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Bei einer grossen Anzahl von Aufgaben in der Starkstromtechnik ist der Quotient zweier Messwerte zu bilden, welche durch die Grösse einer Drehzahl, eines Stromes, eines Widerstandes usw. gegeben sind. Die für die Lösung dieser Aufgabe bisher verwendeten Einrichtungen vermögen nur kleine Drehmomente zu entwickeln, wenn die Messgenauigkeit nicht leiden soll, und versagen völlig, wenn beide Messwerte z. B. auf 10 % der vollen Werte sinken.
Das neue Gerät, kurz als Diquometer bezeichnet, besteht aus einem Planetengetriebe, dessen beide Seiten mit Drehzahlen angetrieben werden, welche Funktionen der Werte x und y darstellen, deren
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bei Verstellung der Kreuzwelle des Planetengetriebes die Drehzahlen eines der beiden Zähler oder auch beider Zähler als Funktion des Verstellwinkels der Kreuzwelle so lange zusätzlich beeinflusst werden, bis die Drehzahlen der beiden Zähler einander gleich sind. Dann gilt die Gleichung nx v = My w oder
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Verdrehungswinkel im Raum ein Mass für das Verhältnis der Drehzahlen.
Stellen die Drehzahlen der beiden Zähler jeweils nur sekundäre Werte dar insofern, als sie in einem funktionellen Zusammenhang mit bestimmten primären Werten stehen, so kann die Stellung der Kreuzwelle die verschiedensten Funktionen der beiden Primärwerte darstellen.
Die Anwendungsgebiete der neuen Einrichtung sind besonders zahlreich, z. B. als Messgerät für den Leistungsfaktor, als Wärmemengenmesser, als Fernmessgerät zum Übertragen von Zeigerstellungen, für die verschiedensten Relais usw. Das Arbeitsgebiet der neuen Einrichtung ist durch die Darstellung der Formel a = k 1 (X) 11 (Y) gekennzeichnet, während für das Dimometer (Archiv für Elektrotechnik 1933, S. 505) die Formel ot ky gilt.
Die Art der Einrichtung ermöglicht die Abnahme eines relativ grossen Drehmomentes an der Kreuzwelle, so dass dieselbe nicht nur zur Anzeige, sondern auch zum Schreiben, zum Drucken und zum Steuern oder Regeln anderer Einrichtungen verwendet werden kann. Da es sich um ein Kompensationverfahren handelt, ist mit grosser Messgenauigkeit zu rechnen.
In Fig. 1 wird ein Diquometer dargestellt, welches als Phasenrelais ausgeführt ist. Das Planetengetriebe 1 wird von einem Einphasenwirkleistungszähler 2 und einem Einphasenblindleistungszähler 3 angetrieben. Die Spannung, welche den Klemmen der Spannungseisen 4 und 5 zugeführt wird, hängt nicht nur von der Spannung an den Schienen 6 ab, sondern erfährt eine zusätzliche Beeinflussung, deren Grösse von der Stellung der Kreuzwelle 7 bzw. des Kontaktes 8 abhängt. Je nach der Stellung des Kontaktes 8 werden an dem als Spannungsteiler geschalteten Widerstand 9 Spannungen e = Ek abgenommen, die ein Produkt aus der Klemmenspannung E und einem Faktor k darstellen, der zwischen 0 und 1 liegt.
Es sei angenommen, dass die Drehzahl des Zählers 2 überwiege.
Dann wird der Kontakt 8 entgegen dem Sinn des Uhrzeigers verstellt, die Spannung an den Klemmen 4 wird kleiner, die Spannung an den Klemmen 5 immer grösser, so lange bis die Zähler 2 und 3 einander das Gleichgewicht halten. Bei gleichen Übersetzungen zwischen den beiden Zählern 2 und 3 einerseits und dem Planetengetriebe 1 anderseits geschieht dies, wenn die Drehzahlen der beiden Zähler einander gleich sind. Die Grösse der Spannung an den Klemmen 4 und 5 steht dann im umgekehrten
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Verhältnis der Drehzahlen, welche die Zähler bei gleicher Klemmenspannung bei 4 und 5 annehmen würden. Da das Verhältnis der Spannungen nur von der Stellung des Kontaktes 8 zum Widerstand 9 abhängt, so ist bei fester Lage des Widerstandes im Raum die Stellung der Kreuzwelle ein genaues Mass für das Verhältnis der Drehzahlen.
