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Schaltungsanordnung zur Anzeige der Unsymmetrie bei Mehrphasen -Wechselstromsystemen
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Anzeige der Unsymmetrie bei Mehrphasen-Wechselstromsystemen,
dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von gleichrichtenden Einrichtungen,
von denen je eine für jede Phase des zu prüfenden Wechselstromsystems bestimmt ist
und einen der ihr zugeführten Wechselspannung entsprechenden Gleichstrom oder eine
entsprechende Gleichspannung erzeugt, je zwei dieser gleichrichtenden Einrichtungen
je ein Meßgerät derart zugeordnet ist, daß das Meßgerät unter dem Einfluß der einander
entgegenwirkenden Gleichströme oder Gleichspannungen der zugehörigen Phasen steht
und bei Auftreten eines Differenzwertes diesen anzeigt.
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Eine solche Schaltungsanordnung bietet die Möglichkeit, sofern man
bei einem z. B. dreiphasigen Wechselstromsystem die eine Phasenspannung auf einen
gewünschten Wert mittels eines Spannungsmessers eingeregelt hat, die beiden anderen
Phasenspannungen nachzuregeln, bis die Strom- oder Spannungsmesser der Prüfschaltung
z. B. den Ausschlag »o« aufweisen. Die Prüfschaltung nach der Erfindung gestattet
somit eine genaue Uberwachung und Einstellung der Symmetrie eines Dreiphasen-Wechselstromsystems,
wie es z. B. für die Eichung und Prüfung von Drehstromleistungs- und Leistungsfaktormessern
notwendig ist. In gleicher Weise kann auch ein Einsatz bei Wechselstromsystemen
mit mehr als drei Phasen erfolgen.
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Soweit Einrichtungen zum Messen oder Registrieren der Unsymmetrie
in Mehrleiteranlagen bereits bekannt -sind, wirkt z. B. eine der Anzahl
der
Leiter entsprechende Anzahl spannung- oder strommessender Systeme auf einen gemeinsamen
unstarren Zeiger ein, der bei eintretender Unsymmetrie der treibenden Resultierenden
nach jeder beliebigen Richtung seiner Bestreichungsfläche frei folgen kann.
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Weiterhin hat man zur Anzeige der Unsymmetrie durch eine der Phasenzahl
entsprechende Zahl von wattmetrischen Systemen Kulissen so bewegt, daß der Schnittpunkt
der Kulissen die jeweilige Lage des Spannungsnullpunktes darstellt.
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Sofern man zum Nachweis der Symmetrie des Spannungsdreiecks eines
verketteten Dreiphasensystems und zur Anzeige von Abweichungen von der Symmetrie
zwei zeigertragende Meßgeräte benutzte, wurden solche Meßgeräte verwendet, die jedes
aus zwei vorzugsweise eisengeschlossenen dynamometrischen, miteinander gekoppelten
und richtkraftlos ausgeführten Meßwerken bestehen, so daß der Ausschlag jedes der
beiden Zeiger eine Funktion des Verhältnisses je einer Spannung zu der dritten als
Bezugsspannung gewählten Spannung ist.
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Um den Betrieb eines Netzes. hinsichtlich seiner Belastung zu überwachen,
hat man unter Verwendung zweier in den Phasen einer Drehstromleitung liegender Stromwandler
und einer aus einem ohmschen und induktiven Widerstand bestehenden Kunstschaltung
einen der Unsymmetriekomponente des Drehstromes entsprechenden Strom gewonnen, der
unter anderem einen Transformator speist, an dessen Sekundärseite ein Anzeige- und
Registriergerät angeschlossen ist Schließlich hat man zur tberwachung der Symmetrie
der Spannungen oder Leistungen eines Drehstromsystems eine Schaltung verwendet,
in der das Meßsystem eines Relais oder Meßgerätes von dem Strom in einer der drei
Verbindungsleitungen erregt wird, über welche eine Kunstschaltung mit den drei Phasenleitern
eines Netzes oder den Sekundärwicklungen an dieses Netz angeschlossener Spannungswandler
direkt verbunden ist.
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Bei keinem der vorstehend aufgeführten bekannten Geräte, insbesondere
bei denen, die mit mechanischer Kupplung arbeiten, läßt sich eine so hohe Anzeigegenauigkeit
wie bei der Erfindung erreichen, da man bei der Schaltung gemäß der Erfindung jederzeit
in der Lage ist, die Spannungspfade untereinander in einer einphasigen Messung zu
vergleichen. Da diese Vergleichsmessungen in kurzem Wechsel mit den eigentlichen
Messungen vorgenommen werden können, läßt sich der Einfluß von Alterungserscheinungen
und Temperatureinwirkungen weitgehend beseitigen. Da schließlich die Kupplung der
Wechselspannungen nur über Gleichstrombrücken erfolgt, bleiben die bei elektrodynamischen
Meßwerken gefürchteten, zu Phasenfehlern führenden Gegeninduktivitäten ohne Einfluß.
