DE235913C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Ju 235913-KLASSE 21 e. GRUPPE

durch Eisen geführtem Kraftlinienverlauf.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. November 1909 ab.

Bei Meßgeräten für Wechselstrom, beson-, ders bei Wattmetern, wurde bisher im allgemeinen die Verwendung größerer Eisenmassen vermieden, und zwar deswegen, weil durch die im Eisen auftretenden Wirbelströme und die. Hysteresis eine nicht unbedeutende Phasendifferenz zwischen dem das System magneti-; sierenden Strom und der Feldstärke auftritt.. Zur Aufhebung dieser Phasendifferenz sind'

ίο dann entweder besondere Kompensationen notwendig, von denen eine größere Anzahl bekannt: ist, oder aber man muß, um eine genügend hohe Genauigkeit in den Angaben der Meßgeräte zu erzielen, die Eisenmassen fortlassen.

Die Verwendung von Kompensationen und Ausgleichseinrichtungen ist aber bekanntlich für die Praxis sehr lästig, und überdies ist oft die Wirkung dieser Einrichtungen ziemlich unsicher. Dagegen bietet die Verwendung von Eisen zur Leitung der Kraftlinien einen so großen Vorteil in bezug auf die erzielbare Größe der Kräfte (Empfindlichkeit), daß dauernd neue Konstruktionen von eisenhaltigen Meßgeräten auftauchen.

Gemäß der Erfindung lassen sich nun Meßgeräte für Wechselstrom, insbesondere Wattmeter, herstellen, deren Angaben eine sehr hohe Genauigkeit besitzen und bei denen dennoch der überwiegend größte Teil des Kraftlinienweges in Eisen verläuft. Die der Erfindung zugrunde liegende neue Erkenntnis ist folgende:

Die Phasenverschiebung des Kraftlinienflusses gegenüber der magnetisierenden Kraft ist nicht; allein abhängig von der Größe der im Eisen auftretenden Verluste, sondern von dem Verhältnis dieser Verluste zu der gesamten durch das Eisen geleiteten magnetischen Energie. Gemäß der Erfindung ergibt sich, daß die Phasenverschiebung klein ist, wenn die ganze oszillierende magnetische Energie des Systems im Verhältnis zu den durch Hysteresis und Wirbelströme verursachten Verlusten sehr groß ist. Der Größe der oszillierenden magnetischen Energie eines Wechselstrommagnetsystems entspricht nun bei gegebener Frequenz eine bestimmte Anzahl wattloser Voltampere in der erregenden Spule. Es ergibt sich daher, daß die Phasendifferenz des magnetischen Kraftflusses gegenüber der erregenden. Kraft nur sehr klein sein wird, wenn die durch ein Wechselfeld induzierten Voltampere der Spule gegenüber den in Watt ausdrückbaren Verlusten infolge Hysteresis und Wirbelströme groß sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Fehler des Instrumentes innerhalb zulässiger Grenzen, also etwa unter 1 v. H. bei cos. φ = ο zu erhalten. Es ist also mit anderen Worten die Forderung aufzustellen::

Eisen Verluste =

wobei E J die wattlosen Voltampere in der erregenden Spule bezeichnet. Die den Gegenstand der Erfindung bildenden; Meßgeräte sind nun so gebaut, daß sie dieser Forderung genügen. . ' ,.

Vergrößert man ζ. B. bei einem der bereits bekannten Eisen enthaltenden Wattmeter die Windungszahl der Hauptstromspule um das Doppelte und vergrößert man gleichzeitig bei gegebener Eisenmenge den Arbeitsluftspalt ζ. B. dadurch, daß man einen weiteren, sonst unnötigen Luftspalt in den Weg der Kraftlinien einfügt, und wählt man diese Verhältnisse derart, daß trotz der doppelten Anzahl

ίο von Amperewindungen das neue Instrument genau die gleiche Feldlinienzahl (Gesamtfluß) besitzt wie das frühere Instrument, so wird natürlich die Zugkraft auf die bewegliche Spule, also die Empfindlichkeit des Apparates in beiden Fällen die gleiche sein. Weiter ergibt sich, daß die beiden Instrumente mit Rücksicht darauf, daß auch das Eisengewicht bei beiden nahezu das gleiche ist, auch die gleichen Verluste durch Hysteresis und Wirbelströme aufweisen werden. Da aber das neue Instrument die doppelte Windungszahl auf der Hauptstromspule besitzt, so wird auch die in der Hauptstromspule induzierte elektromotorische Kraft doppelt so groß sein wie bei dem früheren Instrument. Da also.die beiden Instrumente ungefähr die gleichen Eisenverluste aufweisen, dagegen bei dem zweiten Instrument die Voltampere der Erregerspule doppelt so groß sind wie bei dem ersten, so ergibt sich, daß bei dem zweiten Instrument auch nur eine etwa halb so große Phasen- ^: Verschiebung und somit auch nur ein halb so großer Fehler infolge der Eisenverluste bei stark phasenverschobenen Strömen, z. B. bei cos. φ = ο vorhanden sein wird.

Diese Wirkung ist, wie ausdrücklich bemerkt sei, nicht allein durch die Vergrößerung des Luftspaltes herbeigeführt, sondern durch die Vergrößerung der oszillierenden Feldenergie (gemessen in Voltampere). Denn verdoppelte man bei den bekannten Wattmetern mit Eisen im magnetischen Felde allein den Luftweg, so würde dadurch die Feldstärke auf etwa die Hälfte des vorherigen Wertes sinken. Dagegen würde der Fehler des Instrumentes, welcher durch die Eisenverluste hervorgerufen wird, nicht bedeutend verringert werden, obwohl die Empfindlichkeit des Instrumentes auf die Hälfte herabgesetzt wäre. Tatsächlich werden zwar in diesem Falle die Eisenverluste verhältnismäßig verringert, gleichzeitig aber sinkt die Energie des magnetischen Feldes. Das Verhältnis der aufgewendeten Energie zu den Eisenverlusten steigt in diesem Falle nur deswegen um einen geringen Betrag, weil die Verluste rascher abnehmen als das Feld. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung durch gleichzeitige Vergrößerung der Zahl der erregenden Windungen und des Luftspaltes der infolge der Phasenverschiebung auftretende Fehler nahezu auf die Hälfte herabgesetzt.

Bisher hat man bei Meßgeräten, insbesondere solchen mit Eisen im magnetischen Felde, sich bemüht, den magnetischen Widerstand so klein als möglich zu machen, um an Erregungsenergie (Amperewindungen) zu sparen. Gemäß der Erfindung wird aber dieser Standpunkt verlassen, indem der magnetische Widerstand nicht möglichst klein gewählt zu werden braucht und auch der Verbrauch an Voltampere nicht auf ein Minimum beschränkt wird: Hierbei ist keine bestimmte Zahl oder Grenze festzusetzen, da es gemäß der Erfindung im wesentlichen auf das Verhältnis der zur Erregung dienenden Voltampere zu den Eisenverlusten ankommt. Um bestimmte, durch die praktischen Anforderungen gegebene Fehlergrenzen nicht zu überschreiten, ist dieses Verhältnis an bestimmte Zahlenwerte gebunden. Unter der Voraussetzung, daß zur Zeit an technische Wattmeter die Anforderung gestellt wird, daß der Fehler nur etwa einen Skalenteil auf 100 oder weniger Skalenteile (bei cos. ψ = ο) betragen darf, muß das Verhältnis der induktiven Voltampere zu den Eisenverlusten die Zahl 100 oder mehr ergeben. Wird dieser Bedingung bei den Instrumenten genügt, so ist im allgemeinen die besondere Bauart und die gegenseitige Anordnung der einzelnen Teile von untergeordneter Bedeutung. So kann es z. B. für den jeweiligen Fall zweckmäßig sein, das Feld hufeisenförmig, oval oder rund zu gestalten und mit einer oder mehreren Erregerspulen zu versehen usw. Auch kann als Erregerspule unter Umständen statt einer Stromspule eine Spannungsspule dienen. Desgleichen ist die Größe und Anzahl der Luftspalte dem jeweiligen Bedürfnis entsprechend zu wählen. Es kommt stets nur darauf an, daß die Luftwiderstände in einem derartigen Verhältnis zu den erregenden Amperewindungen stehen und das Instrument in Bezug auf Eisenwege, Eisengewichte, magnetische Beanspruchung der Eisenteile usw. so ausgeführt ist, daß das Verhältnis der induktiven Voltampere der erregenden Spule zu den Eisenverlusten in Watt eine möglichst hohe Zahl ergibt. Ist diese Verhältniszahl 100 oder darüber, so wird in den weitaus meisten Fällen die Genauigkeit des Instrumentes genügend groß und eine weitere Kompensierung der Phase überflüssig sein.

Meßgeräte, welche gemäß der Erfindung ausgebildet sind, besitzen gleichzeitig auch noch den Vorteil, innerhalb sehr weiter Grenzen unabhängig von der Wechselzahl zu sein. Denn bei Änderungen der Frequenz ändern sich beide Glieder des Verhältnisses, auf welches es im vorliegenden Falle ankommt, in gleichem Sinne. Bei sinkender Frequenz sinken die Verluste etwas rascher als die Voltampere

der Selbstinduktion, weil die Wirbelströme dem quadratischen Gesetz folgen, während die Verluste der Hysteresis proportional sinken. Hieraus ergibt sich also noch ein weiterer Vorteil des Instrumentes, daß bei sinkender Wechselzahl die Genauigkeit noch zunimmt. Infolgedessen bleibt das Instrument auch bei Gleichstrom (Frequenz = o) sehr gut verwendbar.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Dynamometrisches Wechselstrommeßgerät, insbesondere Wattmeter, mit im wesentlichen durch Eisen geführtem Kraftlinienverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftwege um die erregenden Amperewindungen so bemessen werden, daß der Betrag an oszillierender magnetischer Energie (ausgedrückt durch die Anzahl der induktiven Voltampere) im Verhältnis zu den in Watt ausgedrückten Verlusten im Eisengerüst sehr groß ist.
2. 2. Dynamometrisches Wechselstrommeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der induktiven Voltampere zu dem Wattverlust im Eisen etwa 100 oder mehr beträgt.