Im vorliegenden Fall ist der Zähler 4 als Wirkleistungszähler., der Zähler 5 als Blindleistungszähler geschaltet. Der Ausschlag der Kreuzwelle stellt daher eine Funktion der Phasenverschiebung dar. Die Art der Funktion hängt von der Verteilung des Widerstandes im Raum ab, der Nullpunkt von seiner Stellung im Raum. Der Winkel, welchen der Kontakt 8 zurücklegt, kann ein Mehrfaches von 2 1t betragen, wenn z. B. der Widerstand in einem Spiralrohr untergebracht ist und der Kontakt durch einen Quecksilbertropfen gebildet wird. Der in Fig. 1 dargestellte Apparat ist als Steuerrelais ausgeführt. Weicht die Stellung des Kontaktes 10 von der Sollage ab, so werden, je nachdem ob die Phasenverschiebung zu gross oder zu klein ist, die Hillskontakte 11 oder 12 geschlossen. Mit Hilfe der Hilfskontakt können Relais, Verstellmotoren, Signalstromkreise usw. betätigt werden.
Die Kontakte 13 und 14 sind als Rückführung vorgesehen. Sie schalten den jeweils schneller laufenden Zähler, der die Bewegung der Kreuzwelle verursacht, ab (nachdem 11 oder 12 geschlossen wurde) und werden vom Kontakthebel 10 betätigt. Wie bekannt, können für die Rückführung auch Widerstände umgeschaltet werden. Der langsamer laufende Zähler bleibt daher allein in Bewegung und stellt die Kreuzwelle wieder zurück. Ist inzwischen keine Änderung (bei selbsttätigen Steuerungen keine genügende Änderung) des Istwertes in der Richtung des Sollwertes erfolgt, so wiederholt sich das Spiel.
Weicht der einzustellende Phasenwinkel stark von 45 (cos tp = 0-7) ab, bei welchem Wirkleistung und Blindleistung gleich gross sind, so ist es zweckmässig, zwischen 2 und 7 eine andere Übersetzung zu wählen als zwischen 3 und 7, um beim Sollwert keine zu grosse Verschiedenheit in der Messspannung notwendig zu machen. Die Schaltung nach Fig. 1 bietet den grossen Vorteil, dass gleichzeitig bei dem Zähler mit der grösseren Leistung die Spannung verkleinert und beim Zähler mit der kleineren Leistung die Spannung vergrössert wird. Die Schaltung ist spannungsunabhängig und frequenzunabhängig. Treibt die Kreuzwelle 7 ein Ziffernwerk an, dessen Anzeige sich mit der Verstellung der Kreuzwelle im Raum ändert, so kann gegen dasselbe in periodischen Zeitabständen ein Papierstreifen gedrückt werden. Die Einrichtung arbeitet dann als Drucker von Momentanwerte.
Der Verstellwinkel der Kreuzwelle ist hiebei zweckmässig grösser als 2 Tt.
Für die Anwendung als Relais sowie beim Antrieb von Schreibgeräten durch das Diquometer ist besonders wichtig, dass in Form des Getriebes ein Speicher (Dämpfung) zur Verfügung steht, der ganz beliebig gewählt werden kann. Bei Schreibgeräten kann aus der Kurvenform auf den Kurvenverlauf ohne Speicher geschlossen werden, und die Registrierlinien bleiben bei kleinem Papiervorschub und stark variablen Messwerten leserlich.
In Fig. 2 ist das wichtigste Anwendungsgebiet des Diquometers dargestellt, u. zw. die Steuerung von Zählern in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung. Als Tangens des Phasenwinkels wird dabei der Quotient aus Blindleistung und Wirkleistung eines mehrphasigen Systems angesehen. In der einschlägigen Literatur findet sich wohl der Vorschlag, Zähler mittels Phasenmesser zu steuern, doch scheiterten praktische Ausführungen an der Unzulänglichkeit der Phasenmesser.