Dieser Vorteil bringt es mit sich, daß das Gerät jederzeit in einphasiger Schaltung
überprüft werden kann. Infolge der Verwendung von Gleichrichtern ist der Frequenzbereich
des Gerätes sehr groß, so daß selbst bei Hochfrequenz noch gute Ergebnisse erzielt
werden dürften. Überdies gibt die Schaltung gemäß der Erfindung bei Unsymmetrien
an, welche Phase vom Fehler betroffen ist, so daß aus der Anzeige zu entnehmen ist,
welche Phase gegebenenfalls nachgeregelt werden muß, während bei den bekannten Geräten
nur die Größe des Gegendrehfeldes angezeigt wird.
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Zur Vervollständigung des Standes. der Technik ist noch auf eine
Spannungskonstanthalteeinrichtung hinzuweisen, bei der die vorhandenen drei Gleichrichter
je auf ein Potentiometer mit Parallelkondensator arbeiten. Zwei Potentiometer-Abgriffspannungen
sind in Reihe der dritten Potentiometer-Abgriffspannung gegengeschaltet, so daß
bei einem symmetrisch ausgeregelten Netz eine bestimmte Störspannung entsteht im
Gegensatz zur Nullanzeige der Meßinstrumente in der Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung. Bei dieser Spannungskonstanthalteeinrichtung ist die Spannung am Abschlußwiderstand
lediglich ein Maß für die Summe der' in den drei Phasen fließenden Ströme und nicht
für deren Symmetrie. Es sind daher auch keine Meßgeräte vorhanden, die mit dem Abschlußwiderstand
zusammenarbeiten und den Symmetriezustand anzuzeigen vermögen.
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Zur Erläuterung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in
den Fig. I bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt.
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In der Fig. I sind für jeden Spannungspfad Stromwandler Tor1, Tr2
und Tr3 vorgesehen, die unter Verwendung eines Stern-Dreieckschalters S1 mit dem
zu prüfenden Drehstromnetz R/S/T über die Klemmen UIVIW zu verbinden sind. Die hierbei
eingeschalteten Reihenwiderstände R1, R2 und R3 dienen dazu, die Wechselspannungen
in Ströme umzuformen. Sie müssen zu diesem Zweck phasen-und betragsmäßig untereinander
gleich sein. An die Sekundärwicklungen der StromwandlerTr1...
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Tr3 sind Gleichrichtersätze G11, G12 und Gls in Graetzschaltung angeschlossen,
die gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind. Zu den beiden Gleichrichtersätzen
G11 und G13 sind Drehspulinstrumente Jt und J2 mit Parallelkondensatoren C und C2
parallel geschaltet. Die Parallelkondensatoren C1 und C2 wirken als Glättungskondensatoren.
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In der Schaltungsanordnung der Fig. I sind demnach drei den drei Phasen
des Wechselstromsystems entsprechende Gleichrichtersätze, die, durch die Wechselspannungen
angeregt, diesen entsprechende Gleichströme abgeben, in Reihe geschaltet. Der einer
Wechselspannung entsprechende Gleichstrom, der vom Gleichrichtersatz Gl2geliefert
wird, wird den Strommessern J1 und J2 entgegengesetzt zu den Gleichströmen zugeführt,
die von den Gleichrichtersätzen G11 und G18 unter dem Einfluß der beiden anderen
Wechselspannungen geliefert werden.
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In der Annahme, daß die drei Spannungen des Drehstromnetzes untereinander
gleich sind, wird von jedem Gleichrichtersatz Gel. . . GI, ein Gleichstrom gleicher
Größe abgegeben, so daß sich die Gleichströme durch das Drehspulinstrument J1 aufheben,
ebenso wie die Gleichströme durch das
Drehspulinstrument J2. Demzufolge
wird, wenn z. B. die Drehspulinstrumente mit dem Skalennullpunkt in der Mitte verwendet
werden, in keinem Fall ein Ausschlag erfolgen.
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Liefert dagegen infolge höherer Phasenspannung an der Klemme U der
Gleichrichtersatz Gll mehr Strom als der Gleichrichtersatz Gel2, so fließt der überschüssige
Strom z. B. durch das Drehspulinstrument Jt von oben nach unten. Umgekehrt ist es,
wenn der Gleichrichtersatz Gll weniger Strom als der Gleichrichtersatz Gl2 abgibt.
