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Verfahren zur Messung der elektrischen Phasenverschiebung, der Wirk-und
Blindleistung in Wechselstromkreisen Um die Phasenverschiebung sowie die Wirk-und
Blindleistung in Wechselstromkreisen zu messen, ist allgemein bekannt, Strom und
Spannung (gegebenenfalls über Strom-und Spanimngswandler) Wirk-und Blindleistungsmessern,
cos-q ;-Messern und Strom-und Amperemetern zuzuführen. Die obenerwähnten verschiedenartigen
Messungen besitzen, so wie sie heute durchgeführt werden, eine Reihe Nachteile.
In vielen Fällen ist der Eigenverbrauch der benutzten Meßinstrumente so groß, daß
eine Messung überhaupt nicht vorgenommen werden kann oder Falschmessungen auftreten,
z. B. bei der Anwendung von üblichen cos-#-Messern ohne Rohren. Auch ist die Messung
als solche durch das Anschalten verschiedener Meßgeräte umständlich und in der Auswertung
erschwert, da die gemessenen Werte nach der Ablesung meist nur rechnerisch verwertet
werden können. Ein weiterer Nachteil obiger Messungen ist, daß die meisten Meßinstrumente,
z. B. cos-#-Messer, Blindleistungs-und Wirkleistungsmesser, nur für Niederfrequenz
(z. B. 5o Hz) gebaut werden, so daß beispielsweise die Messung hochfrequenter Stromkreise
mit Hilfe dieser bekannten Meßinstrumente nicht möglich ist.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile. Sie ermöglicht mittels eines
Meßgerätes, alle für4 einen Wechselstromkreis erforderlichen Messungen bei einfacher
Bedienung durchzufiihren. Zunächst werden in bekannter Weise aus dem Strom und aus
der Spannung des Wechselstromkreise zwei Meß-
spannungen gebildet,
deren eine der Spannung und deren andere dem Strom proportional ist. Die beiden
Meßspannungen werden um go elektrische Grad gegeneinander phasenverschoben. Dann
wenden vektorieH die Summe und die Differenz der Meßspannungen gebildet. Gemäß der
Erfindung werden die beiden gleichgerichteten Meßspannungen einem Nullindikator
zugeführt, wobei, die Größengleichheit der bgeinden Meßspannungen (der Summen-bzw.
Differenzspannungen) durch einen zusätzlichen veränderbaren Phasenschieber entsprechend
der Phasenver.schie'bung der beiden Eingangsspannungen, welche vom Strom und von
der Spannung des Stromkreises herrühren, so lange geändert wird, bis Größengleichheit
der beiden Spannungen entsteht bzw. bis der Nullindikator 0 zeigt. Aus der Stellung
des veränderbaren Phasenschiebers ist dann die Phasenverschiebung zwischen Strom
und Spannung des Stromkreises ereidhtliich.
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Wird gemäß der Erfindung der veränderbare Phasenschieber auf 0° (d.
h. Phasengleichheit zwischen U3 und U4) gestellt, so schlägt der Nullindikator aus,
wobei die Größe des Ausschlages proportional der Blindleistung des Stromkriese ist.
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Wird der verändierbare Phasenschieber auf go" Phasenvershiebung gestellt,
so kann die Wlirlkieistung am Ausschlag des Nullmdikators abgelesen werden.
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Schwankt die Spannung im Stromkreis, so entstehen bei der Messung
von Wirk-und Blindleistung Meßfehler. In Ausgestaltung der Erfindung werden diese
Fehler dadurch beseitigt, daB ein Teil der von der Spannung im Stromkreis herrührenden
Meßspannung abgezweigt und gleichgerichtet wird.
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Die so erzeugte Gleichspannung steuert die andere, vom Strom erzeugte
Meßspannung mittels regelbarer Schaltelemente, beispielsweise Regelröhren, derart,
daß eineSpannungserbohungdererstgenanntne Meßspannung eine Spannungserhöhung der
Meßspannung, die aus dem Strom gewonnen wird, erzeugt. Es erfolgt also eine Multiplikatino
der beiden Meßspannungen.