Bei der in Fig. 2 verwendeten Diquometerschaltung für Scheinleistungszähler ist jede Beeinflussung der Messspannung vermieden. Der Verbraucher 20, dessen Scheinleistungsaufnahme zu messen ist, wird durch die Wechselstromquelle 21 gespeist. Das Diquometer besteht aus dem Planetengetriebe 22, dem Wirkleistungszähler 23, dem Blindleistungszähler 24 und der Steuerung 27-30 (rechts vom Getriebe), welche an eine beliebige Hilfswechselstromquelle 25 angeschlossen ist.
Zwischen dem Zähler 23 und dem Planetengetriebe 22 sei dieselbe Übersetzung vorgesehen wie zwischen dem Zähler 24 und dem Planetengetriebe 22. Es sei angenommen, dass die Drehzahl des Zählers 23 überwiege, dann wird die Kreuzwelle 26 entgegen dem Sinn des Uhrzeigers verdreht, ebenso die Kontakte 27 und 28 auf der Schleifbahn 29 bzw. dem Widerstand 30.
Das Drehen des Kontaktes 27 ändert bei dieser Stellung der Kreuzwelle nichts, dagegen steigt der Strom in der Strombremse 31 so lange, bis die Drehzahlen der Zähler 23 und 24 einander gleich sind.
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zu weiten Grenzen ändert. Nach unten ist der Strom Jst durch den Widerstand 33 begrenzt, nach oben genügt es, wenn der Maximalstrom etwa den fünf- bis sechsfachen Wert des Minimalstromes annimmt.
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Konstanten und der Spannung geschrieben werden kann--=-,. Das Verhältnis der Widerstände Ri zu B hängt aber nur von der Stellung der Kontakte 27 und 28 ab, somit bei fester Lage der Widerstände im Raum von der Stellung der Kreuzwelle. Spannung und Frequenz der Hilfswechselstromquelle 25 kommen in obiger Gleichung gar nicht vor.
Die Abhängigkeit vom Quadrat des Widerstandsquotienten
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Winkelfehler der Kreuzachse von etwa 2 bis 2-5'errechnen, wenn der Quotient grösser als 25 bis Un- endlich oder kleiner als 1 : 25 bis Null wird. Ist dieser Winkel gleich y, so ist der Unterschied zwischen EJ und EJ cos y etwa 0-06-0-09%. Bei stärkerer Änderung des Stromes J St lässt sich der Winkeliehler noch kleiner halten, was bei vorliegendem Verwendungszweck nicht erforderlich ist. Sind Begrenzungen des
Ausschlages der Kreuzwelle erforderlich, so erfolgt dies am einfachsten, indem die Kreuzwelle selbst einen kleinen Exzenter od. dgl. antreibt, der den jeweils rascher laufenden Zähler in den EndsteUungen mechanisch bremst.
Auch die Strombremse kann eine mechanische, magnetische oder elektrische Bremse betätigen, wenn auf der letzten Stufe der Strom sein Maximum erreicht.
Mit Hilfe der Kreuzwelle 26 lässt sich nun ein gewöhnlicher Zähler auf die verschiedenste Art und
Weise derart steuern, dass er EJ zählt, ohne eine Funktion der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu berücksichtigen. In Fig. 2 geschieht dies der Darstellung eines einfachen Beispieles zuliebe mittels Vorschaltdrosseln 34 und 35, deren Verwendung allerdings eine Frequenzabhängigkeit zur Folge hat. Die Kontakte 36 und 37 schalten je nach der Stellung der Kreuzwelle 26 einen grösseren oder kleineren Teil der Drosseln 34 und 35 zu und ab und verschieben so die Phasenlage der Spannung an den Klemmen der Spannungseisen des Zählers 40.
Um nicht gleichzeitig die Grösse der Spannung zu ändern, ist der Drossel jeweils noch ein Widerstand 38 bzw. 39 vorgeschaltet, der im gleichen Mass eingeschaltet wird, in welchem der Kontakt die Drossel abschaltet und umgekehrt. Die Phasenlage des
Stromes deckt sich auf diese Weise ständig mit der der Spannung, und der Zähler 40 zählt die Summe der Produkte aus Strom, Spannung und Zeit, welche der Verbraucher 20 aufnimmt, also die Scheinleistung Ns mit grosser Genauigkeit, da er nur das Zählwerk anzutreiben hat und auch die sonst bei Zählung von kWh bei wechselndem cos y auftretenden Fehler ausgeglichen werden. Die Stellung der Kreuzwelle 26 zeigt die Phasenverschiebung oder eine Funktion derselben an.