Das gleiche gilt für das Drehspulinstrument J2 bei Abweichen der Phasenspannung
an der Klemme W. Man kann also an dem Ausschlag der Drehspulinstrumente erkennen,
ob eine der auf den Gleichrichtersatz Gll oder Gl3 wirkenden Spannungen größer oder
kleiner als die auf den Gleichrichtersatz Gl2 wirkende Spannung ist. Aus dem Ausschlagwinkel
kann man ablesen, wie groß die Differenz der verglichenen Spannungen ist; die Skalen
der Drehspulinstrumente J1 und Jo können z. B. in Volt geeicht sein.
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Man kann an Stelle der Drehspulinstrumente z. B. auch Instrumente
verwenden, deren Kern ebenfalls in einem permanenten Magnetfeld liegt, der aber
eine Drehspule und eine fest mit dieser verbundene Kompensationsspule (elektrische
Feder) trägt. Solche Instrumente werden mit T-Spul- oder Kreuzspulinstrument bezeichnet.
In der Fig. 2 ist ein in der gleichen Weise wie in der Fig. I arbeitendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt.
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Hier müssen die Kompensationsspulen (elektrische Federn) über einen
Gleichrichtersatz (z. B. Gel4) unter Verwendung eines weiteren Stromwandlers (z.
B. Tr4) aus einer der verketteten Spannungen (z. B. an den Klemmen V/W) gespeist
werden.
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Ihre Skalen können in Abweichung von den Drehspulinstrumenten der
Fig. I in Prozent der Meßspannung geeicht sein, weil die Rückstellkraft der Drehspule
sich proportional zur verketteten Spannung (VIW) ändert.
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Hat man in dem Ausführungsbeispiel der Fig. I den Schalters in die
gezeigte Lage gelegt, also z. B. auf »Stern« geschaltet, so kann man bei durch den
Ausschlag des Drehspulinstrumentes J1 bzw.
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J2 festgestellter Unsymmetrie die drei Phasenspannungen (an den Klemmen
UIV/W) so lange einregeln, bis beide Drehspulinstrumente keine Ausschläge aufweisen.
Man wird vorher zweckmäßig z. B. die Phasenspannung an der Klemme V auf den gewünschten
Wert mittels eines Spannungsmessers einregeln und dann die beiden anderen Phasenspannungen
(an den Klemmen U/W) nachregeln, bis die Drehspulinstrumente J1 und J2 Null zeigen.
Zweckmäßig ist es, durch Umlegen des Schalters S1 in die entgegengesetzte Lage auf
»Dreieck« zu schalten und dann nochmals nachzuprüfen, ob die Drehspulinstrumente
einen Ausschlag aufweisen, um dann gegebenenfalls wieder nachzuregeln. Besonders
ist dies dann zweckmäßig, wenn die Regler zu grob sind, um den Unsymmetriefehler
restlos beseitigen zu können. Aus der Anzeige in der Dreieckschaltung läßt sich
außerdem leichter ein eventueller Winkelfehler oder Betragsfehler berechnen.
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Es sei noch erwähnt, daß die Reihenwiderstände .... . R5 und die
Stromwandler Trl Trl . . . Tr3 genau abgeglichen sein müssen. Es ist erwünscht,
daß die Leistungsaufnahme in den Reihenwiderständen mindestens Iooomal größer ist
als die Eigenverluste der Gleichrichtersätze. Die Gleichrichter werden zweckmäßig
so gewählt, daß das Verhältnis zwischen ihrem Sperrwiderstand zu ihrem Durchlaßwiderstand
möglichst groß ist, wie z. B. bei Germaniumdioden. Man kann die Durchlaß- und die
Sperrwiderstände mit ohmschen Widerständen aufeinander abgleichen.
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Um die Schaltungsanordnung auf ihre Genauigkeit zu überprüfen, legt
man den Schalter S1 in die gezeichnete Lage (Sternschaltung) und legt die drei Klemmen
U/VIW an den einen und den bisher freigelassenen Verbindungspunkt o an den anderen
Pol einer einphasigen Wechselspannung. Die Drehspulinstrumente J1 und J2 müssen
dann Null anzeigen. Der Zeiger darf auch nicht aus dieser Lage herausgehen, wenn
man die angelegte Spannung, welche gleich U Nennspannung 413 ist, bis auf einen
Bruchteil verringert. Zusätzlich muß man die gleiche Stromübersetzung der bei Wandler
Trl. . . Tr3 und die Gleichrichtersätze Glt... Gl3 überprüfen. Zu diesem Zweck legt
man bei der Sternschaltung an die Klemmen U und V eine einphasige Wechselspannung
der Größe 2 U NennspanniLng #3 und geht wieder auf den gleichen Bruchteil herunter.
