DE285308C

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

JU

Vi 285308 KLASSE 21 e. GRUPPE

RICCARDO ARNO in MAILAND.

In Wechselstromanlagen wird gewöhnlich die Leistung mit Wattmetern und ^Zählern gemessen nach der Formel für die wirkliche Leistung:

P_r = E -1 - cos cp,

worin E die Spannung, I der gelieferte Strom und q) der Winkel ist, der die Phasenverschiebung zwischen dem Strom I und der Spannung E darstellt.

Die Leistungsfähigkeit der Wechselstrommaschine ist aber durch die entsprechende scheinbare Leistung dargestellt:

*·■ ' Pa = E-I.

Der Konsument, der nur die wirkliche Leistung E · I cos φ bezahlt, würde nichts vergüten für den sogenannten wattlosen Strom I sin φ.

Diesem Mangel trägt das Meßverfahren gemäß der. Erfindung in folgender Weise Rechnung.

Die wirkliche Leistung ist:

P,- — Έ-Ι- COS φ, ■ . ■

die scheinbare Leistung:

Pa = E -I.

Die Differenz ist somit = E · I (i — cos φ). Diese wird bei der gewöhnlichen Messung nicht in Betracht gezogen.

Der Größe E-I (i — cos φ) braucht aber nur so weit Rechnung getragen zu werden, als es für die Amortisation, die Zinsbelastung, den Betrieb und die Verluste nötig ist. Es genügt daher die Hinzufügung eines Bruchteils I —| dieser Differenz zu der wirklichen

W

Leistung, um eine gerechtere Preisberechnung für die von dem Abnehmer tatsächlich verbrauchte Energie zu erhalten. Die Zahl η hat je nach den in der Anlage begründeten ökonomischen Verhältnissen verschiedene Werte. Die Formel, welche die alle Kosten berücksichtigende Größe (komplexe Belastung) darstellt, ergibt sich nun als:

P_;. = E -I - cos φ +

- I {l — COS φ)

oder:

50

Pu=E-I-

ι + (η — ι) cos φ

Hierbei können der Größe η theoretisch die Werte von 1 bis 00 erteilt werden.

Für w=i ergibt die Formel die scheinbare Leistung: Pa = E-I; folglich wäre ein nach dieser Formel gebauter Apparat ein Voltamperemeter oder ein Messer der scheinbaren Leistung. Für η = co ergibt die Formel die wirkliche Leistung: P_r = E · I · cos~>φ; folglich entspräche dieser Apparat einemjgewöhnlichen Leistungsmesser zur Messung d^r, wirklichen Leistung. ' ,

Die komplexe Belastung wird daher einem Wert von η zwischen 1 und 00 entsprechen.

In der industriellen Praxis geht nun aus den in vielen bedeutenden Anlagen gesammelten Daten hervor, daß der Wert von η immer höher als 2 und niedriger als 4 ist und gewohnlich zwischen 2,5 und 3,5 (Mittel = 3) liegt.

Die geringeren Werte von η entfallen auf Anlagen, die mit beschränkten Mitteln ausgeführt sind, d. h. in der Regel mit Generatoren mit niedrigem Wirkungsgrade, mit unsorgfältigen, nach beschränkten Kriterien ausgeführten Installationen, geringen Kupferquerschnitten und minderwertiger Isolation der Leitung. Die höheren Werte von η entsprechen gut ausgeführten Anlagen mit guten Generatoren, Sorgfalt der Anlage, reichlichen Kupferquerschnitten und guter Isolierung der Leitung. Um nun die Messung der komplexen Leistung in einem Apparat möglichst einfach zu gestalten, wird ein Verfahren angewandt, das die komplexe Leistung zwar nicht streng genau, wohl aber mit einer für die Praxis genügenden, sehr großen Annäherung zu messen gestattet.