Um das Drehmoment der Zähler 23 und 24 zu erhöhen, können statt je zwei auch drei Triebwerke Verwendung finden. Die Steuerteile 27-30 werden zweckmässig als Ring-oder Spiralrohr mit Quecksilberkontakt ausgebildet, um das zur Verstellung der Kreuzwelle 26 erforderliche Drehmoment so niedrig als möglich zu halten.
Die Schaltung nach Fig. 2 hat wegen der Frequenzabhängigkeit des Zählers 40 mehr prinzipielle
Bedeutung. Um von der Frequenz unabhängig zu werden, kann an Stelle der Drosseln auch eine Kombination Ohmscher Widerstände treten, da in einem Drehstromsystem jede Phasenlage zur Verfügung steht.
Besser ist es, an Stelle der Drosselspule die an sich bekannte Anordnung nach Fig. 3 zu verwenden, bei welcher auf der aus lamelliertem Blech bestehenden Trommel 50 eine fortschreitende Stabreihenwicklung 52 angebracht ist (in der Praxis ist eine Zweischichtenwicklung besser, weil der Phasenwinkel1200 statt 60'beträgt), die an das Drehstromnetz 51 angeschlossen ist und im Eisenkörper ein Drehfeld induziert. Dieses Drehfeld hat zur Folge, dass die einzelnen Leiter der Wicklung als Punkte eines Potentialkreises anzusehen sind, dessen Mittelpunkt der Sternpunkt des Drehstromsystems ist. Von diesem aus (aber auch in Sehnenform) können nun Spannungsvektoren beliebiger Phasenlage abgenommen werden (bei Sehnenform auch veränderlicher Grösse).
Werden dieselben einem normalen Zähler zugeführt, der an die Stelle des Zählers 40 tritt, so ist die erwünschte Arbeitsweise desselben erreicht. Die Teile 34-39 in Fig. 2 kommen dann zum Fortfall. Die Kreuzwelle 26 treibt die Welle 53 der Fig. 3 an. pie Spannungsspulen 54-56"teilen die Spannungsspulen eines Zählers in drei Leistungsmesserschaltungen dar, doch könnte auch ebensogut die Aronschaltung gewählt werden. Die Abnahme der Spannung erfolgt an der Oberfläche der Wicklung 52, indem dort die Isolation ringförmig entfernt ist, oder an Lamellen usw. (aus Gründen der Darstellung in Fig. 3 schematisiert). Die Kontaktfinger 57-59 verbinden wechselnde Punkte mit drei Kontaktringen 60-62. Das Drehmoment der Kreuzwelle 26 reicht bei zweckentsprechender Ausbildung der Kontakte völlig zu deren Verstellung aus.
Da der Eisenkörper 50 als Autotransformator wirkt, kann er mit sehr kleinen Abmessungen und Verlusten ausgeführt werden.
Die beschriebene Einrichtung kann wegen des relativ grossen zur Verfügung stehenden Drehmomentes an der Kreuzwelle mittels Hilfskontakten oder durch Änderung von Widerständen dritte Einrichtungen steuern oder regeln, also bei bestimmten Abweichungen des Istmesswertes von einem Sollwert eine Änderung des Messwertes im Sinne des Sollwertes bewirken. Insbesondere kann auch ein Zähler durch Relaissteuerung seines Spannungsflusses zum Scheinleistungszähler werden. Die Kreuzwelle kann ferner ein Fernmessgerät steuern oder eine Schreibfeder verstellen.
Soll bei irgendeiner der möglichen Konstruktionen der Ausschlag der Kreuzwelle begrenzt werden, so kann dies, wie bekannt, durch mechanische, magnetische oder elektromagnetische Beeinflussung der Antriebszähler des Differentials von der Kreuzwelle aus erfolgen.