-
Vorrichtung zur Messung von Gleichströmen
In der Starkstromtechnik
ist es seit langem bekannt, 'rransduktoren zur Gleichstrommessung zu benutzen. Unter
einem Transduktor wird ein Gerät verstanden, das aus einem oder mehreren ferromagnetischen
Kernen mit Wicklungen besteht, mit dessen Hilfe eine Wechsel spannung oder ein Wechselstrom
durch eine Steuerspannung oder einen Steuerstrom unter Ausnutzung der Sättigung
erscheinungen im Kernmaterial verändert werden kann.
-
Eine übliche Anordnung zur Glei chstrommessung mit Transduktoren
besteht im Prinzip aus zwei zweischenkligen Eisenkernen, die mit Wicklungen versehen
sind, die reihengeschaltet und an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind. Die
Kerne sind gewöhnlich um eine Gleichstromschiene gelegt und so angeordnet, daß sie
in entgegengesetzten Richtungen von dem durch die Schiene fließenden Gleichstrom
im Verhältnis zu der in einem gewissen Zeitpunkt herrschenden Wechselstromerregung
erregt werden. Der Strom im Wechselstromkreis wird bei einer solchen Anordnung direkt
proportional dem Gleichstrom in der Schiene, und die Anordnung wirkt wie ein Stromwandler.
Die von Wechselstrom und Gleichstrom hervorgerufenen Amperewindungszahlen werden
gleich groß.
-
Bei der Messung von hohen Gleichströmen werden indessen diese Amperewindungszahlen
sehr groß. Der Leistungsverbrauch vom Wechselstromnetz, der fast ausschließlich
Blindleistung ist, ist proportional dem Produkt der Amperewindungszahl und der Kernfläche.
Der Kernquerschtnitt muß jedoch so groß gemacht werden, daß der Fluß im Kern den
Streufluß der Wechselstromspule wesent-
lich überwiegt, wenn eine
gute Meßgenauigkeit erhalten werden soll. Dadurch wird der Blindleistungsverbrauch
bei der Messung von Stromstärken. die die Größenordnung von 30 kA übersteigen. unzulässig
groß, und die bekannte Meßvorrichtung wird daher für diese Stromstärken weniger
geeignet. Es ist bekannt, zur Vermeidung dieser Schwierigkeit den durch den Transduiktor
fließenden ÄVechselstrom gleichzurichten und diesen gleichgerichteten Strom in einer
besonderen Wicklung die Transduktorkerne in entgegengesetzter Richtung zu der Amperewindungszabl
des zu messenden Stromes erregen zu lassen.
-
Mit einer Schaltung der beschriebenen Art erreicht man in Wirklichkeit
das, was man gewöhnlich mit Selbsterregung bezeichnet. Diese hat oft den Zweck,
mit Hilfe des gleichgerichteten Stromes den von außen zugeführten Gleichstrom zu
verstärken, so daß die Verstärkung des Transduktors gesteigert wird. Bei der beschriebenen
Schaltung soll statt dessen die Selbsterregung der Erregung durch den äußeren Gleichstrom
entgegenwirken, weshalb eine solche Schaltung als negative Selbsterregung bezeichnet
werden kann. In diesem Zusammenhang soll weiter hervorgehoben werden, daß mit dem
Ausdruck Transduktorelement. wie eingangs angegeben, gewöhnlich ein magnetischer
Kreis mit einer oder mehreren Wicklungen gemeint ist, wobei jedoch die magnetischen
Kreise für mehrere Transduktorelemente teilweise gemeinsam sein können.
-
Es wurde vorgeschlagen, zur Messung einen Transduktor mit sogenannter
Selbsterregung zu verwenden. Ventilelemente sind hierbei mit den Transduktorelementen
in Reihe geschaltet, und die Transduktorelemente erhalten Ströme, die eine Amperewindungszahl
ergeben, die in ihrer Amplitude gleich der Amperewindungszabl des zu messenden Stromes
sind. Die Ströme in den gewöhnlich parallel geschalteten Stromkreisen durch die
Transduktorelementewerden in der gemeinsamen Wechsel -stromleitung subtrahiert.
Da diese Ströme sich iiberlappen, erhält man bei der Differenzbildung stromlose
Intervalle. Diese letzteren ändern sich stark mit der aufgedrückten Wechselspannung
und mit den Widerständen im Kreis, wodurch der angestrebte Stromwandlercharakter
nicht erhalten werden kann.
