DE616904C - - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 7, AUGUST 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 4os

S 103382 VIII φι g Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 11. Juli

Patentiert im Deutschen Reiche vom 23. Februar 1932 ab

Es ist bekannt, für Relais und Meßzwecke Ferrarissysteme, bei denen ein Triebmagnet einen durch einen Kurzschlußring abgeschirmten Polteil besitzt, zu verwenden. Das Drehmoment solcher Meßsysteme ist ungefähr dem Quadrat des Kraftflusses des Triebmagneten proportional. Weil aber der durch den Kurzschlußring erzeugte Hilfsfluß mehrere Möglichkeiten hat sich zu schließen, z. B. derart, daß ein Teil des Kraftflusses den Luftspalt für den Anker nur einmal, ein anderer Teil den Luftspalt zweimal und noch ein anderer Teil den Luftspalt überhaupt nicht durchsetzt, und weil sich die Verteilung der Kraftlinien auf die verschiedenen möglichen Kraftlinienwege mit der Höhe der Magnetisierung ändert, läßt sich der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Gesamtkraftfluß bzw. Erregerstromstärke nicht durch ein einfaches mathematisches Gesetz ausdrücken, sondern nur experimentell bestimmen. Für Meßgeräte, bei denen nur ein einziger Triebmagnet auf die Ferrarisscheibe einwirkt und eine Feder als Richtkraft dient, wird hierdurch lediglich die Skalencharakteristik beeinflußt. Wenn aber die auf dasselbe Ferrarissystem einwirkende Richtkraft ebenfalls von einer Meßgröße abhängig ist, entspricht das Verhalten des Ferrarisrelais nicht eindeutig der Differenz oder dem Größenverhältnis der auf das Relais einwirkenden Meßgrößen.

Dies macht sich besonders bei Ferrarismeßwerken für Impedanz- oder Reaktanzreiais bemerkbar. Da bei solchen Relais der Stromtriebmagnet, wenn das Relais arbeiten soll, in erheblich stärkerem Maße erregt wird als der Spannungstriebkern, ist das Meßsystem nicht in der Lage, das Verhältnis aus Strom und Spannung richtig wiederzugeben.

Erfindungsgemäß wird bei einem Ferrarisrelais oder einem Ferrarismeßinstrument ein Magnetsystem mit unterteilten Polen benutzt, das eine an sich bekannte, die Polteile in entgegengesetztem Sinne gleichermaßen magnetisierende Hilfswicklung besitzt, und bei dem die Hilfswicklung von einem Strom der gleichen Frequenz wie der der Hauptwicklung gespeist wird und zusammen mit der Hauptwicklung auf ein bewegliches System einwirkt, dessen Ausschlag nicht eindeutig der Stärke der Erregung des Magnetsystems zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird die Abhängigkeit der Empfindlichkeit und der Genauigkeit des Meßwerkes des Relais oder Meßinstrumentes erhöht. Da die Polteile durch die Hilfswicklung gleichermaßen und in entgegengesetztem Sinne magnetisiert werden, gehen von diesen Polteilen zwei Kraftflüsse aus, welche den Luftspalt mit dem Ferrarisanker in entgegengesetzter Richtung durchsetzen, deren Gesamtwert aber Null ist. Alle Kraftlinien des von der Hilfswicklung

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hermann Neugebauer in Berlin-S'pandau.

hervorgerufenen Hilfsfeldes werden gezwungen, immer ein und denselben Weg zu neh-. men. Die Phasenlage dieses von Pol zu Pol durch den Luftspalt verlaufenden Hilfskraftflusses ist gegen den Hauptkraftfluß künstlich derart versetzt, daß Haupt- und Hilfsfluß zusammen ein Drehmoment ergeben.