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In weiterer Ausgestaltung dre Erfindung können die den Nullindikator
durdhnießenden Gleichströme wechselnder Polarität zur Steuerung beliebiger elektrischer
Anderungen im Wechselstromkreis benutzt werdne.
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Beispielsweise können mittels einfacher Relaisschaltungen Phasenänderungen
bewirkt oder Servomotoren, Erregerwicklungen von Steuergeneratoren, Reaktanzröhren
bei Hochfrequenz usw. gesteuert werden. Da die Summen-Differenz-Schaltung von tiefen
Frequenzen weg (z. B. 50 Hz) bis zu höchsten Frequenzen (z. B. 30 MHz) verwirklicht
werden kann, wird eine Anwendung d'es Meßverfahrens im breitesten n Umfang ermöglicht.
Bei den ni, ederfrequenent Spannungen wird die Summen-Differenz-BIldng mittels Transformatoren
vorgenommen, bei hochfrequentem Spannungen am besten mit Elektronenröhren, wobei
besonders die DiSerenzbitdung durch eine Phasenumkehrröhre erzielt wird.
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Schließlich können auch a : uf besonders einfache Art und Weise Schreibgeräte
vom Nullindikator oder von den ihn durchrHcßenden Strömen betätigt 'werden.
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Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Erfindung. Der Verbraucher
r wird über den Nullleiter 0 und die Phase u oder v oder w gespeist. Aus dem Strom
des Stromkreises wird mittels des Transformators 2 eine dem Strom proportionale
Meßspannung gewonnen. Diese wird mittels des Verstärkers 3 verstärkt und dem Transformator
4 zugeführt. Die Spannung des Stromkreises wird mittels des Transformators 5 abgenommen,
wobei die Sekundärseite des Transformators eine Mittelanzapfung besitzt, an welcher
die beiden Meßspannungen U1 und U2 liegen. Die Enden der Sekundärwicklung liegen
jeweils an einem veränderbaren Widerstand 6 und an einem Kondensator 7.
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Der MittelabgriN des Transformators 5 und die Verbindungsleistung
zwischen veränderbarem Widerstand 6 u, nd Kondensator 7 werden dem Transformator
8 zugefülhrt. Das aus den Schaltelementen 5, 6,7 und 8 bestehende Gebilde arbeitet
als veränderbarer Phasenschieber mit derWirkungsweise gemäß Abb. 2.
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Abb. 2 zeigt das Vektordiagramm. Die Wechselspannungen Ut und U2
sind phasengleich und addieren sich. Die Spannung UR am veränderbairen Widerstand
6 und die Spannung U, am Kondensator 7 stehen senkrecht aufeinander. Wird der Widerstand.
6 verändert, so ist der geometrische Ort des Punktes A ein über dem Spannungsvektor
U1 und U2 geschlagener Halbkreis. Die Verbindung A-B im Vektordiagramm Abb.2 ergibt
die Größe und Phasenlage der Spannung U3.
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Man sieht aus dem Vektordiagramm, daß der aus 5, 6, 7 und 8 gebildete
Phasenschieben abhngig von der Größe des veränderbaren Widerstandes 6 eine stetig
regelbare Phasenverschiebung zwischen U1, U2 einerseits und U3 andererseits zu erzeugen
gestattet, wobei die Größe der Spannung U3 unabhängig von der Stellung des veränderbaren
Widerstandes 6 ist.
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Die Transformatoren 8 untd 4 besitzen je zwei genau gleiche Sekundärwicklungen,
die so zusammengeschaltet sind, daß die erste Sekundärwicklung des Transformators
8 mit der erse-en Sekundärwicklung des Transformators 4 derart gepolt zusammengeschaltet
wird, daß die vektorielle Summe von U3 und U4 entsteht; die zweite Sekundärwicklung
des Transformators 8 wird mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators 4
derart verbundne bzw. gepolt, daß die vektorielle Differenz der Spannungen U3 und
U4 entsteht.