-
Die Erfindung bezieht sich indes auf eine Anordnung, die diese Nachteile
vollkommen vermeidet und die eine Messung von großer Genauigkeit und mit sehr geringem
Blindleistungsbedarf ergibt.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Gleichströmen
mit Hilfe eines selbsterregten, mit mindestens zwei Transduktorelementen versehenen
Transduktors, der von dem zu messenden Strom in entgegengesetzter Richtung zu der
von der Selbsterregung erzeugten Amperewindungszahl erregt wird. Das Kennzeichnende
ist dabei, daß ein strommessendes Instrument so angeordnet ist. daß es von einem
Gleichstrom durchflossen wird, der von Strömen der Transduktorelemente durch Verwendung
einer Ventilschaltung von der Art abgeleitet ist, die in jedem Zeitpunkt den numerisch
größten der Ströme der Transdulktorelemente durch das Instrument passieren läßt.
-
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden,
in der Fig. I die einfachste erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt; in Fig. 2 wird
im Prinzip der oszillographische Verlauf der Ströme der Transduktorelemente gezeigt;
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen In strumentstrom und zu messendem Strom;
Fig. + zeigt in Perspektive die Anordnung der Wicklungen und Kerne gemäß Fig. I;
Fig. 5 bis lo zeigen verschiedene Ausiiihrungsformen der Erfindung.
-
In Fig. I sind zwei Transduktorelemente, deren Wechselstromwicklungen
mit I und 2 bezeichnet sind, schematisch dargestellt. Der zu messende Strom soll
laut Annahme in der Schiene 3 fließen, kann jedoch auch in einer Wicklung fließen.
Die Wicklungen I und 2 sind in Reihe mit Stromventeilen 4 bzw. 5 geschaltet, die
zwei Zweige einer Graetzschaltung bilden. Die Ventilelemente 6 und 7 sind in je
einem der zwei übrigen Zweige enthalten.
-
Die Leitungen 8 und g verbinden die Wechselstrompole 10 und II der
Graetzschaltung mit einer Wechselstromquelle 12. Eine Strommeßanordnung I3, im einfachsten
Fall ein Zeigerinstrumwent, ist mit Hilfe der Leitungen Iq und 15 an die Gleichstrompole
Ib und I7 der Graetzschaltung angeschlossen.
-
Zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorrichtung soll der Fall betrachtet
werden, daß die Wicklung I von Strom i1 und die Wicklung 2 von Strom i2 durchflossen
wird, wobei angenommen werden soll, daß i2.größer ist als i. Die Richtungen der
Ströme sind mit Pfeilen seitlich der Wicklungen bezeichnet. In dem Wechselstromleiter
8 muß also der Strom i2-it in der Richtung von der Wechselstromquelle fließen. Im
Leiter 9 muß der Gleichstrom i2-it in Richtung gegen die Wechselstromquelle fließen.
Dieser Strom kann nur durch das Ventilelement 6 gehen, und infolgedessen wird das
Ventilelement 7 stromlos. Dies hat zur Folge, daß der Strom i2 von der Wicklung
2 an dem Punkt I6 vorbei und durch das Instrument I3 zu dem Punkt I7 fließt, wo
er sich in einen Strom it verzweigt. der die Wicklung I durchfließt, und einen Strom
i2-i1. der durch das Ventilelement 6 nach dem Leiter 9 fließt.
-
Wenn statt dessen i1 größer als i2 ist, ändert der Strom in den Wechselstromleitern
8 und g die Richtung. Der Strom von der Wechselstromquelle wird dann vom Leiter
9 das Ventilelement 7 passieren. während das Ventilelement 6 sperren würde mit der
Folge, daß der Strom i1 das Instrument durch fließen würde.
-
Daraus geht hervor, daß das Instrument immer von dem größeren der
Ströme und i2 durch die Transduktorelemente durchflossen wird.
