dargestellt. Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform für einen Strorndrehwandler
im Grundriß und Abb. 3 im Schnitt nach der Mittellinie A-B.
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Für das Schaltungsschema Abb. i ist als Ausführungsbeispiel die Messung
des Scheinverbrauches bei Einphasen-Wechselstrom gewählt. Ein Wirkverbrauchszähler
i und ein Blindverbrauchszähler 2 sind dadurch zu einem Doppelmeßgerät vereinigt,
daß ihre Ankerscheiben 3 auf der gemeinsamen Achse 4 sitzen, welche das Zählwerk
antreibt. Die Stromspule 5 des Wirkverbrauchszählers ist mit der Sekundärwicklung
6 und die Stromspule 7 des Blindverbrauchszählers mit der Sekundärwicklung 8 des
Drehwandlers verbunden. Die Windungsebenen der Wicklungen 6 und 8 stehen aufeinander
senkrecht. Bildet also die Windungsebene der Wicklung 6 mit derjenigen der Primärwicklung
g des Drehwandlers den Winkel p, so ist die EMK dieser Sekundärwicklung 6 und damit
auch der Strom in der Stromspule 6 des Wirkverbrauchszählers proportional cos q:.
Ebenso ist die EMK der Wicklung 8 und der Strom in Spule 7 des Blindverbrauchszählers
proportional sin #q. Beide Sekundärwicklungen sind um die Achse iö drehbar und werden
durch den koachsial zum Drehwandler angeordneten Phasenmesser i i mittelbar oder
unmittelbar in die (lein jeweiligen Leistungsfaktor der Anlage
entsprechende
Winkellage (p gebracht. Dadurch wird erreicht, daß der Wirkverbrauchszähler i den
Teilbetrag des Scheinverbrauches E - J - cos-2 - t und der Blindverbrauchs=
zä liler 2 den Festbetrag: E - J - sin= - c9 - t
des Scheinverbrauches
mißt. Diese Angaben der beiden Zähler summieren sich infolge der gemeinsamen Achse
ihrer Ankerscheiben zu dem gesamten Scheinverbrauch E - J - t des Laststromverbrauches
nach der Gleichung: -(E-J-cos=q7+E-J-sin=#9) -t
-E-J-t-@@ S- t (kVAla)..
Der Sekundärstrom des Strbmwandlers 12, der in die Leitung 13 geschaltet ist, durchfließt
hintereinander die Primärwicklung 9 des Drehwandlers und die Stromspule 1d. des
Phasenmessers i i. Dessen Spannungsspule 15 sowie die Spannungsspulen i6 und 17
der beiden Zählersy steme werden von dem Spannungswandler i8 gespeist, der an der
Netzspannung liegt.
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Abb. 2 und 3 zeigen die aktiven Konstruktionsteile eines Stromdrehwandlers,
der als Manteltype entworfen ist und bei dem die Primärwicklung 9 fest und die Sekundärwicklungen
6 und 8 auf einem drehbaren Anker ig beweglich angeordnet sind. Der Ankerkern ig
und der Eisenkörper 2o sind in der üblichen Weise aus Dvnamoblechen zusammengesetzt.
Die im Schnitt dargestellte Primärwicklung g umgibt den Anker auf dem kürzesten
Wege und ist teilweise in den Eisenkörper eingebettet. Die Sekundärwicklungen 6
und 8 auf dem Anker ig sind in zwölf 'Tuten untergebracht, so daß sich je Wicklung
eine Durchmesser- und .zwei Sehnenspulen ergeben, deren Ebenen sich rechtwinklig
schneiden.