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Schaltungsanordnung zur Messung der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen gleicher Frequenz
In grossen elektrischen Anlagen werden Einrichtungen verwendet, die den Phasenwinkel zwischen zwei elektrischen Messgrössen, vorzugsweise den Leistungsfaktor, zur Anzeige bringen und diesen mittels eines schreibenden Gerätes fortlaufend aufzeichnen, so dass man sich jederzeit ein Urteil über den Zustand und die Arbeitsweise des Anlageteiles, nämlich ob Lieferung oder Bezug der Leistung vorliegt, machen kann.
Es ist ein elektrodynamisches Quotientenmesswerk bekannt, das zur Anzeige des Leistungsfaktors, insbesondere des Phasenwinkels zwischen elektrischen Messgrössen, die gegeneinander in kapazitiver oder induktiver Lage Winkel bis zu 1800 einschliessen können, dient. Dieses Messwerk hat einen komplizierten mechanischen Aufbau, denn bei diesem sind für eine Vierquadrantenmessung des Phasenwinkels Schleifringe und Bürsten als Stromzuführung notwendig.
Ausserdem ist es bekanntlich in grösseren Messanlagen notwendig, elektrodynamische Quotientenmesswerke mit verschiedenen Messbereichen einzusetzen; hei zu war bislang eine Veränderung des beweg- lichen Messsystems erforderlich.
Auch die Fernübertragung des Leistungsfaktors war bislang schwierig, weil hiezu ein Wirkleistungsmessumformer und ein Blindleistungsmessumformer sowie zur Quotientenbildung ein elektrodynamischer Quotientenmessumformer verwendet werden mussten.
Es ist weiters eine Einrichtung bekanntgeworden, mit der die sich über zwei oder mehrereQuadranten erstreckende Phasenverschiebung mittels einer Umschaltung in den beiden Verstärkerkanälen in den ersten Quadranten transferiert wird. Mit dieser Einrichtung ist eine hohe Genauigkeit der Anzeige der Phasenverschiebung nur für Wechselspannungen ohne Oberwellenanteile gewährleistet. Die Einrichtung ist daher zur Anzeige der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen, wie sie in Industrieanlagen mit Oberwellenanteilen auftreten, nicht anwendbar.
Schliesslich ist ein Verfahren zur Messung des Phasenunterschiedes zweier Wechselspannungen bekanntgeworden, bei welchem die beiden Messwechselspannungen, deren Phasenlage gegeneinander gemessen wird. Röhrenverstärkern zugeführt sind, die stark übersteuert werden. Mittels der den Verstärkern nachgeschalteten RC-Glieder werden Spannungsimpulse erzeugt, die einer Kippschaltung zugeführt werden. Die Kippschaltung, die aus zwei gleichstromrückgekoppelten Röhren besteht, kippt bei richtiger Einstellung im Takt der Impulse ; die Anodenströme der beiden Röhren sind ein direktes Mass für die Phasenverschiebung der Messwechselspannungen. Auch bei dieser Schaltung sind Einrichtungen zur Unterdrückung der Oberwellen der Wechselspannungen nicht enthalten, deren Phasenverschiebung gemessen werden soll.
Ein Auftreten von Oberwellenanteilen, die die beiden Messspannungen im gleichen Masse befallen, beeinflusst zwar nicht die Messgenauigkeit ; dagegen ist die Anzeige der Anodenströme des rückgekoppelten Verstärkers mit Fehlern behaftet, wenn die Messspannungen untereinander mit Oberwellenanteilen ungleicher Grösse beaufschlagt sind.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen gleicher Frequenz, insbesondere zur Messung der gegenseitigen Phasenlage zwischen
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einem Wechselstrom und einer Wechselspannung für die Anzeige eines Leistungsfaktors mittels Strombzw. Spannungsimpulsen, die die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der Wechselstromgrössen markieren und deren zeitlicher Abstand über eine gegensinnig gesteuerte bistabile Kippstufe in einem Zeigerinstrument angezeigt wird, bei welcher die genannten Nachteile bei der Leistungsfaktormessung vermieden werden und überdies die Fernübertragung desselben erleichtert wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von Oberwellen des gegebenenfalls von einem Stromwandler gelieferten Wechselstromes eine einem der beiden Messeingänge nachgeschaltete Drosselkette in 71"Schaltung dient, während zur Unterdrückung von Oberwellen der Wechselspannung eine weitere Drosselkette in T-Schaltung an dem andern Messeingang vorgesehen ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind den Drosselketten Begrenzungsgleichrichter, insbesondere Zenerdioden, zur Spannungsbegrenzung nachgeschaltet, wobei der Drosselkette inT-Schaltung der Begrenzungsgleichrichter unmittelbar und der Drosselkette in -Schaltung der Begrenzungsgleichrichter in Serie mit einem Widerstand, dessen Grösse den 7 - 10fachen Wert des Wellenwiderstandes der Drosselkette beträgt, nachgeschaltet sind.
Vorzugsweise ist hiebei zur Kompensation des Temperaturganges bei niedriger Zenerspannung der als Begrenzungsgleichrichter dienenden Zenerdiode eine Widerstandskombination mit negativem Temperaturkoeffizienten vorgeschaltet.
Gemäss einem andern Merkmal der Erfindung zur Messung der gegenseitigen Phasenverschiebung zweier Wechselspannungen, die beispielsweise in gleiche Phasenlage zu bringen sind, sind zur Unterdrückung von Oberwellen an den Messeingängen für beide Wechselspannungen Drosselketten in T-Schaltung angeordnet.
Die Unterdrückung von Oberwellen ist deshalb wesentlich, da das Prinzip zur Messung mit der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung darauf beruht, dass die Nulldurchgänge der beiden periodischen Signale, z. B. der Wechselspannung des Wechselstromes, genau festzulegen sind. Ein durch Oberwellen verzerrtes Signal kann eine zeitliche Verschiebung des Nulldurchganges bedingen und Messfehler für die Anzeige des Phasenwinkels erzeugen.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung bei einer Leistungsfaktormessung beruht im wesentlichen darauf, dass zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge einerseits der Wechselspannung und anderseits des Wechselstromes kurzzeitige Impulse erzeugt werden. Zur Erzeugung dieser Impulse werden die Wechselstromsignale mittels Zenerdioden begrenzt, so dass Impulse von der Dauer jeweils einer Halbperiode erzeugt werden. Die Spannung dieser Impulse wird nun mit Hilfe von Widerstand-Kondensatorschaltungen differenziert, so dass sich jeweils nur zu Beginn und am Ende dieser Impulse am Ausgang dieser Differenzierschaltungen Spannungsspitzen ergeben. Diese Spannungsspitzen markieren somit die Zeitpunkte sämtlicher Nulldurchgänge.
Da jedoch je Periode nur jeweils ein Nulldurchgang einer der Wechselstromgrössen benötigt wird, sind von diesen Impulsen jeweils nur die Impulse einer einzigen Polarität durchzulassen. Die Auswahl der Impulse gleicher Polarität erfolgt in den beiden Impulsformerschaltstufen. Diese beiden Schaltstufen sind mit denEingängen einer bistabilen Kippstufe verbunden, die dem Drehspulmesswerk selbst vorgeschaltet ist. Hiedurch ergibt sich je Periode eine Einschaltdauer der Kippstufe, die proportional der Phasendifferenz zwischen den beiden Wechselstromgrössen ist. Das Messinstrument zeigt nämlich den zeitlichen Mittelwert der Gleichstromimpulse an, der in einem linearen Verhältnis zu der gegenseitigen Phasenlage der zwei elektrischen Wechselstromgrössen steht.
Während jeder Periode der Wechselstromgrössen ist zu einem Zeitpunkt bei Nulldurchgang einer der beiden Wechselstromgrössen der Beginn des das Drehspulmesswerk durchfliessenden Gleichstromimpulses festgelegt und zu einem Zeitpunkt bei Nulldurchgang der andern Wechselstromgrösse ist das Ende des Gleichstromimpulses erreicht. Der von dem Drehspulmesswerk angezeigte mittlere Strom ist also linear von der Phasenverschiebung abhängig.
Bei einer praktischen Anwendung der erfindungsgemässen Anordnung für eine Anzeige des Phasenwinkels zwischen einer Wechselspannung und einem Wechselstrom, der in kapazitiver oder induktiver Lage Winkel bis zu 1800 mit der Wechselspannung einschliessen kann, ist der Wechselstrom über einen Stromwandler dem Eingang der Messanordnung derart zugeführt, dass die stromseitigen und spannungsseitigen Steuerimpulse für die bistabile Kippstufe bei einer Phasenverschiebung von 1800, insbesondere bei Gegenphasenlage zwischen den elektrischen Signalen, zeitlich zusammenfallen und der Zeiger des Drehspulmesswerkes keinen Ausschlag aufweist. Bei Voreilen des Wechselstromes gegenüber der Wechselspannung fliesst ein minimaler Gleichstrom, der auf den halben Wert des Vollausschlages ansteigt, wenn Wechselspannung und Wechselstrom gleiche Phasenlage besitzen.
Bei Nacheilen des Wechselstromes steigt der Gleichstrom bis zum vollen Nennwert an, um bei Eintreten des Wechselstromes in die
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Gegenphasenlage zur Wechselspannung wieder auf Null abzufallen.
Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert. In Fig. 1 ist die Gesamtschaltung für eine Anzeige einer Vierquadranten-Messung eines Phasenwinkels dargestellt. Fig. 2 zeigt in einem Schaudiagramm den Zeigerausschlag des Drehspulinstrumentes in Abhängigkeit von der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen. Für einen Wechselstrom I, der beispielsweise gegenüber einer Wechselspannung U um 900 nacheilt, sind in der Fig. 3 Spannungsverläufe der strom- und spannungsseitigen periodischen Signale, die in den verschiedenen Schaltstufen auftreten, schematisch dargestellt ; hiebei beziehen sich die Indizes der Spannungen auf zugehörige Klemmen der in der Fig. 1 dargestellten Schaltstufen.
Nach der Fig. 1 besitzt die erfindungsgemässe Anordnung zur Anzeige der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen Mund einDrehspulinstrument l, das an den Ausgang M einer als elektronischer Schalter dienenden bistabilen Kippstufe 2 angeschlossen ist ; die bistabile Kippstufe 2 besteht aus Baugruppen mit passiven und aktiven Bauelementen, die voneinander unterschiedliche Zustände annehmen können und die durch elektrische Steuerimpulse über die Eingänge D, H von einem in den andern Zustand gesteuert werden können.
Die Wechselspannung At ist an den Eingang einer Drosselkette 3 in T-Schaltung angeschlossen, an die ausgangsseitig eine Zenerdiode 4 angeschlossen ist, die im wesentlichen ausserhalb ihres Zenerknickes, d. h. in ihrem geradlinigen Kennlinienanteile betrieben wird. Zur Gewinnung von Steuerimpulsen ist eine Differenzierstufe 5 der Zenerdiode 4 parallelgeschaltet. Zur Umformung von Signalen, die ihre Amplitude zeitlich langsam ändern, in Steuerimpulse mit steiler Anstiegs- und Abfallflanke ist die Impulsformerschaltstufe 6 dem Eingang D der bistabilen Kippstufe 2 vorgeschaltet.
Der Wechselstrom Y wird zur Übersetzung auf einen geringeren Wert über einen Stromwandler 7 geführt, an dessen Sekundärseite eine Drosselkette 8 in ! r-Schaltung angeschlossen ist. Der Abschluss- widerstand der Drosselkette 8 besteht aus einem vierteiligen Schaltungsgebilde, bei dem ein Widerstand 9, dessen Wert wesentlich grösser ist als der des Wellenwiderstandes der Drosselkette 8, in Serie mit zwei parallel liegenden Widerständen 10,11 einander entgegengesetzten Temperaturganges und einer Zenerdiode 12 geschaltet ist ; im vorliegenden Falle erfüllen die Widerstände 10,11 den Zweck, den Temperaturgang der Zenerspannung zu vermeiden, so dass an der Zenerdiode 12 eine in gewissen Grenzen weitgehend konstante Spannung auftritt.
An den Ausgang der Zenerdiode 12 ist eine Differenzierstufe 13 angeschlossen, der eine Impulsformerschaltstufe 14 nachgeschaltet ist ; die stromseitigen Schaltstufen 13,14 entsprechen im Aufbau den spannungsseitigen Schaltstufen 5, 6 ; der Ausgang der Impulsformerschaltstufe 14 ist mit dem Eingang H der bistabilen Kippstufe 2 verbunden.
Die erfindungsgemässe Anordnung arbeitet folgendermassen :
Die Wechselspannung M wird an die Klemmen A, A'der Drosselkette 3 angeschlossen ; hiebei isr der von der Drosselkette 3 gelieferte Strom von Oberwellenanteilen befreit und gelangt zur Zenerdiode 4. An den Punkten B und B' entsteht eine Wechselspannung mit relativ gut ausge- bildeterRechteckform ; führt zu einem bestimmtenZeitpunkt beispielsweise der Punkt B positives und der Punkt Bu negatives Potential, so wird die Zenerdiode 4 in Durchlassrichtung gesteuert und an ihren Elektroden tritt kein Spannungsabfall auf.
Während der andern Halbwelle des Stromes bei entgegengesetzten Potentialen an den Punkten B und B'wird die Zenerdiode 4 in Sperrichtung im wesentlichen ausserhalb ihres Zenerknickes im geradlinigenKennlinienteil betrieben, wobei ein Spannungsprung UB, wie die Fig. 3 zeigt, mit relativ flachen Flanken in der Höhe der Zenerspannungen steht.
Die nachfolgende Differenzierstufe 5 erzeugt bei den Nulldurchgängen der Spannungssprünge positiv und negativ gerichtete Impulse Uc. Die nachfolgende Impulsformerschaltstufe 6 liefert an ihren Ausgang versteilerte Steuerimpulse gleicher Polarität, die dem Eingang D der bistabilen Kippstufe 2 zugeführt sind ; nach der Fig. 3 werden die mittels strichlierter Linien dargestellten stromseitigen sowie spannungsseitigen Impulse in den ImpulsformerschaltstUfen 6, 14 unterdrückt und gelangen nicht an die Eingänge D, H der bistabilen Kippstufe 2. Die spannungsseitigen Steuerimpulse bewirken ein Umspringen der Kippstufe 2 in jenen Zustand, bei dem das Drehspulnetzwerk 1 einen Strom IM führt.
Der Wechselstrom Y der gegenüber der Wechselspannung um 900 nacheilt, wird über einen seine Höhe heruntersetzenden Stromwandler 7 einer Drosselkette 8 in ? r-Schaltung zugeführt, deren Frequenzabhängigkeit mit jener der Drosselkette 3 übereinstimmt. An der Zenerdiode 12 entstehen, in konformer Weise arbeitend wie die Zenerdiode 4, Spannungssprünge UF ; da die Zener- diode 12 in der Polung gegenüber der Zenerdiode 4 unterschiedlich angeschlossen ist, weisen die
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stromseitig gelieferten Spannungssprünge UF entgegengesetzte Polarität gegenüber den spannungsseitig entstehenden Spannungssprüngen UB auf.
Die der Zenerdiode 12 nachgeschaltete Differenzierstufe 13 und die Impulsformerschaltstufe 14 arbeiten wie die entsprechenden Schaltstufen 5,6. Die von der Impulsformerschaltstufe 14 gelieferten und in der Flankensteilheit verbesserten Impulse UH steuern den Eingang H der bistabilen Kippstufe 2 derart, dass nach dem durch den spannungsseitigen Steuerimpuls UD gesetzten "Ein"Zustand der Kippstufe der stromseitige Steuerimpuls UH einen "Aus"-Zustand bewirkt. Diese Startund Stop-Steuersignale für die bistabile Kippstufe werden während jeder Periode der Wechselstromgrö - ssen U und : J bei deren Nulldurchgängen erzeugt.
Hiebei ist der vom Drehspulmesswerk 1 angezeigte Strom IM linear abhängig von der gegenseitigen Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung U und dem Wechselstrom a Vorteilhaft ist eine Polung des Stromwandlers 7 derart, dass die strom- und spannungsseitigen Steuerimpulse UD, UH für die bistabile Kippstufe 2 bei einer Phasenverschiebung von 1800 zwischen den Wechselstromgrössen zusammenfallen.
Die Fig. 2 zeigt den linearen Zusammenhang eines Phasenwinkels 9 zweier elektrischer Wechselstromgrössen mit dem Zeigerausschlag a desDrehspulmesswerkes l ; es ist praktisch gleichgültig, ob die Skala des Anzeigemesswerkes die Werte des Phasenwinkels oder seines Cosinus-Wertes, nämlich des Leistungsfaktors angibt. Die Anzeige geht stets linear mit dem Phasenwinkel, so dass z. B. in der Mittellage zwischen den Cosinus-Werten 0 und 1 der Wert 0, 707 zu stehen kommt.
Ausgehend von einer Gegenphasenlage der beiden Wechselstromgrössen nimmt der Zeigerausschlag bei kapazitiven Wechselströmen von 0 aus zu und erreicht bei Phasengleichheit der Wechselstromgrössen den halben Wert des maximalen Zeigerausschlages, um bei induktiven Wechselströmen dem vollen Wert zuzustreben ; beim Durchgang der Gegenphasenlage beider Wechselstromgrössen fällt der Zeiger wieder auf Null
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Die erfindungsgemässe Anordnung gestattet auch, die sich stetig ändernde Phasenlage von Wechselspannungen zweier Generatoren, die synchronisiert werden sollen, anzuzeigen. Vorteilhaft verwendet man beidseitig gleichartig aufgebaute Drosselketten mit T-Gliedern. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist analog zu der, wie sie unter Bezugnahme auf die Phasenmessung zweier elektrischer Wechselstromgrössen beschrieben worden ist und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
Die erfindungsgemässe Anordnung lässt sich in einfacher Weise zur Fernübertragung des Phasenwinkels benutzen, wenn man die Ausgangssignale der bistabilen Kippstufe über einen Messwertumformer in einen Impulsfrequenzmesswert umformt. Ebenso gestattet die Anordnung auch eine digitale Umsetzung des Phasenwinkels ; hiezu wird der der Phasenverschiebung zweier Wechselstromgrössen proportionale Gleichstrom über einen Analog-Digital-Konverter in einen Digitalwert umgesetzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Messung der gegenseitigen Phasenlage zweier Wechselstromgrössen gleicher Frequenz, insbesondere zur Messung der gegenseitigen Phasenlage zwischen einem Wechselstrom und einer Wechselspannung für die Anzeige eines Leistungsfaktors mittels Strom-bzw. Spannungsimpulsen, die die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der Wechselstromgrössen markieren und deren zeitlicher Abstand über eine gegensinnig gesteuerte bistabile Kippstufe in einem Zeigerinstrument angezeigt wird,
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Wechselspannung eine weitere Drosselkette (3) in T-Schaltung an dem andern Messeingang (A, A') vorgesehen ist.