DE1591954C - Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen sinusförmigen Meßgrößen, bei dem eine der beiden Meßgrößen gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben wird, aus beiden Meßgrößen Rechteckspannungen mit begrenzter Amplitude abgeleitet und aus diesen Spannungen eine dem Phasenwinkel proportionale Spannung gewonnen wird.

Es sind bereits Meßverfahren zum Messen des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen Größen bekannt, bei denen die einzelnen Größen in Rechteckspannungen umgeformt werden und bei denen dann die Summenspannung dieser Rechteckspannungen gebildet wird, deren Spannungsabfall an einem Lastwiderstand proportional dem Phasenwinkel zwischen den zwei Eingangsgrößen ist. Bei diesen Meßverfahren sind zur Erzeugung der Rechteckspannungen Verstärker mit Amplitudenbegrenzerschaltungen oder Rechteckgeneratoren erforderlich. Die Bildung der Summenspannung geschieht hier mittels zweier durch diese Rechteckspannungen angesteuerter elektronischer Verstärkerelemente, z. B. Elektronenröhren oder Transistoren, die auf einen gemeinsamen Lastwiderstand arbeiten. Diese Schaltungen haben einmal den Nachteil, daß sie sehr aufwendig sind und daß außerdem die Ausgangsspannung ihr Vorzeichen nicht ändert, wenn die Phasenverschiebung positiv oder negativ, d. h. vom induktiven Bereich in den kapazitiven Bereich übergeht. An der Ausgangsbpannung der Meßanordnung kann man daher nicht erkennen, ob es sich um eine induktive oder kapazitive Phasenverschiebung handelt. Außerdem können bei der Verwendung von Elektronenröhren oder Transistoren durch Arbeitspunktverschiebungen erhebliche Meßfehler auftreten.

Es ist bereits ein Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen sinusförmigen Meßgrößen bekannt, bei dem eine der beiden Meßgrößen gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben wird, aus beiden Meßgrößen Rechteckspannungen mit begrenzter Amplitude abgeleitet und aus diesen Spannungen eine dem Phasenwinkel proportionale Spannung gewonnen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu" gründe, ein einfaches Meßverfahren zur Messung des positiven und negativen Phasenwinkels zweier elektrischer Meßgrößen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß aus den Rechteckspannungen die Summenspannung und die Differenzspannung gebildet werden, die jeweils über einen Dqppelweggleichrichter mit nachgeschalteter Glättungsdrossel gleichgerichtet werden, und daß diese beiden Gleichspannungen an einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen zu einer dem Phasenwinkel der beiden Eingangsgrößen proportionalen Spannung addiert werden.

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es ist bereits eine Anordnung zur Messung des * Phasenwinkels zweier elektrischer Meßgrößen bekannt (französische Patentschrift 1 470 849), die Verknüpfungsglieder zur Durchführung logischer Operationen verwendet, die mit Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichbar sind. Die Anordnung ist nicht für Anwendungsfälle geeignet, bei denen eine Potentialtrennung zwischen den Eingangsgrößen und der Ausgangsgröße erforderlich ist, wie beispielsweise in Leistungs-Regelkreisen. Ferner erlaubt die bekannte Anordnung nur die Feststellung des Betrages der Phasenverschiebung, jedoch nicht die Feststellung des Vorzeichens derselben. Diese Eigenschaft muß von einer Phasenwinkel-Meßeinrichtung unbedingt gefordert werden, wenn sie Bestandteil eines Regelkreises ist, der die Phasenverschiebung zwischen den Eingangsgrößen auf Null regeln soll. Durch die Verwendung von Übertragern wird beim Erfindungsgegenstand in einfacher Weise sowohl eine Potentialtrennung als auch durch entsprechendes Zusammenschalten der Übertragerwicklungen die notwendigen Spannungsadditionen ohne zusätzliche elektronische Verknüpfungseielemente erreicht.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die Schaltung zum analogen Messen des Phasen winkeis zwischen zwei Spannungen;

F i g. 2 zeigt Signaldiagramme der Spannungen und Ströme innerhalb der Schaltung;

Fig. 3 zeigt einen Meßeingang für den Fall, daß die Größe 2 als Strom vorliegt,

F i g. 4 zeigt einen Meßeingang für den Fall, daß die Größe 1 als Strom vorliegt.

In den Figuren sind für gleiche Gegenstände gleiche Bezugszeichen verwendet.

In F i g. 1 ist eine Schaltung gezeigt für den Fall, daß beide Eingangsgrößen als Spannung vorliegen. Die Eingangsspannung U₁ wird über einen Vorwiderstand 1 an die Reihenschaltung der beiden Zenerdioden 2 und 3 geschaltet, wobei die Zenerdioden mit