In dem gesamten Bereich darf das Drehspulinstrument J1 keinen Ausschlag zeigen.
Das gleiche muß dann an den Klemmen V und W und dem Drehspulinstrument J2 wiederholt
werden. Verwendet man wie in der Fig. 2 T-Spulinstrumente, so muß an ihre elektrische
Feder eine Hilfsspannung angelegt werden.
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Ein verschiedener Oberwellengehalt der drei Spannungen kann zu Störungen
in der Anzeige führen. In diesem Falle wird es zweckmäßig sein, in den Spannungspfaden
entsprechende Siebglieder, z. B. Kondensatoren, die in den Spannungspfaden parallel
zu den Wandlerwicklungen und einem Teil der Reihenwiderstände liegen, vorzusehen.
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In ähnlicher Weise, wie eben beschrieben, lassen sich auch Wechselstromsysteme
mit mehr als drei Phasen auf Symmetrie überprüfen, wenn man eine der Zahl der Phasen
entsprechende Zahl von Reihenwiderständen, Wandlern und Gleichrichtersätzen zu einer
der Fig. I entsprechenden Brückenschaltung zusammenfaßt. Ein Schema für die Schaltung
der Gleichrichtersätze mit den Parallelkondensatoren und Drehspulinstrumenten ist
in der Fig. 3 wiedergegeben.
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Für hohe Spannungen (etwa 500 V und mehr) kann ein Stromwandler erspart
werden, wenn in
dem einen Spannungspfad dafür ein Widerstand (z.
B. Kupferwiderstand) direkt eingeschaltet wird, da mit den beiden anderen Spannungspfaden
keine galvanische Verbindung besteht. Die Größe des Widerstandes entspricht der
Größe des Widerstandes der Wandlerprimär- und -sekundärwicklung. In der Fig. 4 ist
hierfür ein Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Man kann den Spannungsvergleich auch so durchführen, daß man die
aus je zwei Wechselspannungen gewonnenen Ströme oder Spannungen zwei getrennten,
mechanisch miteinander gekuppelten Meßsystemen (z. B. je zwei Dreheisensystemen
oder je zwei Drehspulsystemen mit Gleichrichtern) zuführt. Da die Systeme gegeneinander
arbeiten, ergibt sich bei Spannungsübereinstimmung kein Ausschlag.
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In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel mit zwei Stromwandlern
in dem mittelsten Zweig gezeigt. Die Anzeigen der Drehspulinstrumente sind hierbei
bis in das Gebiet großer Differenzen hinein nur von den zwei benachbarten Spannungen
abhängig. Dadurch, daß ein Gleichrichter bei großen Differenzen bis über die Knickspannungen
hinaus mit Gleichstrom beaufschlagt wird, wenn die Spannungsdifferenz sehr groß
ist, wirkt er als Nebenschluß für das Instrument, und die Skala wird an den Enden
stark gedrängt. Diese Erscheinung kann vorteilhaft zur leichteren Grobeinstellung
verwendet werden. Außerdem wird das empfindliche Drehspulinstrument vor Beschädigung
beim Einschalten geschützt. Es kann auch zweckmäßig sein, durch besonders ausgebildete
Luftspalte in den Instrumenten eine an den Enden noch zusätzlich gedrängte Skala
zu erzeugen.
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Es kann auch eine sehr einfache Sternschaltung Anwendung finden,
wie sie in der Fig. 6 dargestellt ist. Diese Schaltung verlangt allerdings bei großen
Genauigkeiten eine verhältnismäßig hohe Phasenspannung.
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An Stelle von Gleichrichtersätzen können auch Thermoumformer verwendet
werden. Das ist bei hohen Frequenzen und starken Kurvenformfehlern vorteilhaft.
Da die durch die Wechselspannungen des Wechselstrom systems angeregten Thermoumformer
Gleichspannungen abgeben, also als Spannungsquellen aufzufassen sind, erfolgt eine
Parallelschaltung. Die einer Wechselspannung entsprechende Gleichspannung wird dann
den Spannungsmessern, die unter dem Einfluß der den anderen Wechselspannungen entsprechenden
Gleichspannungen stehen, entgegengesetzt zugeführt. Dies ist aus dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 7 ohne weiteres zu erkennen. DieThermoumformer TU1 . . .
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TUS werden von entsprechenden Stromwandlern Tor1, Tr2 und Tr3 (vgl.
Fig. I) angeregt. Die von ihnen abgegebenen Gleichspannungen werden in der aus der
Fig. 7 ersichtlichen Weise an die Drehspulinstrumente J1 und J2 angelegt. Die Wirkungsweise
dieser Schaltungsanordnung ist die gleiche.