-
Die Fig. 2a zeigt den Stromverlauf in den zwei Transduktorwicklungen
I und 2 von denen der Strom i voll ausgezogen und der Strom i., strich-
punktiert
dargestellt ist, welch letzterer der Deutlichkeit halber etwas seitlich der mit
ihm zusammenfallenden ausgezogenen Linien gezeichnet ist. Der Verlauf der Wechselspannung
ist mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Der Amplitudenwert der Ströme i, und
i2 ergibt die Amperewindungszahl, die der Amperewindungszahl des zu messenden Stromes
entgegenwirkt. Die Länge der Intervalle, während welcher sich die Ströme überlappen,
wird abhängig von den Änderungen der Widerstände der Stromkreise oder der aufgedrückten
Wechselspannung. Diese Änderungen können jedoch das Meßergebnis nicht beeinflussen,
da erfindungsgemäß immer der größere der Ströme in und i2 für die Messung verwendet
wird.
-
In Fig. 2b ist der Verlauf des Differenzstromes il-i2 in den Wechselstromleitungell
gezeigt.
-
Aus der dargestellten Kurve geht hervor, daß es unzweckmäßig wäre,
die Messung auf dieser Differenz zu basieren, da Änderungen in der Überlappung offenbar
einen sich ändernden Mittelwert dieses Ä'\chselstrmnes bedingen. trotzdem seine
Amplitude konstant ist.
-
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Instrumentstrom IA und
dem zu messenden Strom Is.
-
Die Kurve A'-A" stellt die Schaltung nach Fig. I dar, der Kurvenzweig.4'
gibt das Arbeitsgebiet an, wo die Selbsterregung mit dem zu messenden Strom zusammenwi
rkt, wobei eine hohe Empfindlichkeit erhalten wird. Dieses ist die gewöhnliche Verwendungsxveise
der Selbsterregung. Der Zweig.4" zeigt dagegen den Verlauf, wenn die Selbsterregung
dem zu messenden Strom entgegenwirkt. Es ist dieses Gebiet, das gemäß der Erfindung
verwendet wird, und das Verfahren kann. wie oben erwähnt. als negative Selbsterregung
bezeichnet werden.
-
Fig. 4 zeigt eine Art wie man die Transduktorelemente, ihre Wicklungen
und die Gleichstromschiene anordnen kann, die von dem zu messenden Strom durchflossen
wird. Diese Figur schließt sich an das Schaltungsschema Fig. 1 an, und die einander
entsprechenden Organe sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
-
Außer der in Fig. I angegebenen Schaltung kann natürlich jede andere
Transduktorschaltung angewendet werden, die der Kategorie zugehört, die die aufgestellten
Forderungen erfüllt. In den Fig. 5, 6 und 7 sind einige solche Anordnungen gezeigt,
die jedoch nicht den einfachen Aufbau der Anordnung nach Fig. I haben, sondern bedeutend
mehr Schaltelemente benötigen.
-
Nach Fig. 5 sind auf jedem der zwei Transduktorelemente I8, 19 zwei
Wicklungen 20, 2I bzw. 22, 23 angeordnet. Die Wicklungen sind mit je einem zugehörigen
Ventilelement 24, 25, 26 bzw. 27 in Reihe geschaltet. Eine Wicklung jedes Transduktorele
mentes ist in Reihe mit einer Graetzschaltung der Gleichrichter an eine Wechselstromquelle
bei 28 angeschlossen. Die Wicklungen 20 und 22 sind also mit den Ventilen 29 und
Wicklungen 2I und 23 mit den Ventilen 30 in Reihe geschaltet. Auf jedem Transduktorelement
sind die beiden Wicklungen so angeordnet. daß sie gegeneinander wirken. Die zwei
Gleichrichterbrücken 29 und 30 sind auf den Gleichstromseiten miteinander und mit
dem Meßinstrument 33 reihengeschaltet.
-
In einem gewissen Augenblick kann angenommen werden, daß der Strom
durch die Wicklungen 20 und 22 größer ist als der Strom durch die Wicklungen 2I,
23. Von der Gleichrichterbrücke 29 wird hierbei der Strom durch die Wicklung 20
dem Stromkreis durch das Instrument I3 zugeführt, und alle Ventilelemente in der
Gleichrichterbrücke 30 werden stromführend, so daß der Strom von der Wicklung 21
frei zur Wicklung 23 fließen kann.
-
Wenn das entgegengesetzte Größenverhältnis zwischen den Wicklungsströmeu
herrscht, so wird es in derselben Weise der größere Strom von der Wicklang 21, der
in den Instrumentkreis eingeführt wird, und die Bedingungen gemäß der Erfindung
sind somit erfüllt.