Die Erregung der Hilfswicklung kann auf die verschiedenste Weise erfolgen. Beispielsweise kann die vom Hauptfluß in· einer Hilfswicklung induzierte Spannung einen Strom über die Hilfswicklung treiben, wobei dafür gesorgt sein muß, daß der Strom in der Hilfswicklung gegen den Hauptfluß des Triebmagneten in der Phase verschoben ist. Man kann auch die Haupterregerwicklung und die Hilfswicklung einander parallel schalten bzw. die Hilfswicklung einem Teil der Hauptwicklung parallel schalten, wobei ebenfalls die Phasenlage des Stromes in der Hilfswicklung richtig eingestellt werden muß. Es ist nicht notwendig, die Hilfswicklung mit demliaupt-' feld oder dem Erregerstrom der Hauptwicklung irgendwie zu verketten; sie kann auch an eine fremde aber synchrone Wechselstromquelle angeschlossen werden. Man kann auch die Hilfswicklung von der Spannung und die Hauptwicklung vom Strom ein und desselben Wechselstromkreises speisen. Es ergibt sich dabei ein Drehmoment, welches der Blindleistung oder bei Anwendung einer o.o°-Schaltung für einen der Erregerströme der Wirkleistung dieses Wechselstromkreises proportional ist.

Ein Ferrarisrelais mit einem Triebsystem dieser Art eignet sich zum Vergleich der Phasenlage zweier Ströme oder zweier Spannungen oder von Strom und Spannung eines Stromkreises, indem nämlich das Drehmoment, welches dieser Triebmagnet hervorruft, von der Phasenverschiebung zwischen Haupt- und Hilfsfluß derart abhängig ist, daß, wenn die Phasenverschiebung der Erregerströme ein durch künstlich eingestellte Phasenverschiebung beliebig wählbares bestimmtes Maß über- oder unterschreitet, die Drehmomentrichtung wechselt.

Durch die Erfindung lassen sich die bekannten Impedanzmeßwerke, sei es für Anzeigezwecke, sei es für Relaiszwecke, verbessern, indem die Anordnung so getroffen wird, daß die auf eine Ferrarisscheibe einwirkenden Magnete beide oder wenigstens einer von ihnen, z. B. der Strommagnet, einen abgeschirmten Polteil mit einer Hilfswicklung nach der Erfindung besitzt. Während bei dem einen Triebmagneten der Hauptfluß- und der Hilfsfluß von der Stromstärke abhängig sind, kann beim zweiten Triebmagneten der eine der beiden Kraftflüsse vom Strom und der andere von der Spannung abhängig sein, was ohne Schwierigkeit durchzuführen ist, weil der Magnet zwei getrennte Wicklungen trägt, die Hauptwicklung und die Hilfswicklung, welche beide von außen erregt werden müssen. Das Meßwerk ist dann geeignet, irgendeine Phasenkomponente des Widerstandes zu messen, beispielsweise die Wattkomponente oder die Blindkomponente des Widerstandes. Dies gilt sowohl für Ferrarisrelais, deren Anker sich je nach dem Größenverhältnis der beiden Kräfte in eine bestimmte Winkellage einstellt, als auch wenn der Anker nur zwei Stellungen kennt und immer nach derjenigen Seite ausschlägt, nach welcher die größere Kraft zieht.

Ein Ausführungsbeispiel erläutert die Erfindung. Darin bedeuten 1 und 2 Triebmagnete und 3 den Ferrarisanker. Auf dem Triebmagneten 1 sitzt eine Haupterregerwicklung 4 und eine Hilfswicklung 5. Die Hilfswicklung speist eine Hilfswicklung 6, welche alle Teile der beiden Magnetpole umfaßt. Mit der Hilfswicklung 6 ist ein Widerstand 7 in Reihe geschaltet, um eine Phasenverschiebung von annähernd 90° zwischen dem Strom in der Hilfswicklung 6 und dem Hauptkraftfluß zu erhalten. Da der Strom in der Hilfswicklung 5 gegen den Strom in der Erregerwicklung 4 um i8o° versetzt ist, ergibt sich, daß der durch die Hilfswicklung 6 hervorgerufene Hilfsfluß gegen den Hauptkraftfluß um 90° versetzt ist. Einzelheiten der 9O°-Schaltung brauchen in diesem Zusammenhang nicht erörtert zu werden. Das Drehmoment des Triebmagneten ι ist also dem Quadrat des Erregerstromes, also beispielsweise des Leitungsstromes, proportional.