Erstens wird in dem Spannungskreis eines gewöhnlichen Leistungsmessers oder Zählers z. B. durch eine Spule oder ein ähnliches bekanntes Mittel eine zusätzliche Phasenverschiebung ψ gegen die Spannung erzeugt. Dies ist ein Mittel, das bereits früher angewandt worden ist, und zwar stets mit einer derartigen Einregulierung der Apparate, daß sie bei induktionsloser Last die wahre Leistung EI angeben. Diese so einregulierten Apparate würden zwar für sehr kleine Phasenverschiebungen in der Belastung auch nahezu die komplexe Leistung angeben können; bei größeren Phasenverschiebungen φ dagegen nicht. Hier tritt nun die neue Erfindung ein; sie

geht von der Überlegung aus, daß der Leistungsfaktor der Belastung in den üblichen Kraftanlagen zwischen den Grenzen 0,9 und 0,5 liegt. Erzeugt man in dem Spannungskreis des Meßapparates eine zusätzliche Pha- senverschiebung von geeigneter Größe ψ und reguliert seine Konstante im übrigen derart, daß der Apparat für cos φ = o,g die komplexe Leistung

,0 E · I · 0,9 -\ · E · I · 0,1

genau angibt, so zeigt er in dem ganzen, für Kraftanlagen charakteristischen Intervall von cos φ = 0,9 — 0,5 die komplexe Leistung mit großer Annäherung richtig an. Außerhalb dieses Intervalles dagegen, namentlich auch für induktionslose Last, für welche der Apparat nicht bestimmt ist, würde er Angaben machen, die sowohl von der wahren wie von der komplexen Leistung wesentlich abweichen.

Die Größe des Verschiebungswinkels ψ ist von der Größe η abhängig; sie berechnet sich mit genügender Annäherung zu Φ = (42 :n)°.

Setzt man den für die meisten Kraftanlagen gültigen Wert η = 3 ein, so wird ψ= 14⁰; für die scheinbare Leistung (n = 1) wird ψ = ₄2°.

Für die Kombinationen der besonderen Phasenverschiebungen sowohl in gleichmäßig wie auch in ungleichmäßig belasteten Dreiphasen-Kraftanlagen können auch noch andere Phasenverschiebungen für die Spannungsspulen verwendet werden, um die praktische Genauigkeit der oben beschriebenen Messungen zu erhalten.

Solche Verschiebungen kann man erhalten, entweder indem man die Phasenverschiebung des einen der beiden Apparate ein wenig vermindert und diejenige des anderen Apparates entsprechend erhöht, oder aber, indem man die besonderen Spannungen benutzt, die in einem Dreiphasensystem zur Verfügung stehen (Fig. 1), und zu entsprechenden Schaltungen der Apparate greift.

Bei den Dreiphasensystemen ist vorausgesetzt, daß der Stern der Spannungen unverändert bleibt. Im nachstehenden sollen einige der gefundenen besonderen Phasenverschiebungen für die Fälle angegeben werden, in denen der Wert von η zwischen 2,5 und 3,5 (Mittel = 3) schwankt.

Bei dem besonderen Fall von Apparaten für ungleichmäßig belastete Dreiphasensysteme sind die Konstanten der beiden Apparate nicht so bestimmt, daß praktisch die Fehler gegenseitig ausgeglichen werden, sondern so, daß die Angaben jedes Apparates sich als praktisch genau für die einzelnen Messungen ergeben, die mit jedem Apparat ausgeführt werden sollen.

Für die Apparate, die zu Messungen in gleichmäßig belasteten Dreiphasensystemen bestimmt sind, wo nur ein einziges Instrument nötig ist, sind in den bezüglichen Abbildungen mit Syi und mit Sv die Strom- und Spannungsspulen bezeichnet.

Für die Apparate, die zu Messungen in Dreiphasensystemen bestimmt sind, .wo zwei Instrumente nötig sind, sind mit ψ, ψ,, die Phasenverschiebungen für die elektrodynamischen Apparate, und mit ψ' \p'„ die Phasenverschiebungen für die Induktionsapparate angegeben. Außerdem sind mit S'a und mit S'v und Sα und Sy die betreffenden Strom- und Spannungsspulen der beiden Apparate bezeichnet.

