DE419926C - Einrichtung zur Messung der Scheinlast und des Scheinverbrauches bei Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom - Google Patents

Einrichtung zur Messung der Scheinlast und des Scheinverbrauches bei Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom

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DE419926C
DE419926C DEH95796D DEH0095796D DE419926C DE 419926 C DE419926 C DE 419926C DE H95796 D DEH95796 D DE H95796D DE H0095796 D DEH0095796 D DE H0095796D DE 419926 C DE419926 C DE 419926C
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R11/00Electromechanical arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. of consumption
    • G01R11/48Meters specially adapted for measuring real or reactive components; Meters specially adapted for measuring apparent energy

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur 'Messung der Scheinlast und des Scheinverbrauches bei Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom durch Vornahme von je zwei zusammengehörigen 'Messungen in den jeweils in Frage kommenden Meßstromkreisen mit einem Wirk- und einem Blindleistungs-(Verbrauchs-) -Messer, die durch eine geineinsaine Drehachse zu einem 'leßgerät vereinigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (Drehwandler) vorgesehen ist, durch den entweder der mit dem Belastungsstrom phasengleiche lleßstrom oder die mit der Spannung ini Meßstromkreise phasengleiche lleßspannung, welche dein Wirkleistungs-(Verbrauchs-) Messer zugeführt wird, ihrem Betrage nach im Verhältnis des Cosinus und der Strom oder -die Spannung, welche in gleicher Weise der . Blindleistungs- (Verbrauchs-) Messer erhält, im Verhältnis des Sinus des jeweiligen Phasenwinkels im Meßstromkreise veränderlich-sind, wodurch, wenn dieser Phasenwinkel mit <p bezeichnet wird, die Angaben des einen messenden Systems dem Teilbetrag der Scheinhast: E - J - cosz 99 bzw. des Scheinverbrauches: E - J - cos' q) t und die Angaben des, anderen Systems ebensolchen Teilbeträgen E - J sing 99 bzw. E - J - sing p - t direkt proportional werden und ihre algebraische Summe der durch die Gleichung E-J-cos=q9+E-J-sin'p-E-J dargestellten Scheinlast bz`v. dem Scheinverbrauch: (E-J-coslq)+E-J-sin'q9) -t =E-J-1 im Meßstromkreise bis auf einen festen Verhältniswert entspricht. -2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsebenen der Primär- und Sekundäfwicklung des Transformators (Drehwandlers) gegeneinander um beliebige Winkel verstellbar sind und die letztere aus zwei gleichen, selbständigen Windungsgruppen besteht, deren Ebenen sich rechtwinklig schneiden, zum Zweck, diesen Sekundärwicklungen Spannungen bzw. Ströme entnehmen zu können, die bei konstanter Primarspannung bzw. konstantem Primärstrom dein Cosiiius und Sinus des Winkels proportional sind, den eine der sekundären Windungsebenen mit der Windungsebene der Prim:irwicklumg bildet.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1114582B (de) * 1960-02-11 1961-10-05 Licentia Gmbh Scheinverbrauchsmesseinrichtung

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