Der Triebmagnet 2 besitzt eine Haupterregerwicklung 8 und eine Hilfswicklung 9, die an Anschlußklemmen 10 angeschlossen ist. Nun kann die Anordnung so getroffen werden, daß in der Hilfswicklung 9 ein dem Leitungsstrom proportionaler Strom fließt, wenn der Strom in der Haupterregerwicklung 8 der Leitungsspannung proportional ist. Wenn kein Mittel zur Erzielung einer Phasenverschiebung um 90°, sei es bei der Spannungsspule oder bei der Hilfswicklung, angewendet wird, stehen die Erregerströme in diesen Wicklungen in Phasenübereinstimmung mit no Spannung und Strom im Netz. Das vom Triebmagneten 2 erzeugte Drehmoment ist dann dem Produkt e · i - sin ω proportional. Der Ferrarisanker 3 steht also unter der Einwirkung des Stromquadrates einerseits und der Blindleistung anderseits. Wenn eine der beiden Kräfte, beispielsweise die Kraft des Triebmagneten 1, von dem Ausschlag des Ferrarisankers 3 abhängig ist, stellt sich der Anker bei jedem Verhältnis der wirksamen Drehmomente in eine diesem Verhältnis eindeutig zugeordnete Winkellage. Wenn die Kräfte

der Triebmagnete ι und 2 aber beide von dem Ausschlag des Ankers 3 unabhängig sind, stellt das System ein Relais dar, dessen Anker aus der einen Endlage in die andere Endlage umschlägt, wenn die Differenz der wirksamen Kräfte ihre Richtung wechselt, d. h. bei einem ganz bestimmten Leitungsblindwiderstand. Um auch den störenden Einfluß der veränderlichen magnetischen Charakteristik der Triebmagnete auszuschalten, empfiehlt es sich, die Haupterregerwicklungen 4 und 8 vom Strom und die Hilfswicklung 9 von der Leitungsspannung zu erregen. Der Hilfswicklung 9 kann dann ein Ohmscher Widerstand vorgeschaltet werden, der bewirkt, daß der Strom in dieser Wicklung mit der Spannung genau in Phase ist. Ferner kann man die Wicklung 6 an einen auch bei großen Stromstärken noch ungesättigten Stromwandler, gegebenenfalls kleiner Leistung, anschließen, während der die Wicklungen 4 und 8 speisende Stromwandler das Gebiet der Sättigung erreichen darf. Da die Spulen 4 und 8 vom gleichen Strom durchflossen werden, kann man auch daran denken, die Magneteisen 1 und 2 von einer gemeinsamen Spule zu erregen.

An Stelle eines Ohmschen Widerstandes kann man der Hilfswicklung 9 auch einen induktiven oder kapazitiven Widerstand vorschalten. Das größte Drehmoment entsteht dann bei einer Phasenverschiebung von 90° zwischen Strom und Spannung in der zu schützenden Leitung. Wenn das Triebsystem 2 bei der Phasenverschiebung von 90⁰ arbeiten soll, kann man auch die große Induktivität der Spule 8 ausnutzen, indem man diese an die Spannung legt. Die Wirkung der Sättigung des Strommagneten 1 läßt sich dann dadurch berücksichtigen, daß die Spule 9 vom gleichen Strom wie die Spule 6 durchflossen wird.