ihren Anoden- oder Kathodenanschlüssen miteinander verbunden sind. Durch die amplitudenbegrenzende Wirkung der Zenerdioden wird hier die sinusförmige Eingangsspannung in eine Rechteckspannung M₁' umgewandelt. Die andere Eingangsspannung M₂ wird an einen Übertrager 4, der auf der'Sekundärseite einen Mittelabgriff besitzt, gelegt. Die beiden Sekundärwicklungen sind durch die beiden gleichen Reihenschaltungen, bestehend aus dem Kondensators, den Zenerdioden 7 und 8 bzw. dem Kondensator 9 und den Zenerdioden 11 und 12 überbrückt. An den Zener_: dioden 7 und 8 bzw. 11 und 12, die gegeneinandergeschaltet sind, wird die zur Eingangsspannung M₂ um 90° phasenverschobene Rechteckspannung M₂' abgenommen. Zwei Übertrager 13 und 14 werden nun so an die gegeneinandergeschalteten Zenerdioden 2 und 3, 7 und 8 sowie 11 und 12 angeschlossen, daß an der Primärwicklung des einen Übertragers 14 die Differenz aus den beiden Rechteckspannungen U₁'-U₂ und an dem anderen Übertrager 15 die Summe der Recbteckspannungen U₁+u₂ anliegt. An den Sekundärwicklungen der Übertrager 13 und 14 sind jeweils die Gleichrichter 15 und 16 angeschlossen, die über die Glättungsdrosseln 17 und 18 auf die Lastwiderstände 19 und 20 arbeiten. An den Lastwiderständen treten die Spannungen M₂₀ und M₁₉ auf. Die Ausgangsspannung ucp, die an der Reihenschaltung der Widerstände 19 und 20 abgegriffen wird, ist die Differenz der Spannungen U₂₀-U₁₉ und ist proportional der Phasenverschiebung der beiden Eingangsspannungen.

In Fig. 2 sind die Signaldiagramme der .Spannungen innerhalb der Schaltung nach F i g. 1 dargestellt.

F i g. 2 a zeigt den Verlauf der beiden Eingangsspannungen, die um den Winkel φ gegeneinander verschoben sind.

In F i g. 2 b sind die Rechteckspannungen U₁ und M₂' dargestellt, wobei die Rechteckspannung M₂' gegenüber der Rechteckspannung U₁ zusätzlich zur unbekannten Phasenverschiebung um 90° verschoben ist.

F i g. 2c zeigt die Differenzspannung von M₁' und M₂'.

¹F i g. 2d zeigt die Summenspannung der beiden Rechteckspannungen M₁' und M₂'.

Diese Summen- und Differenzspannungen mit der Amplitude u_z werden über die Doppelweggleichrichter 15 und 16 nach Schaltung 1 gleichgerichtet und über die Drosseln 17 und 18 geglättet. Die geglätteten Ausgangsspannungen M₂₀ und M₁₉ der beiden Gleichrichter . 15 und 16 werden durch Verbinden der Widerstände 19 und 20 gegeneinandergeschaltet.fEs entsteht dabei die Spannung uq), die die Differenz der Spannungen ^U2o—W₁₉ ist. Sie ist direkt proportional dem Phasenwinkel der beiden Eingangsgrößen und hat folgenden Wert:"

= U₂₀-U₁₉ = M₂ ^l -

j£j - U_x \\ + ^j

Diese Ausgangsspannung uq> hat für den negativen

»ο Phasenwinkel —90° entgegengesetzte Vorzeichen und den gleichen Wert wie für positive Phasenverschiebung von 90°. Sind die beiden Eingangsgrößen nicht gegeneinander phasenverschoben, so hat die Ausgangsspannung uq> den Wert Null. -

Zur Anzeige kann ein Voltmeter mit Mittelpunktsanzeige verwendet werden, das in Winkelgraden geeicht wird.

In F i g. 3 ist der Eingang der Meßschaltung f ürdie Größe 2 angegeben, falls diese als Strom vorliegt. Mit

Hilfe eines Stromwandlers 21 wird hier von dem zu messenden Strom eine Spannung abgeleitet. Die zusätzliche Phasenverschiebung der Sekundärspannung wird nicht wie in F i g. 1 durch in Reihe zu den Wicklungen liegende Kondensatoren, sondern durch parallel zu der Sekundärwicklung liegende Kondensatoren 22 und 23 hervorgerufen. Die weitere Schaltung zur Erzeugung der Rechteckspannung M₂ entspricht derjenigen von F i g. 1.
F i g. 4 zeigt eine Schaltung für den Fall, daß die Eingangsgröße 1 als Strom vorliegt. Auch hier wird, wie in Fig. 3, mit" Hilfe eines Stromwandlers24 eine Spannung von dem zu messenden Strom abgeleitet,

- die dann dem Eingang 1 der Schaltung nach F i g. 1

zugeleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen sinusförmigen Meßgrößen, bei dem eine der beiden Meßgrößen gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben wird, aus beiden Meßgrößen Rechteckspannungen mit begrenzter Amplitude abgeleitet und aus diesen Spannungen eine dem Phasenwinkel proportionale Spannung gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Rechteckspannungen die Summenspannung und die Differenzspannung gebildet werden, die jeweils über einen Doppelweggleichrichter mit nachgeschalteter Glättungsdrossel gleichgerichtet werden, und daß ¹S diese beiden Gleichspannungen an einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen zu einer dem Phasenwinkel der beiden Eingangsgrößen proportionalen Spannung addiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung der Rechteckspannungen aus den Meßgrößen die Eingangsspannungen über einen Vorwiderstand an zwei gegeneinandergeschaltete Zenerdioden gelegt werden, deren Zenerspannung wesentlich kleiner als die Ampli- *S tude der Eingangsspannung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Phasenverschiebung einer Eingangsgröße um 90° durch einen Kondensator oder durch eine Induktivität vorgenommen wird, die entweder in Reihe vor die oder parallel zur Schaltung zur Erzeugung der Rechteckspannungen geschaltet werden.