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Mittels der Doppeldiode 9 werden die Summen-und die Differenzspannung
gleichgerichtet. Die Summenspannung geht über die Anode loder Doppeldiode 9 und
erscheint gleichgerichtet am Widerstand 11. Die Differenzspannung geht uiber die
Anod) e 12 der Doppeldiode 9 und erscheint gleichgerichtet am Widerstand 13. Summen-
und DIfferenzspannung sind gleich groß bzw. erzeugen #gleich große'Gleichspannungen
an m und 13, wenn U3 und U4 90° Phasenverschiebung besitzen Der Nullindikator 14,
z. B. ein Gleichstrom-Milliampereneter mit Null-
punkt in der Mitte,
zeigt dann den Ausschlag 0. Je nachdem, ob die Summenspannung größer als die Differenzspannung
ist oder umgekehrt, zeigt der Nullindikator14Ausschlagnachlinksoder nach rechts
an, was einen Rückschluß auf induktiven oder kapazitiven Phasnenwinkel zwischen
U3 und U4 bzw. auf den Phasenwinkel im Stromkreis zuläßt.
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Abb. 3 a und 3 b zeigen zum besseren Verständnis das Vektordiagramm
der Summen-und Differenzschaltung.
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Wie aus Abb. 3a ersichtlich, sind die Summenspannung U3 und Differnenzspannung
Ud gleich groß, falls die von den Transformatoren 8 und 4 herrührenden Spannungen
U3 und U4 90° Phasenverschiebung besitzen. Besitzen sie nicht 90° wie im Vektordiagramm
Abb. 3 b, so ist ohne weiteres zu ersehen, daß Summenspannung Us undDifferenzspannung
Ud verschieden groß sind, daB also Ausschlag am Nullindikator 14 entsteht, der durch
Nachderehen des veränderbaren Phasenschiebers wieder auf 0 gebracht wird.
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Richtet man die Meßachaltung Abb. i so ein, daß, abgesehen von der
zusatzlich mittels des Phasenschiebers erzeugten Phasenverschiebung, zwischen Transformator
5 und 8 einerseits und 2 und 4 andererseits veine oder eine konstante Phasenverschiebung
herrscht, so kann der veränderbare Widerstand 6 des Phasenschiebers bzw. die Stellung
seines Abnahmeschleifers mit einer Eichung in elektrischen Grad Phasenverschiebung
oder in cos # direkt versehen werden, die ein Maß für die jeweilige Phasenverschiebung
im Verbraucherstromkreis 1 ist.
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Ist der Phasenschieber auf dieseiWeise so. geeicht, daß aus der Stellung
des Abnahmeschleifers die Phasenverschiebung im Stromkreis abgelesen werden kann,
so wird bei rein reellem Verbraucher i der Zeiger des Abnahmeschleifers auf Phasenverschiebung
0 gedreht werden müssen, wenn das Instrument 14 Nullausschlag zeigt. Wird nun der
veränderbare Widerstand 6 des Phasenschiebers derart geändert, daß die Spannung
Us um 90"verdreht wird (vgl. Vektordiagramm Abb.2), so zeigt der Nullindikator Maximalausschtag
an. Die Größe dieses Ausschlags ist ein Maß für die Wirkleistung bzw. für die Größe
der von den Transformatoren 5 und a geligeferten Meßspannunge. Besitzen diese zusätzlich
gegeneinander noch eine vom Stromkreis herrührende Phasenverschiebung, so wird der
Ausschlag entsprechend verändert werden. Es ist also möglich, durch Zufügen von
90° Phasenverschiebung gegenüber derStellung 0° desPhasenschiebers die Wirkleistung
oder durch Einstellen auf 0° Phasenverschiebung die Blindleistung am Ausschlag des
Nullindikators zu messen. Der Nullindikator 14 kann in Blind- und in Wirkleistung
geeicht werden. Im Interesse der Genauigkeit dieser Messungen ist es, dabei die
vom Strom herrührende Meßspannung kleiner als die andere Meßspannung zu halten.