-
In Fig. 6 wird die Verwendung von Transduktorelementen ohne Sparselbsterregung
dargestellt. Die parallel geschalteten Wechselstromwicklungen 32 und 33 sind mit
je einer Gleichrichterbrücke 34 bzw.
-
35 in Reihe geschaltet, die die Selbsterregungswicklung 36 bzw. 37
speist, und mit je einer Gleichrichterbrücke 38 bzw. 39, welch letztere auf der
Gleichstromseite miteinander und mit dem Meßinstrument I3 reihengeschaltet sind.
In den Punkten 40 und 41 zwischen den Wechselstromwicklungen 32 und 33 und zwischen
den letztgenannten Gleichrichterbrücken 38 und 39 ist die Vorrichtung an eine Wechselstromquelle
bei 42 angeschlossen.
-
Auch aus dieser Schaltung geht hervor, daß das Meßinstrument von
dem jeweils größeren der durch die Transduktorelemente gehenden Ströme durchflossen
wird, da die Gleichrichterbrücken 38 und 39 analog mit entsprechenden Gleichrichterbrücken
29, 30 in Fig. 5 geschaltet sind.
-
Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines dreiphasigen Transduktors,
wo die Transduktorelemeute 43, 44, 45 vom Wechselstromnetz 46 über einen Transformator
gespeist werden, der heispielsweise primär sterugeschaltet ist und der dreiphasig
sein kann oder aus drei einphasigen Transformatoren 47, 48, 49 bestehen kann.
-
In Reihe mit jeder Transduktorwicklung liegt ein Ventilelement 50,
51 bzw. 52 und parallel mit jeder derartigen Kombination ein Ventilelement 53, 54
bzw. 55. Die letzteren Ventilelemente sind untereinander und mit dem Meßinstrument
I3 in Reihe geschaltet.
-
Da ja die Ventilelemente 53, 54, 55 in Reihe geschaltet sind. wird
der Strom in dem für sie gemeinsamen Stromkreis durch das Instrument I3 von dem
jeweils größten Strom in den Transduktorelementen 43, 44. 45 bestimmt.
-
Der Instrumentstrom als Funktion des zu messenden Stromes erhält
bei den in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Ausführullgsformen im wesentlichen den gleichen
Verlauf wie die Kurve A'-A" in Fig. 3.
-
Die negative Selbsterregung muß indessen noch weiter getrieben werden,
wenn große Ströme gemessen werden sollen, damit der Leistungsverbrauch aus der Wechselstromquelle
niedrig gehalten wer-
den kann. Die Ätöglichkeit zur Erreichung
dieses Zweckes soll näher im Anschluß an die Ausführungsform nach Fig. I beleuchtet
werden, jedoch können natürlich auch entsprechende Maßnahmen die Meßanordnungen
nach den Fig. 5 bis 7 verbessern.
-
Fig. 8 zeigt sonach schematisch eine Schaltung. die sich in der Hauptsache
von der in Fig. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, daß auf jedem Transduktorelement
eine weitere Wicklung angordnet ist, welche Wicklungen 56, 57 von dem Strom zwischen
den Gleichstrompolen I6 und 17 in einer solchen Richtung durchflossen werden. daß
ihre Amperewindungszahlen dem Feld des zu messenden Stromes entgegenwirken. Durch
diese Anordnung erhält man die Kurve B'-B" in Fig. 3. Erfindungsgemäß wird der Zweig
der Kurve verwendet, der mit B" bezeichnet ist.
-
Aus der Fig. 3 geht hervor, daß der Instrumentstrom IA für kleine
Ströme in der Gleichstromschiene unter dem Wert IS 1 nicht kontinuierlich zu dem
Zweig B' ansteigt. Steigt daraufhin der Strom in der Schiene weiter an, so wird
der Kurve B' gefolgt, bis der Strom Is den Wert 152 überschritten hat, worauf der
Instrumentstrom plötzlich auf den Wert fällt, der durch den Kurveuzweig b"' bestimmt
ist.
-
Diese Ungelegenheit kann dadurch vermieden werden, daß der Transduktor
mit einer Vorerregung versehen wird, beispielsweise durch einen Strom IS0, der etwas
größer als Is, ist und in der gleichen Richtung wie der zu messende Strom wirkt.