Bei gleichmäßig belasteten Dreiphasenkraftanlagen lassen sich nun für die Messung der komplexen Belastung die Phasenverschiebungen ψ und ύ>' bzw. etwa =45° (Fig. 2) und etwa = 75° (Fig. 3) machen, da dann die Span-

nungsspule so geschaltet ist, daß eine verkettete Spannung benutzt wird, die in Phasenvoreilung oder Phasenverzögerung von 30° zu der Phasenspannung, des Zweiges liegt, in den die Stromspule eingeschaltet wird.

Für die Messung der scheinbaren Leistung dagegen kann man die Phasenverschiebung ψ etwa = 12° (Fig. 9) und die Phasenverschiebung ψ' etwa = io2° (Fig. 10) oder \b etwa = 42 ° (Fig. 11) und ψ' etwa = 72° (Fig. 12) machen, da dann die Spannungsspule so geschaltet ist, daß eine verkettete Spannung benutzt wird, die in Phasen verzögerung von 30 ° oder von 90 ° liegt, oder aber eine Spannung des Zweiges, die in Phasenverzögerung von 60 ° liegt zu der Phasenspannung des Zweiges, in den die Stromspule eingeschaltet wird. Da es sich um gleichmäßig belastete Dreiphasenkraftanlagen handelt, kann man die Methoden der industriellen Messung der komplexen Belastung und der scheinbaren Leistung und die bezüglichen Apparate in der Weise ändern, daß die Messung durch zwei Apparate auszuführen ist, die ähnlich den gewöhnliehen elektrodynamischen oder Induktionswattmetern gebaut und wie für die Messung der wirklichen Leistung geschaltet sind, aber mit Phasenverschiebungen ψ, und \b_n für die beiden elektrodynamischen Apparate bzw. = 15 ° jt α und = 15 ° ~+ α, und Phasenverschiebungen -φ', und \p'„ für die beiden Induktionsapparate bzw. = 105 ° _+ α und = 105 ° T α, wenn es sich um die Messung der ·Gesamtbelastung handelt; mit Phasenverschiebungen \b, und ψ,, bzw. = 42° +_ α und = 42° T a, und Phasenverschiebungen ψ' und ψ', bzw. = 132° +_ α. und = 132 ° ~+ a, wenn es sich um die Messung der scheinbaren Leistung handelt, wobei α irgendein positiver oder negativer Winkel ist.

Bei Messung der komplexen Belastung in ungleichmäßig belasteten Kraftanlagen sind die Phasenverschiebungen ψ, und ψ,, für die beiden elektrodynamischen Apparate bzw. etwa =24° und etwa = 5⁰ 30' zu wählen und die Phasenverschiebungen ψ,' und ψ',' für die beiden Induktionsapparate bzw. etwa = 114° und etwa = 95 ° 30'; man kann nun, ohne daß ein erheblicher Fehler eintritt, die Phasenverschiebung bei dem einen Instrument etwas vergrößern und bei dem andern etwas verkleinern, so daß die Winkel ψ, und ψ,, etwa = 30° und o° sind. Dann ist das eine Instrumentein gewöhnliches Wattmeter. Ebenso können bei Induktionsapparaten die Phasenverschiebungen ψ', und ψ', = 120° und 90° gemacht werden, so daß auch hier einer der beiden Apparate identisch einem gewöhnlichen Wattmeter wird.

Wenn es sich dagegen um die Messung der scheinbaren Leistung handelt, so sind die Phasenverschiebungen ψ, und ψ,, bzw. etwa =72° und etwa = 13 °, und die Phasenverschiebungen \p', und ψ,', sind etwa = 162 ° und etwa = 103 °; somit kann einer der beiden Apparate ohne großen Fehler nach geringer Änderung der Phasenverschiebungswinkel identisch einem ungeänderten Apparat für die Messung der scheinbaren Leistung in Wechselstromlichtanlagen sein.