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Schwankt die vom Transformator 5 gelieferte Meßspannung, so wird,
um Fehlmessungen von Wirk-und Blindleistung zu vermeiden, vom tubertrager 5 mittels
einer dritten Wicklung ein Teil . davon abgezweigt und mittels des Gleichrichters
15 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird dem Verstärker 3, der in
diesem Fall als Regelerstärker, beispielsweise mit eine Hexode, arbeitet, zugeführt.
Entsprechend der Größe der zugeführten Gleichspannung wird bei großer Steuergleichspannung
größerer Verstärkungsgrad und bei kleinerer Steuergleichspannung geringerer Verstärkungsgrad
mittels. der Regelröhre bzw. des Regelschaltelements erzeugt. Die von der Spannung
und die vom Strom im Stromkreis herrührenden Meßspannungen werden auf diese Weise
multipliziert. Abb. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel zur Erfindung, wie mittels s
eines der Summen-Differenz-Schaltung nachgeschalteten Verstärkers die Leistungsaufnahme
des Meßgeräts vermindert werden kann. Entsprechend Abb. i-werden mittels der Transformatoren
8 und 4 wiederum die vektorielle Summe und die vektorielle Differenz der beiden
Spannungen U3 und U4 gebildet. Genau wie in, Abb. i werden die beiden Spannungen
einer Doppeldiode 9 zugeführt ; an den Widerständen m und I3 entstehen dann gleichgerichtet
Summen-und Differenzspann'ung.DieDifferenzdieserSpannungen wird statt dem Nullindikator
den Steuergittern der Röhren 16 und 17 zugeführt. Die Röhren arbeiten als Gleichstrom-Kathodenverstärker,
d. h. ihre Anoden liege-n direkt am Pluispol der Anodenspannung +A. Die wesentlich
verstärkte Steuergitterleistung beider Röhren kann dann an den Enden der Widerstände
Ig und rg bzw. an den Kathoden der Röhren 16 Und 17 mittels des Nullindikators 14
abgenommen werden. Die Steuergitterleistung kann sehr klein gehalten werden, da
die Widerstände 13, 11 und 20, 21 sehr groß sein können.
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Besonders bei der Messung von Wirk-und Blindleistung ist es wichtig,
auf diese Weise den Strom durch den Nullindikator von der Summen-Differenz-Schaltung
fernzuhalten, da seine Rückwirkungen auf die Ubertrager 8 und 4 Meßfehler verursachen.
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Abb.5 zeigt als Ausführungsbeispiel zur Erfindung, wie die Summen-Differenz-Schaltung
insbesondere bei hochfrequenten Meßspannungen statt mit Transformatoren mit Röhren
verwirklicht wird. Die Spannung U3 (vgl. Abb. 1). wird einem SteuergitterderDoppeltriode(oderDoppelpentode)
22 und dem Steuergitter der Phasenumkehrröhre 23 zugeführt. Die um r8o° versetzte
Steuergitterspannung von 23 wird am Widerstand 24 über den Kondensator 2. 5 einem
Steuergitter der anderen Doppelröhre. 26 zugeführt. Die Spannung ! wird gleichphasig
den noch freine Steuergittern. der Do. ppelrohren22. und 26 zugeführt.
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Die beiden Anoden je einer Doppelröhre sind miteinander verbunden.
An den Anoden der Doppelröhre 22 entsteht somit. die vektorielle Summenspannung
von U3 und U4, an den Anoden der Doppelröhre 26 die vektorielle Differenzspanntung.
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Diese beiden Spannungen werden wieder ähnlich Abb. i über die Kondensatoren.
27 und 28 und den Kondensator 29 einer Doppelidiode 9 zugeführt und gleichgerichtet.
An den Kathodenwiderständen 11 und 13 entstehen wieder gleichgerichtet Summen-
und
Differenzspannung, welche ifiber die Widerstände 30 und 31 den Nullindikator 14.inbereits
beschriebener Weise betätigen.