Auf diese Weise wird indessen nicht der Instrumentstrom der niedrigst mögliche gemäß
der Transduktorkurve, wenn der zu messende Strom Null ist.
-
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß von dem Instrumentstrom
ein Strom solcher Größe subtrahiert wird. daß der Instrumentstrom seinen SIindestwert
erhält, wenn der zu messende Strom Null ist. Sowohl der \70rerregungsstrom ISo als
auch der Strom, der für die genannte Subtraktion verwendet wird. sind jedoch Änderungen
unterworfen, die teils von der Stromquelle herrühren. aus der sie geliefert werden,
und teils Änderungen der Wicklungswiderstände infolge von Temperaturverschiedenheiten.
Wenn jedoch die zwei Ströme dazu gebracht werden. in gleicher Weise sich zu ändern,
können sie so geschaltet werden. daß die Änderungen in dem Instrumentstrom sich
aufheben.
-
Dies kann erreicht werden. wenn der gleiche Strom für beide Zwecke
verwendet werden kann. da aber die Wi derstandsänderungen des Leitungskupfers gewöhnlich
von untergeordneter Bedeutung in dem Stromkreis sind. so kann es ausreichend sein.
wenn man die Ströme von der gleichen Stromquelle nimmt.
-
In Fig. g ist ein Verfahren zur Erzielung der genannten Vorerregung
und Subtraktion dargestellt.
-
Die Anordnung stützt sich auf die in Fig. 8 gezeigte und hat nebenher
zwei reihengeschaltete Vorerregerwicklungen ge, 59, jede angeordnet auf je einem
Transduktorelement. Diese Wicklungen werden mit Gleichstrom gespeist. der beispielsweise
aus einer an ein Wechselstromnetz bei 6i augeschlossenen Ventilanordnung 6o bezogen
wird. Der Strom durch die Widclungen 58, 59 fließt auilerdem durch das Meßinstrument
I3 in der Weise. daß er dem Gleichstrom von dem Transduktor entgegenwirkt.
-
Fig. 10 zeigt zwei voneinander unabhängige Weiterbildungen einer
Anordnung gemäß Fig. 9.
-
Einerseits ist die obenerwähnte Subtraktion veranschaulicht als in
einem Hilfstransduktor 63 durchgeführt, und anderseits sind die reihengeschalteten
Vorerregerwirklungen auf dem Nileßtransduktor mit dem Stromkreis parallel geschaltet,
der von dem Strom durchflossen wird, der diese Vorerregung beseitigen soll. Der
von den Gleichstrompolen r6, I7 des Transduktors gelieferte Strom erregt eine Steuerwicklung
62 auf einem Hilfstransduktor 63, der an eine Wechselstromquelle bei 64 augeschlossen
ist. Die Transduktorwicklungen 58, 59 werden in Reihe mit einem Widerstand 68 von
der Ventilanordnung 60 gespeist. Von diesem wird auch Strom für eine andere Steuerwicklung6s
in dem Hilfstransduktor entnommen, in Reihe mit dem Widerstand 59. Die Aufgabe der
Wicklung 65 ist, den Transduktor 63 in entgegengesetzter Richtung wie die Wicklung
62 zu erregen. Die Widerstände 68 und 69 sollen so groß sein, daß sie den Leiterwiderstand
in den entsprechenden Stromkreisen überwiegen.
-
Der Wechselstrom durch den Hilfstransduktor 63, der proportional
dem Unterschied zwischen den Gleichströmen in seinen Steuerwicklungen ist. kann
mit Hilfe eines Stromwandlers 66 auf einen geeigneten VVert transformiert und dann
in einer Ventilanordnung 67 gleichgerichtet werden. so daß ein Gleichstromiustrument
I3 verwendet werden kann. Die Verwendung eines solchenHilfstransduktors bringt einerseits
den Vorteil mit sich. daß dem Instrumentstrom ein beliebiger Wert gegeben werden
kann, und anderseits, daß die verschiedenen Amperewindungszahlen geeigneten beliebigen
Werten der verschiedenen Ströme in der Anordnung angepaßt werden können.
-
Die in Fig. g angedeutete Art der Subtraktion des Vorerregerstromes
kann natürlich auch bei der Anordnung nach Fig. 10 angewendet werden. und in diesem
Fall können die Wicklungen 58 und 59 in Reihe mit der VVicklung6s des Hilfstransduktors
63 angeschlossen sein.