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Verfahren zum genauen Prüfen wattmetrischer Wechselstrom-Meßgeräter
insbesondere zum Eichen von Zählern, mit einer vom Leistungsfaktor unabhängigen
Meßgenauigkeit Zum genauen Prüfen, also Messen und Einstellen, einer Wechselstromleistung
bei cos q7 = 1, also bei Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung, können Leistungsmesser
verwendet werden, deren Korrektur unter Gleichstrom am Gleichstromkompensator bestimmt
wurde. Die Angaben eines solchen Gerätes stimmen unter Wechselstrom mit denen unter
Gleichstrom überein, da ein etwa vorhandener Spannungspfadfehlwinkel bei cos ? =
1 keinen Einfluß auf die Angaben des Gerätes hat.
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Schwierigkeiten stellen sich indessen bei der Verwendung eines solchen
Leistungsmessers bei Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung entgegen.
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Soll beispielsweise an einem Leistungsmesser für 120 V und 5 A rdie
bei cos 97 =0,25 vorhandene Abweichung der Angaben dieses Gerätes von der Sollleistung
bestimmt werden, so ist es an sich denkbar das Gerät am Gleichstromkompensator unter
einer dem Phasenwinkel entsprechenden Korrektur des Stromes und/oder der Spannung
auf ein Viertel des Nennwertes zu prüfen, beispielsweise also bei 120 V und 1,25
A oder bei nur 30V und 5 A. In diesem Falle würden aber die Angaben des Gerätes
nur dann mit denen unter Wechselstrom übereinstimmen, wenn das Gerät keinen Spannungspfadfehlwinkel
und keinen Erwärmungsfehler hat. Auch muß der Einfluß der Wechselinduktion vernachlässigbar
klein sein. Für die Praxis ist daher dieses Korrekturverfahren bei Wechselstrommessungen
ungeeignet, selbst wenn man beispielsweise den Leistungsmesser bei cos (p = O auf
Spannungspfadfehlwinkel prüfen würde.
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Es ist bereits ein Verfahren bekannt (deutsche Patentschrift 837
268), das die aufgeführten Schwierigkeiten vermeidet. Bei diesem Verfahren, das
zum-ge: nauen Einstellen und Messen von Produkten aus Wechselstromgröß en, insbesondere
zum Eichen von Zählern, bestimmt ist, werden die Wechselspannung und der Wechselstrom,
deren Produkt gemessen werden soll, mittels einer Wechselstromkompensationseinrichtung
auf Phasengleichheit abgeglichen und der Wechselstromseite eines wattmetrischen
Differentialgerätes ugeführt, dessen Gleichstromseite von entsprechenden Normalgleichstromgröß
en gespeist wird.
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Um dieses Verfahren auch zum Einstellen uad Messen phasenverschobener
Wechselstromgrößen verwenden zu können, sieht eine Weiterbildung des Verfahrens
vor (Anspruch 9 der genannten Patentschrift), daß bei Einstellung phasenverschobener
Meßspannungen nur die für die Produktbildung aus Meßspannung und Meßstrom wirksame
Komponente und nicht die Meßspannung selbst durch den Vergleich mit dem abgeglichenen
Strom oder der abgeglichenen Spannung eingeeregelt wird. Das dabei als Fehleranzeiger
verwendete wattmetrische Differentialgerät ist vorzugs-
weise ein integrierendes
Differentialgerät, also ein Gerät ohne Rückstell- bzw. Richtkraft.
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In der vorgenannten deutschen Patentschrift ist in Fig. 2 gegenüber
der Schaltung nach Fig. 1 der Spannungssymmetrieanzeiger 29 durch den Lufttransformator
34, den Spannungsteiler 30, den Widerstand 32 und das Vibrationsgalvanometer 190
ersetzt. Durch diese Maßnahme wird die Messung von der Symmetrie des Spannungsdreiecks
unabhängig. Die Schaltung nach Fig. 5 der genannten Patentschrift hat gegenüber
der nach Fig. 2 den Vorteil, daß sich die einzelnen Drehstromspannungen unabhängig
voneinander regeln lassen.
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Da die Vibrationsgalvanometer sowohl auf die Größe als auch auf den
Winkel reagieren, lassen sie sich nicht während der ganzen Meßperiode auf Teilstrich
Null halten, wodurch sich unkontrollierbare Fehler in die Messung einschleichen
und die Meßunsicherheit wesentlich verringern können. Nach der vorliegenden Erfindung
entfällt der Bedarf dieser Geräte, indem man bei der 9(3iO-Abgleichung mit einem
Fehleranzeigegerät integrierend kontrolliert. Außerdem entfallen nach der vorliegenden
Erfindung das in der genannten Patentschrift mit 1 bezeichnete Gerät und die beiden
Gleichstromkompensatoren; sie werden nach der Erfindung durch ein stets mit cos
w = 1 arbeitendes Normalgerät (Leistungsmesser oder Gleichlastzähler) ersetzt, was
eine wesentliche Vereinfachung der gesamten Apparatur ermöglicht.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zum genauen Prüfen
wattmetrischer Wechselstrom-Meßgeräte, insbesondere zum Eichen von Zählern, mit
einer
vom Leistungsfaktor unabhängigen Meßgenauigkeit durch Vergleich des zu prüfenden
Gerätes erüfling) mit einem stets bei cos = 1 arbeitenden Normalgerät (Leistungsmesser
oder Gleichlastzähler) unter Verwendung einer Wechselstromkompensations Meßeinrichtung
mit einem wattmetrischen Fehleranzeiger. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf,
daß es mit viel einfacheren technischen Mitteln und somit auch mit geringeren Anschaffungskosten
durchgeführt werden kann. Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwei z. B. von einem Drehstromnetz abgeleitete Wechselspannungen z. B. mittels
eines Drehtransformators unter dem Phasenwinkel cp, bei dem der Prüfling geprüft
werden soll (Prüfphasenwinkel (p), in einem Nullpunkt zusammengeschaltet werden,
daß an sdie eine dieser beiden Wechselspannungen der Spannungskreis (die Spannungsspule)
des Prüflings angelegt und an die andere Wechselspannung der Spannungskreis (die
Spannungsspule) des Normals und parallel dazu ein ohmscher Spannungsteiler mit einer
solchen Anzapfung angeschlossen wird, daß sich der Teilwiderstand seines am Nullpunkt
anliegenden Teilstückes zum Gesamtwiderstand des Spannungsteilers entsprechend dem
Prüfphasenwinkel ç wie cos : i verhält, und daß zwischen die Anzapfung des Spannungsteilers
und den dem Nullpunkt abgewandten Pol der erstgenannten, den Prüfling durchsetzenden
Wechselspannung ein auf Phasenverstimmung ansprechender wattmetrischer, richtkraftfreier
Fehleranzeiger von rein ohmschen Widerstand angeschlossen wird, während durch den
Stromkreis (die Stromspule) des Prüflings, des Fehleranzeigers und den des Normals
ein Strom geleitet wird, der mit der am Spannungsteiler liegenden Wechselspannung
konphas ist.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 bis 5 dienen einer Vorerläuterung zum Erfindungsgedanken,
während Fig. 6 das Grundschaltbild zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
für cos ç =0,25 ind, wiedergibt; ferner zeigt Fig. 7 ein Vektorbiid zu Fig. 6, Fig.
8 - die Schaltung eines integrierenden, richtkraftfreien Fehleranzeigers, Fig. 9
und 10 die Abwandlung des Grundschalt bildes nach Fig. 6 für cos ç =0,1 ind und
0,5 ind, Fig. 11 ein Gesamtschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung entsprechend dem Grundschaltbild nach Fig. 6 bzw. 9 und 10.
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In Fig. t sind zwei um einen Winkels, verdrehte Vektoren OR und OT'
dargestellt OR sei der Vektor der Spannung U und or der Spannungsvektor, der in
Phase mit dem Strom J liegt. Der Winkel ç ist in Fig. 1 beispielhaft mit 75,5° angenommen,
entsprechend einem cos ç von 0,25.
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Legt man zwischen die beiden Potentialpunkte 0 und Tr gemäß Fig.
2 zwei rein ohmsche Widerstände Rj und R2, die im Verhältnis cos g,: (1 - cos) bemessen
sind, im Falle des Figurenbeispiels also im Verhältnis 0,25 : 0,75 = 1 3, so liegt
der Zwischenpunkt M in dem Vektordiagramm (Fig. 3) auf der Geraden OT' und teilt
diese ebenfalls im Verhältnis cos p,: (1 - cos ) bzw. im Falle des vorliegenden
Beispiels im Verhältnis 1 3.
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Legt man in Fig. 2 noch einen dritten, ebenfalls rein ohmschen Widerstand
R3 zwischen die Potentialpunkte M und X, wie es die Fig. 4 zeigt, und ist dieser
Widerstand unendlich groß, so ändert sich an dem
Vektordiagramm nach Fig. 3 nichts.
Der Punkt M bleibt auf der Geraden OT' liegen. Hat aber der Widerstand R3 einen
endlichen Wert, so wandert der Punkt M, wie es die Fig. 5 zeigt, entlang der Geraden
MR aufwärts, je nach der Größe des Widerstandes Rs mehr oder weniger hoch, und zwar
senkrecht zur Spannung OT', aber auch senkrecht zum Strom J, der in Phase mit der
Spannung OT' liegt. Die Gerade MR steht deshalb auf der Geraden OT' senkrecht, weil
der von den Widerständen Rl und R2 gebildete Spannungsteiler im Verhältnis von cos
: (1 - cos ) aufgeteilt ist. Diese Bedingungen gelten für beliebige Größe des Phasenwinkels
und der beiden Vektoren OR und OT'.
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Nach dieser Vorerläuterung sei nunmehr auf Fig. 6 eingegangen, die
die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung im Prinzip wiedergibt.
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In Ausführung der Erfindung ist an die Punkte 0 und R der Prüfling
P angelegt, an die Punkte 0 und T' der aus den Widerständen Rr und R2 bestehende
Spannungsteiler, parallel zu diesem Spannungsteiler das zur Prüfung benutzte Normalgerät
N und an die Punkte M und R ein Fehleranzeiger F. Gegenüber der Schaltung nach Fig.
4 ist also der Widerstand 23 durch den Fehleranzeiger F ersetzt. - Die Größe der
inneren Widerstände des Fehleranzeigers können einen beliebigen endlichen Wert haben.
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An die Punkte 0 und R einerseits und die Punkte 0 und T' andererseits
wird je eine Wechselspannung angleegt, die gegeneinander um den dem gewünschten
cos? entsprechenden Winkel verschoben sind. Diese beiden Wechselspannungen können,
wie noch gezeigt werden wird, beispielsweise einer aus einem Drehtransformator und
einem Anzapftransformator bestehenden Anordnung entnommen werden. Die WiderständeR1
und R2 werden im Verhältnis cos ç cos cos bemessen. Die Stromspulen des Prüflings
P und des Normalgerätes N werden beide mit Idem gleichen, zur Spannung OT' konphasen
Strom beschickt.
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Spricht beim Einschalten der Spannungen der Fehleranzeiger F nicht
an, so folgt hieraus, daß die Phasenlage der beiden Wechselspannungen genau dem
durch das Aufteilungsverhältnis des Spannungsteilers vorgeschriebenen cos q7 entspricht
und daß somit die Gerade MR genau senkrecht auf der Geraden OT' steht. Dann liegt
am Prüfling P genau die richtige Spannung, und seine Anzeige stimmt mit der Anzeige
des mit cos g, = 1 arbeitenden Normalgerätes N, multipliziert mit dem zu messenden
cos (pSolt also dem R1 Widerstandsverhältnis RT + genau überein.
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R1 + R2 Spricht dagegen der Fehleranzeiger F an, so ist dies ein
Zeichen dafür, daß die beiden Spannungsvektoren nach Größe und Richtung nicht mehr
dem Sollwert entsprechen, wodurch die Gerade RM nicht mehr senkrecht auf der Geraden
OT' steht, wie es beispielsweise Fig. 7 zeigt. In diesem Falle braucht lediglich
die Phasenverschiebung der bei'den angelegten Wechselspannungen, z. B. am Drehtransformator,
so nachgeregelt zu werden, bis der Fehleranzeiger wieder zur Ruhe kommt, bis also
wieder die Spannung RM zum Strom senkrecht steht. Das Verfahren nach der Erfindung
gestattet also auch bei unsymmetrischem Spannungsdreieck eine laufende Überwachung
der ordnungsgemäßen Voraussetzungen der Messung.
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Als Fehleranzeiger ist am besten ein richtkraftfreies Meßwerk geeignet.
Insbesondere kann hierfür ein dynamometrisches Meßwerk verwendet werden, und zwar
vorzugsweise ein integrierender Winkelmesser.
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Damit der Spannungskreis des Winkelmessers einen
rein
ohmschen Widerstand darstellt, ist es empfehlenswert, die Selbstinduktion des beweglichen
Meßwerkrähmchens, also der beweglichen Meßwerkspule, zu kompensieren. Dies kann
gemäß Fig. 8 dadurch geschehen, daß der Selbstinduktion der Rähmchen-Spannungsspule
1 durch einen Kondensator 2 parallel zu einem in Reihe mit der Rähmchenspule liegenden
Widerstand 3 kompensiert wird. Die beiden Anschlußpunkte dieser Anordnung sind in
Fig. 8 entsprechenZd den vorausgegangenen Figuren mit R und M bezeichnet. Die Stromspule
des Meßwerkes ist mit 4 bezeichnet.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen in Gegenüberstellung zum Falle Fig. 6 die
Anwendung des Verfahrens bei anderen cos 9'-Werten. Während in Fig. 6 ein cos 9'
=0,25 ind angenommen und dementsprechend das Widerstandsverhältnis R1 : R2 =0,25:0,75
erforderlich war, beträgt in Fig. 9 für cos 9' = 0,1 ind das Widerstandsverhältnis
Rl:R2=O,l:O,9 und in Fig. 10 für cosg=01,5 das Widerstandsverhältnis Rt: R2 = 0,5:
0,5. Der Anschluß der Geräte P, N und F ist in den Fig. 9 und 10 zur besseren Ubersichtlichkeit
fortgelassen; er ist der gleiche wie in Fig. 6.
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Ein Gesamtschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung, entsprechend dem Grundschaltbild nach Fig. 6, ist noch in Fig.
11 gezeigt. An den Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes liegt über einem Schalter
5 und einen Phasenschieber 6, z. B. einen Drehtransformator, die Primärseite 7 eines
Sterntransformators, dessen Sekundärseite mit 8 bezeichnet ist. Zur Änderung der
Transformatorspannung ist die Primärseite mit Spannungsteilern versehen; statt dessen
können aber auch andere Mittel zur Spannungsänderung verwendet werden. Die Sekundärseite
des Transformators hat bei dem dargestellten Beispiel je Phase mehrere Anzapfwicklungen
mit den Klemmen R', R" sowie di' und S"; die PhaseT ist umgepolt angeschlossen.
Es können also der Sekundärseite wahlweise Wechselspannungen verschiedener Phasenlage
entnommen werden. Die Größe aller dieser Spannungen ist die gleiche, beispielsweise
120V.
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Von den vorgenannten Klemmen führen Leitungen zu gleich bezeichneten
Kontakten der oberen Hälfte des Doppelumschalters 9, der die Klemmen und somit die
einzelnen Wechselspannungen wahlweise mit einer Kontaktschiene 10 verbindet. Die
untere Hälfte des Doppelumschalters ist mit einer Kontaktschiene 11 und einer gleichen
Anzahl von Kontakten wie die obere Umschalterhälfte versehen; die jeweilige Schaltstellung
der unteren Umschalterhälfte entspricht dem Punkt M in Fig. 6. An den Klemmen sind
Zahlen angeschrieben, die angeben, welchen cos qt7-Wert die jeweils anliegende Wechselspannung
hat; die den Zahlen beigefügten Buchstaben k und i deuten an, daß es sich um eine
kapazitive oder eine induktive Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom handelt.
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Ferner ist eine Reihe ohmscher Widerstände 12 bis 16 dargestellt,
deren Ohmwerte aus der Figur abzulesen sind. Diese Widerstände bilden den Spannungsteiler;
sie sind an die Kontakte der unteren Hälfte des Umschalters 9 angeschlossen. Des
weiteren zeigt Fig. 11 noch den Fehleranzeiger F, den Prüfling P und das Normalgerät
N. Die Spannungsspulen der Geräte F, P und N sind bei jeder Spannung des Umschalters
wie in der Grundschaltung gemäß Fig. 6 geschaltet, nur mit dem Unterschied, daß
sie jeweils an andere Klemmen der Transformatorsekundärseite 8 angeschlossen sind,
je nach der Größe des gewünschten Phasenwinkels bzw. cos 9'.
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Schließlich sind in Fig. 11 noch drei Spannungsmesser 19 für die
Sekundärwicklungen des Transformators zu sehen sowie ein z. B. integrierender Frequenzmesser
20, der einen Vergleich der Netzfrequenz mit einem Normalfrequenzgeber 21 gestattet.
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Die Bedienungs- und Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 11 ist
die gleiche wie die oben beschriebene der Grundschaltung in Fig. 6.
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Das mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielte Ergebnis ist nicht
nur von Temperaturschwankungen vollkommen unabhängig, sondern auch von Frequenzschwankungen.
Der vorerwähnte Frequenzmesser 20 in Fig. 11 ist also an sich nicht erforderlich.
Da der Prüfling bei Ausübung der Erfindung mit der betriebsmäßigen Spannung, der
betriebsmäßigen Stromstärke und dem richtigen cos ç arbeitet, werden Erwärmungsfehler,
Wechselinfduktionsfehler und vor allem Spannungspfadfehlwinkel richtig erfaßt. Die
Meßgenauigkeit am Prüfling ist bei der Prüfung eines Zählers die gleiche wie bei
cos 9' = 1, wenn man die am Prüfling zu zählende Umdrehungszahl bei allen Phasenverschiebungen
gleich wählt. Bei der Prüfung von Leistungsmessern hängt die Ablesegenauigkeit von
der Überlastbarkeit des Prüflings ab und ist auch hier die gleiche wie bei cos ç
= 1, wenn das Instrument bei dem zu prüfenden cos Sp vollen Ausschlag zeigt.
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Das Verfahren nach der Erfindung gibt ganz allgemein die Möglichkeit,
beliebige wattmetrische Wechselstrom-Meßgeräte mit betriebsmäßiger Wechselspannung
und betriebsmäßigem Wechselstrom auch bei sehr kleinem Leistungsfaktor mit einem
stets mit cos ç = 1 arbeitenden Normalgerät zu prüfen, dessen richtige Korrektur
vorher am Gleichstromkompensator bestimmt wurde. Die hierdurch erzielbare Meßgenauigkeit
ist stets die gleiche wie bei Messung bei Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung;
sie beträgt etwa 0,1 °/o. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich außer zur
Prüfung von Zählern und Leistungsmessern beispielsweise auch zum Prüfen, insbesondere
Eichen, von wattmetrischen Relais, Blindverbrauchszählern, Mischverbrauchszählern,
Blindwattmetern u. a. m. Auch zur Prüfung von Wattmetern auf Winkelfehler ist das
Verfahren nach der Erfindung anwendbar und vorteilhaft.