Demnach können die Phasenverschiebungen ύν und ψ/, näherungsweise zwischen 75° und 70 ° und zwischen 10 ° und 15 °, und die Phasenverschiebungen φ', und φ'_η zwischen 165° und 160° bzw. ioo° und 105 ° liegen.

Ferner können für die Messung der komplexen Belastung die beiden Apparate ähnlich den gewöhnlichen elektrodynamischen oder Induktionswattmetern ausgeführt sein mit Phasenverschiebungen ψ, und Uj₁I beide = o° und Φ', und φ',, beide = 90° (Fig. 4); aber von den Apparaten wird der eine, dessen Spannungsspule entsprechend berechnet ist, mit derselben in der Weise geschaltet, daß die Spannung des Zweiges benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 30 ° zu der entsprechenden ver- ^l ketteten Spannung liegt, welche sonst benutzt würde, wenn der Apparat nach der gewöhnlichen Methode der beiden Wattmeter eingeschaltet würde; der andere Apparat, der einem gewohnlichen Wattmeter identisch ist, wird nach der gewöhnlichen Methode der beiden Wattmeter für die Messung der wirklichen Leistung geschaltet.

Die beiden Apparate können auch ähnlich den gewöhnlichen elektrodynamischen Wattmetern ausgeführt sein, aber mit Phasenverschiebungen ψ, und ψ,, bzw. = 30⁰ und = 6o° (Fig. 5), oder mit Phasenverschiebungen il·, und ψ,, beide = 30⁰ (Fig. 6); dann wird der eine der Apparate nach der gewöhnlichen Methode geschaltet, während der andere mit seiner Spannungsspule so geschaltet wird, daß die verkettete Spannung in Phasenvoreilung von 60 ° oder die Spannung des Zweiges benutzt wird, die in Phasenvoreilung von 30 ° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt.

Schließlich können die beiden Apparate auch ähnlich den gewöhnlichen Induktions-Wattmetern gebaut sein, aber mit Phasenverschiebungen φ'_; und ψ,', bzw. = 60 ° und = 30° (Fig. 7) oder mit Phasenverschiebungen ψ' und 4>'„ beide = 60 ° (Fig. 8); dann wird der eine Apparat mit seiner Spannungsspule so geschaltet, daß eine in Phasenverzögerung von 60° zu der entsprechenden Phasenspannung liegende verkettete Spannung benutzt wird, und der andere wird mit seiner Spannungsspule in der Weise geschaltet, daß die ver-

kettete Spannung benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 60 ° liegt, oder die entgegengesetzte Spannung des Zweiges, die in Phasenverzögerung von 30° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt. Für die Messung der scheinbaren Leistung dagegen können die Apparate unter sich identisch und ähnlich den gewöhnlichen elektrodynamischen oder Induktionswattmetern gebaut sein, aber mit Phasenverschiebungen \\j, und ψ_/; beide = 12° und ψ,' und ψ,', beide etwa = 102 ° (Fig. 13). Dann wird ein Apparat mit seiner Spannungsspule in der Weise geschaltet, daß eine in Phasen Verzögerung von 60° zu der entsprechenden Potentialdifferenz liegende verkettete Spannung benutzt wird; der andere Apparat wird nach der gewöhnlichen Methode für die Messung der wirklichen Leistung geschaltet.

ao Die Apparate können auch unter sich identisch und ähnlich den gewöhnlichen Induktionswattmetern gebaut, aber mit Phasenverschiebungen ψ; und <!>'„ beide etwa = 42 ° (Fig. 14) oder etwa = 72 ° (Fig. 15) versehen sein. Dann wird ein Apparat mit seiner Spannungsspule so geschaltet, daß die entgegengesetzte verkettete Spannung benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 120° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt; der andere wird mit seiner Spannungsspule in der Weise geschaltet, daß die verkettete Spannung benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 60 ° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt. Es kann auch einer der beiden Apparate, deren Spannungsspulen in geeigneter Weise berechnet sind, mit seiner Spannungsspule in der Weise geschaltet werden, daß die entgegengesetzte Spannung des Zweiges benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 90° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt; der andere wird mit seiner Spannungsspule so geschaltet, daß die entgegengesetzte Spannung des Zweiges benutzt wird, die in Phasenverzögerung von 30 ° zu der entsprechenden verketteten Spannung liegt (Fig. 15). Um nun bei den erwähnten Meßmethoden für die komplexe Belastung und die scheinbare Leistung in gleichmäßig und ungleichmäßig belasteten Kraftanlagen den Mittelpunkt der Verkettung entbehrlich zu machen, können die Schaltungen so geändert werden, daß eine Spannung zwischen den Polen des Zweiges der Verkettung als Resultante der beiden verketteten angrenzenden Spannungen angesehen wird. Dann werden die Apparate in der Weise geändert, daß die entsprechende Spannungsspule, die sonst die Spannung des Zweiges benutzen würde, durch zwei so berechnete gleiche Spannungsspulen ersetzt wird, daß in dem gemeinsamen Feld der beiden Stromkreise die bestimmte Phasenverschiebung erlangt wird (Fig. 4', 6', 8' 12' und 15').

In den Fällen, wo für die Messung zwei Apparate verwendet werden, können dieselben unabhängig voneinander arbeiten (wobei das Meßergebnis durch Summierung zweier Ablesungen erlangt wird), oder beide Apparate können auf ein einziges Zifferblatt wirken (bei Meßapparaten), oder sie können eine gemeinsame Achse beeinflussen (bei Zählern).

Das Anwendungsgebiet des beschriebenen Verfahrens in den verschiedenen Wechselstromsystemen ist somit sehr groß. Auch läßt es sich sowohl für Präzisionsapparate wie für technische Apparate, Indikatoren, Totalisatoren (Integrierapparate), Registrierapparate, Maximalapparate (Differentialapparate), anwenden.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Zähler oder Leistungsmesser zur Messung der komplexen Belastung in Kraftanlagen, bei welchem der Spannungsstrom in an sich bekannter Weise um den Winkel (42: n) ° verschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler oder Leistungsmesser zufolge der für seine Konstante besonders vorgenommenen Einstellung für cos φ = o,9 die genannte komplexe Belastung genau angibt, so daß zwischen cos φ = 0,9 und cos φ = o,5 praktisch die Werte der komplexen Belastung, d. i.

E I I COS φ +

[COS φ -j (i — COS φ)
η J

sich ergeben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der komplexen Belastung in ungleichmäßig belasteten Dreiphasensystemen für Kraftanlagen, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei gewöhnlichen elektrodynamischen oder Induktionszählern, welche nach der gewöhnlichen Methode für Messung der wirklichen Leistung geschaltet sind, wobei einer der Zähler eine Phasenverschiebung ψ bzw. ψ' = o^c bzw. = 90 °, wie für die Messung der wirklichen Leistung besitzt, während der andere eine Phasenverschiebung ψ bzw. ψ' von anderen bestimmten Werten (ψ = 30° und ψ' = I2O°) besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet d urch die Verwendung zweier gewöhnlicher elektrodynamischer oder Induktionszähler mit Phasenverschiebungen ψ bzw. ψ' = o° bzw. = 90°, wie für Messung der wirklichen Leistung, von denen ein Zähler mit geeignet berechneter Spannungsspule so geschaltet ist, daß die Phasenspannung des Zweiges der Verkettung benutzt wird, die in Phasenverzögerung von

30° zu der entsprechend verketteten Spannung liegt' (Fig. 4).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle einer an die Phasenspannung eines Zweiges der Verkettung angeschlossenen Spannungsspule zwei gleiche Spannungsspulen be nutzt werden, die an zwei verkettete Spannungen derart angeschlossen sind, daß das von den beiden Strömen der Spannungsspulen erzeugte gemeinsame Feld die vorher festgesetzte Phasenverschiebung erhält ohne Zuhilfenahme des Nullpunktes (Fig. 4', 6', 8', 12' und 15').

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.