Die Erfindung ist, wie schon gesagt, nicht nur bei Relais, sondern auch bei Meßinstrumenten anwendbar, vor allem deshalb, weil die erregte Hilfswicklung die Möglichkeit bietet, zwei Wechselstromgrößen zur Erregung des Relais anzuwenden, wobei es meßtechnisch von Vorteil ist, daß die Hilfswicklung von dem Hauptkraftfluß nicht induktiv beeinflußt wird, so daß also beispielsweise bei dem Triebmagneten 2, wenn die Wicklung 8 am Spannungswandler, und die Wicklung 9 am Stromwandler liegt oder umgekehrt, keine störenden Rückwirkungen zwisehen Spannungswandlerkreis und Stromwandlerkreis auftreten. Es besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, daß Relais für Synchronisierzwecke zu verwenden, indem etwa durch die Drehmomente der beiden Triebmagnete 1 und 2 einerseits die Größen zweier miteinander zu vergleichender Spannungen und bei passendem Anschluß der Hilfswicklungen gleichzeitig auch, die Phasenverschiebung der den zu kuppelnden Netzen angehörenden Spannungen kontrolliert werden kann.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Magnetsystem mit unterteilten Polen für ein Ferrarisrelais oder Ferrarismeßinstrument mit einer an sich bekannten, die Polteile in entgegengesetztem Sinne gleichermaßen magnetisierenden Hilfswicklung, welche von einem Strom der gleichen Frequenz wie der der Hauptwicklung gespeist wird und zusammen mit der Hauptwicklung auf ein bewegliches System einwirkt, dessen Ausschlag nicht eindeutig der Stärke der Erregung des Magnetsystems zugeordnet ist.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubwicklung an eine von dem Hauptkraftfluß induzierte Hilfswicklung angeschlossen ist.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubwicklung der Erregerwicklung des Triebmagneten parallel geschaltet ist.

4. Magnetsystem nach Anspruch 1, da- go durch gekennzeichnet, daß die Schubwicklung an eine andere als zur Erregung des Hauptkraftflusses benutzte Spannungsquelle gleicher Frequenz angeschlossen ist.

5. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubwicklung von der Spannung, die Haupterregerwicklung des Triebmagneten von dem Strom des gleichen Wechselstromkreises erregt wird.

6. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Schubwicklung des Triebmagneten von in ihrer gegenseitigen Phasenlage zu überwachenden Spannungen oder Strömen derart gespeist werden, daß das Drehmoment im Relais seine Richtung wechselt, wenn die zu vergleichenden Ströme oder Spannungen bzw. eine Spannung und ein Strom in der Phasenlage um mehr als ein bestimmtes Maß voneinander abweichen.

7. Relais mit zwei Magnetsystemen nach Anspruch 1, bestehend aus einem beweglichen System, auf welches ein Triebmagnet, dessen Hauptkraftfluß und dessen Hilfskraftfluß vom Leitungsstrom hervorgerufen sind, und ein zweiter Triebmagnet, dessen Haupt- und Hilfskraftfluß einerseits vom Leitungsstrom und andererseits von der Leitungsspannung hervorgerufen ist, entgegengesetzte, von der Stellung des

Ferrarisankers abhängige oder unabhängige Drehmomente ausüben.

8. Relais nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkraftfluß und der HilfskraftfLaß des von Strom und Spannung erregten Triebmagneten gegenüber dem Strom bzw. der Spannung solche Phasenverschiebungen besitzen, daß sie bei Phasengleichheit von Strom und Spannung im Wechselstromkreis das größte Drehmoment entwickeln.

9. Relais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkraftflüsse der Triebmagnete vom gleichen Strom hervorgerufen werden und dem Leitungs-

strom in ihrer 'Phasenlage entsprechen, während der von der Schubwicklung des einen Triebmagneten erzeugte Hilfsfiuß dem Leitungsstrom in Phase und Größe entspricht.

10. Relaisanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubwicklung des einen Triebmagneten an einen besonderen Wandler kleiner Leistung mit auch bei starkem Primärstrom ungesättigtem Kern angeschlossen ist, der entweder unmittelbar vom Leitungsstrom oder mittelbar vom Sekundärstrom eines Stromwandlers größerer Leistung erregt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen