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Phasenwinkelmesser mit phasenempfindlicher Gleichrichterbrücke und
Drehspulmeßwerk In Fortentwicklung der von C. H. W alte r (Z. f. T. Phys., 13, 1932,
S. 363) erstmals angegebenen fremdgesteuerten Gleichrichtung zur J cos Messung sind
eine Reihe weiterer Gleichrichterbrücken bekanntgeworden. Als vorteilhaft erwiesen
sich Gleichrichterbrücken mit vier nach Art eines Ringmodulators angeordneten Halbleiterdioden.
Diese Gleichrichterbrücken können nun unterschiedlich gesteuert werden, und zwar
einmal so, daß während einer Halbperiode im Ring hintereinanderliegende Gleichrichter
ausgesteuert werden (ATM Z 52-7/8), und zum anderen, daß jeweils zwei im Ring sich
gegenüberliegende Gleichrichter geöffnet und geschlossen sind (ATM V 3631-9, Bild
7). Von entscheidender Wichtigkeit für die Leistungsfähigkeit der Brücke ist aber
die Art und Weise, wie die Steuer-und Meßgrößen in die Gleichrichterbrücke eingespeist
werden und wie das Meßergebnis entnommen wird.
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Sowohl die Steuer- als auch die Meßgrößen werden beispielsweise über
je zwei gleich große und zur Brücke parallel liegende Widerstände oder identisch
über zwei gleiche Wandler-Sekundärwicklungen eingespeist, und das Meßergebnis wird
zwischen den Symmetriepunkten der Widerstände oder der Sekundärwicklungen abgegriffen.
Derartige Schaltungen haben den Nachteil, daß die praktisch stets unsymmetrischen
Gleichrichterdurchlaßwiderstände der jeweils geöffneten Gleichrichter beträchtliche
Meßfehler hervorrufen. Dies ist leicht einzusehen, wenn man bei einer der bekannten
Schaltungen (ATM Z 52-7, Bild 6) die Steuerstromwege je Halbwelle betrachtet.
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Gemäß Fig. 1 stellt das Ersatzschaltbild für eine Steuerhalbwelle
eine Art Wheatstonesche Brücke mit den unsymmetrischen, variablen Durchlaßwiderständen
als Brückenwiderstände dar.
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Es braucht nicht besonders hervorgehoben zu werden, daß bei unsymmetrischen
Gleichrichterdurchlaßwiderständen ein vom Steuerstrom herrührender und das Meßergebnis
verfälschender Au sgleichs strom über das Anzeigeinstrument fließt. Um diese Fehler
einigermaßen in Grenzen zu halten, ist in einem bekannten Fall (ATM Z 52-7, Bild
7) der Nullsteller Ro vorgesehen.
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Die weiterentwickelte Schaltung (ATM V 3631-9, Bild 7) ist bereits
so verbessert, daß kein Nullsteller mehr benötigt wird. Das Ersatzschaltbild je
Steuerhalbwelle dieser Summen-Differenz-Schaltung ist in Fig.2 dargestellt. Um den
Unterschied zur Schaltung nach F i g. 1 zu verdeutlichen, sind hier an Stelle der
bifilaren Stromwandler-Sekundärwicklungen gemäß ATM V 3631-9, Bild 7, nunmehr ohmsche
Widerstände eingezeichnet worden.
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Da es sich hierbei um einen Stromwandler mit aufgezwungenem Primärstrom
handelt, sind die Widerstände 1 und 2 als hochohmig anzusetzen, so daß der Steuerstrom
den jeweiligen Gleichrichtern praktisch aufgezwungen wird. Das heißt aber mit anderen
Worten, daß die Widerstände der einzelnen Brückenzweige nahezu konstant und damit
auch die Ausgleichsströme über das Meßwerk genügend klein bleiben.
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Gegenüber diesen bislang bekannten Grundschaltungen stellt die im
folgenden näher beschriebene Erfindung, deren Prinzipschaltung in Fig. 3 dargestellt
ist, einen wesentlichen Fortschritt dar, und zwar handelt es sich dabei um einen
Phasenwinkelmesser, der aus einer phasenempfindlichen Gleichrichterbrücke nach Art
eines Ringmodulators besteht, bei der zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden
zusammen mit einem Vorwiderstand die Meßspannung stabilisieren und zwei gleich große
Widerstände in den Diagonalen liegen und bei der die Meßspannung über die Symmetriepunkte
dieser Widerstände und die Steuerspannung über zwei korrespondierende Diagonalpunkte
eingespeist werden und das Meßergebnis zwischen den beiden anderen Diagonalpunkten
abgegriffen wird. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Diagonalwiderstände
im Vergleich zu den Gleichrichterdurchlaßwiderständen sehr hoch und zugleich so
bemessen sind, daß bei der zur Verfügung stehenden Zenerspannung ein aufgezwungener
und durch das Verhältnis Steuerstrom zu Meßstrom definierter Stromfluß entsteht.
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Die nach Art eines Ringmoduiators geschalteten Gleichrichter 3 bis
6 werden durch den aufgezwungenen Steuerstrom iSt so gesteuert, daß sich der Stromkreis
während der positiven Halbwelle über die Gleichrichter 3 und 4 und während der negativen
Halbwelle
über die Gleichrichter 5 und 6 schließt.
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Die jeweils geöffneten Gleichrichter sind über die Widerstände 7 und
8, die sehr hochohmig sind, nur ganz gering nebengeschlossen. Der erfindungsgemäße
Fortschritt wird offensichtlich, wenn man das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild
je Steuerhalbwelle betrachtet. Im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen ist hier
dem Steuerstrom der Weg über das Meßwerk durch die davorliegende und sperrende Diode
5 stets verwehrt. Auf diese Weise ist es möglich, die Gleichrichter mit hohen Strömen
auszusteuern, d. h., die üblichen Meßfehler können dadurch sehr gering gehalten
werden.
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Weiterhin sind, wie bereits oben erwähnt, die Widerstände 7 und 8
gemäß der Erfindung im Vergleich zu den Durchlaßwiderständen der Gleichrichter sehr
hoch gewählt, so daß der Steuerstrom den Gleichrichtern praktisch aufgezwungen wird;
diese Tatsache bedingt ebenfalls eine Verminderung der üblichen Meßfehler.
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Diese neue Schaltung zeichnet sich nicht nur durch ihre hohe Meßgenauigkeit
aus, sondern vor allen Dingen auch durch ihre hohe Ausgangsleistung. Sie ist gegenüber
den bekannten Schaltungen bei gleichen Eingangsdaten mindestens doppelt so groß.
Diese Überlegenheit ist im Vergleich mit der Schaltung nach ATM Z 52-7, Bild 6,
in den F i g. 5 und 6 dargestellt.
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Die Fig. 5 entspricht dabei der erfindungsgemäßen Schaltung nach F
i g. 3 in etwas anderer Darstellung.
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Zur Erläuterung genügt die Betrachtung des Verlaufes von Steuer-
und Meßstrom während der positiven Halbwelle bei einem Phasenwinkel von S' 0 Sowohl
in der Schaltung nach F i g. 5 wie auch in der nach Fig. 6 sind während der positiven
Steuerhalbwelle die Gleichrichter 3 und 4 geöffnet. In beiden Schaltungen dienen
die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern 3 bzw. 4 als Sperrspannungen für die
Gleichrichter 5 bzw. 6. In Fig. 5 fließt die positive Halbwelle von im über die
parallelen Zweige Widerstand 7, Gleichrichter 3 bzw. Widerstand 8, Gleichrichter
4 und über den Widerstand 9. Der Spannungsabfall der Meßhaibwelle am Widerstand
9, d. h. die EMK an den Punkten a und b, darf maximal gleich oder kleiner als die
Sperrspannung am Gleichrichter 6 sein. wenn dieser Gleichrichter keinen Parallelschluß
zum Widertand 9 darstellen soll. Der Gleichrichter 4 ist in diesem Moment geöffnet.
Der Ausgangs-Innenwiderstand ist hier gleich der Summe der Widerstände 9 und 10
und kann praktisch ohne Einfluß auf die Meßbrücke dem Anzeigeinstrument angepaßt
werden.
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In der Schaltung nach Fig. 6 fließt die positive Halbwelle über den
Widerstand 9 und zugleich über die parallelen Zweige Gleichrichter 3, Widerstand
7 bzw. Gleichrichter 4, Widerstand 8, über das Meßwerk und weiter über den Widerstand
10 zurück. Die EMK an den Punkten a und b kann hier nur gleich oder kleiner als
die Spannung am Widerstand 9 bzw. gleich oder kleiner als die Hälfte der Sperrspannung
am Gleichrichter 6 werden. Dies resultiert aus der Tatsache, daß der gesamte Meßspannungsabfall
an den Widerständen 9 und 10 die Sperrspannung am Gleichrichter 6 nicht überschreiten
darf, wenn über diesen Gleichrichter kein Parallelschluß entstehen soll.
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Man wird aber sowohl bei der Schaltung nach Fig. 5 wie auch bei der
nach Fig. 6 mit der EMK niemals an die theoretisch mögliche Grenze gehen,
da für
Phasenwinkel 0 noch andere Gesichtspunkte berücksichtigt werden müssen.
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In der Schaltung nach Fig. 6 setzt sich der Ausgangs-lnnenwiderstand,
wenn man die Durchlaßwiderstände der geöffneten Gleichrichter vernachlässigt, zusammen
aus Rj = -- R7 R8 R, 4 Wenn R7 = R8, wird Ri = Rg - R,i9.
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Im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 5 müssen hier die Widerstände
7 und 8 relativ niedrig bleiben, damit die Spannung an den Punkten a und b nicht
auf einen Bruchteil der EMK absinkt. Diese Tatsache bedeutet, daß in der Schaltung
nach Fig. 6 der Steuerstrom den Gleichrichtern nicht aufgezwungen werden kann. Ein
wesentlicher Nachteil dieser Schaltung ist gegenüber der nach Fig. 5 auch darin
zu sehen, daß der Meßstrom m den gesteuerten Gleichrichtern nicht aufgezwungen wird.
Als äquivalente Meßgröße dient hier lediglich der Spannungsabfall am Widerstand
9. Dieser Nachteil wird klar, wenn man bedenkt, daß der Widerstand der geöffneten
Gleichrichter vom Grad ihrer Aussteuerung abhängt, sich also stark ändert und so
das Meßergebnis beeinflußt.
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Auf Grund der geschilderten erfinderischen Überlegungen wurden die
Voraussetzungen für einen Phasenwinkelmesser mit Halbleiterdioden und Drehspulmeßwerk
geschaffen. Die bisher bekannten Gleichrichter-Brückenschaltungen, auch die nach
Fig. 5, messen lediglich J cos rt bzw. U cos , . Es sind zwar Schaltungen bekannt,
die nach Voreinstellung von J bzw. U auf eine konstante Größe den cos g zu messen
gestatten (ATM 3631-9, Bild 7).
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Derartige Schaltungen eignen sich aber nur für tragbare Instrumente
und weisen Oberwellenfehler auf.
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Die selbsttätige Konstanthaltung von J bzw. U mit den bisher üblichen
Wechselstrom- bzw. Spannungskonstanthaltern konnte bisher zu keinem zufriedenstellenden
Ergebnis führen, da einmal eine zuverlässige GrundschaItung fehlte und da zum anderen
die Konstanz nicht ausreichte bzw. im Konstanthalter Phasenverschiebungen auftraten.
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Die erfindungsgemäße Grundschaltung nach Fig. 5, die als sehr wichtiges
Merkmal nur ohmsche Glieder aufweist, erlaubt nunmehr eine Kombination mit der an
sich seit kurzem bekannten »Back-on-back«-Zenerdiodenanordnung bei der die Zenerdioden
gegeneinander und in Reihe liegen. Die Gesamtanordnung des neuen Phasenwinkelmessers
ist in F i g. 7 dargestellt.
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In dieser Schaltung erzeugt der Wechselstromi7! an den Zenerdioden
11 und 12 eine konstante Wechselspannung rechteckiger Kurvenform. Dies wiederum
bedingt einen konstanten Rechteckstrom im', der nun über die hohen Widerstände 7
und 8 jeweils die Schaltungsteile durchläuft. die durch den Steuerstrom geöffnet
sind. Sind abwechselnd die Gleichrichter 3 und 4 bzw. 5 und 6 geöffnet. so wird
der Meßpfad einmal über den Widerstand 9. zum anderen über den Widerstand 10 geschlossen.
Es entstehen dadurch an Widerständen 9 und 10 Spannungsabfälle mit einer Gleichstromkomponente.
die nur von der Phasenverschiebung zwischen Steuer- und Meßgröße abhängt, und zwar
in linearer Funktion.
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Beim Anschluß an die Klemmen 13 und 15 wird vom Drehspulmeßwerk eine
Ausgangsspannung erfaßt, die dem Phasenwinkel 900 - proportional ist. Dreht man
in bekannter Weise die Phase des Steuerstroms um 900 durch kapazitive oder induktive
Bauelemente, indem man an die Klemmen 14 und 15 anschließt, so wird der Winkel r/l
direkt angezeigt. Bei positivem Phasenwinkel schlägt der Zeiger eines Instrumentes
mit dem Nullpunkt in der Mitte nach der einen Seite und bei negativem nach der anderen
Seite aus.
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Durch die beschriebene Verwendung der Zenerdioden wird weiterhin
der Einfluß der Oberwellen auf das Meßergebnis fast gänzlich eliminiert, und zwar
um so mehr, je größer der Steuerstrom gegenüber dem Meßstrom gewählt wird. Das heißt
mit anderen Worten, daß der erfindungsgemäße Phasenwinkelmesser den Winkel t zwischen
den Nulldurchgängen von Steuer- und Meßgröße erfaßt. Außerdem sind die Zenerdioden
in bekannter Weise so gewählt, daß der positive Temperaturgang der Zenerspannung
durch den negativen Temperaturgang in der Durchlaßrichtung weitgehend kompensiert
wird.
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Um das neue Gerät als cos r/-Messer verwenden zu können, braucht
lediglich die Instrumentenskala in cos (,-Werten geeicht zu werden.