Messwandler
Die Erfindung betrifft einen Messwandler mit einem mehrphasigen oder mehreren einphasigen magnetischen Kreisen, einer aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Spulen bestehenden Primärwicklung und einer aus mehreren Spulen bestehenden Sekundärwicklung, welche mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelt ist.
Dieser Messwandler kann beispielsweise einen dreiphasigen oder drei einphasige magnetische Kreise haben.
Ein solcher Messwandler wird z. B. bei Energieund Leistungsmessungen an mehrphasigen Hochspannungsnetzen angewandt, wobei die Phasenströme und die Phasenspannungen Faktoren der zu bestimmenden Energie bzw. Leistung sind. In diesem Zusammenhang wird auf den Erweiterten Sonderdruck aus ATMV 3416-1 (Lieferung 229, Februar 1955) von der Firma Siemens-Schuckertwerke AG hingewiesen, in dem von S. Franck in einem Artikel Zählung der Drehstromarbeit in Hochspannungsnetzen > > eine Untersuchung der Energieverteilung in einem solchen Netz und die bei genauen Messungen dabei auftretenden Probleme beschrieben worden ist.
Dabei wird die Hochspannung einem Messwandler zugeführt, dessen Primärwicklung und Sekundärwicklung sterngeschaltet sind, wobei die für Messzwecke bestimmten Sekundärspannungen von Sekundärspulen geliefert werden, welche mit zugehörigen, sterngeschalteten, an das zu messende Hochspannungsnetz angeschlossene Primärspulen unmittelbar magnetisch gekoppelt sind. Ein sekundärer Sternpunkt ist durch die galvanische Verbindung der drei Sekundärspulen gebildet. Bei Messungen der in einer Sekundärspule durch magnetische Kopplung mit einer Primärspule erregten Spannung kann jedoch infolge der im Eisen auftretenden magnetischen Sättigung ein Prozentsatz der dritten Harmonischen vorhanden sein, der ziemlich hoch ist und in manchen Fällen 20% des Messwertes betragen kann.
Dagegen zeigt eine Messung der Linienspannung zwischen zwei in ihrem Sternpunkt miteinander und mit der dritten Sekundärspule verbundenen, freien Spulenenden praktisch keine dritte Harmonische, weil im sekundären Sternpunkt ein Ausgleich der in den zwei betreffenden Sekundär spulen induzierten dritten Harmonischen stattfindet. Diese zusammengesetzte Linienspannung wird jedoch nur selten für die Messung benützt. Für die Messung wird vorzugsweise eine Spannung verwendet, welche proportional zur primären Phasenspannung des Netzes ist und die Richtung dieser Phasen spannung hat, jedoch einen Prozentsatz der wie oben beschrieben entstandenen, dritten Harmonischen enthält.
Zur Beschränkung der infolge der höheren Harmonischen bei der Messung auftretenden Ungenauigkeiten wurde öfters versucht, das Messinstrument, welches jedoch ebenfalls magnetische Sättigungsphänomene zeigen kann, in seinen einzelnen Phasen zu korrigieren. Eine solche Korrektur komplizierte jedoch die Messungen und es war dann nicht mehr möglich, die einzelnen Messinstrumente auszutauschen.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie einen Messwandler der eingangs erwähnten Art schafft, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spulen der Primärwicklung in Polygon geschaltet sind, und die Spulen der Sekundärwicklung eine der Anzahl der Primärphasen entsprechende Anzahl Paare bilden, und dass eine Spule jedes dieser Sekundärspulenpaare mit einer und die andere Spule mit der anderen derjenigen Primärspulen unmittelbar magnetisch gekoppelt ist, die an dem Eckpunkt des Primärspulen-Polygons, der dem betreffenden Sekundärspulenpaar zugeordnet ist, miteinander verbunden sind, und dass beide Spulen jedes Sekundärspulenpaares so dimensioniert und miteinander in Reihe geschaltet sind, dass die im betreffenden Sekundärspulenpaar erregte Summen-Spannung proportional der virtuellen,
primären Phasenspannung im zugeordneten Eckpunkt des Primärspulen-Polygons ist und die Richtung dieser Phasenspannung hat.
Durch diese Ausbildung des Messwandlers wird der Vorteil erreicht, dass die sekundäre Spannung nicht als Phasen spannung, in welcher ein hoher Prozentsatz der dritten Harmonischen auftritt, abgenommen, sondern durch Zusammensetzung zweier verketteter Spannungen so gebildet wird, dass sie praktisch keine dritte Harmonische durch nichtlineare Magnetisierungserscheinungen enthält. Es erübrigt sich somit eine Korrektur der in den einzelnen Phasen eingeschalteten Messgeräte.
Da die Sekundärspulen eines Spulenpaares unmittelbar mit den Primärspulen magnetisch gekoppelt sind, und die in diesen Sekundärspulen induzierte Spannung manchmal in bezug auf einen Eckpunkt des primären Spannungspolygons gemessen werden soll, ist es von Vorteil, in solchen Fällen den erfindungsgemässen Messwandler teilweise als Autotransformator auszubilden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher eine der Spulen wenigstens eines der Sekundärspulenpaare durch wenigstens einen Teil der mit dieser Spule magnetisch gekoppelten Primärspule gebildet. Dies geschieht vorzugsweise, wenn die zu erzeugende Messspannungen in derselben Grössenordnung wie die zu bestimmende, primäre Phasenspannung liegt.
Wenn im Falle der Verwendung eines auf diese Weise als Autotransformator ausgeführten, erfindungsgemässen Messwandlers die zu erzeugende Messspannung genau gleich der erwähnten primären Phasenspannung sein muss, welche Bedingung an sich erfüllt wird, wenn ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 3 zwischen den Sekundärspulen und den mit diesen Spulen induktiv gekoppelten Primärspulen gewählt wird, haben alle freien Enden der Paare der Sekundärspulen das Potential, so dass diese Enden miteinander zu einem Sekundärsternpunkt des Messwandlers vereinigt werden können, der durch die Paare der Sekundärspulen galvanisch mit den Eckpunkten des primären Spannungspolygons verbunden ist.
Wenn in einem Elektrizitätswerk oder in einem Labor schon eine Messanlage vorhanden ist, welche einen üblichen Messwandler enthält, dessen Sekundärwicklungen mit einem Ende je an einen Pol eines der Messinstrumente angeschlossen sind, kann vorteilhaft ein erfindungsgemässer Messwandler als Hilfswandler verwendet werden, indem an jedes der genannten Enden der Sekundärwicklungen des anderen Messwandlers (A) ein Primärwicklungspol und ein Ende eines Sekundärspulenpaares des Hilfswandlers (B) und an den anderen Pol jedes Messinstruments das andere Ende des betreffenden Sekundärspulenpaares des Hilfswandlers (B) angeschlossen wird.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Spannungs-Diagramm eines Messwandlers nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Schaltschema eines erfindungsgemässen Messwandlers, und
Fig. 3 ein Schaltschema einer Messanlage mit einem vorhandenen Messwandler A und damit einseitig verbundenen Messinstrumenten, bei welcher ein nachgeschalteter Messwandler B nach der Erfindung als Hilfswandler verwendet ist.
In Fig. 1 sind mit R, S und T die an die Primärwicklung eines dreiphasigen Messwandlers (oder an die Primärwicklung von drei einphasigen Messwandlern) angeschlossenen Spannungen bezeichnet, deren Phasenspannungen O-R, O-S und O-T bestimmt werden müssen. Die in Dreieck geschalteten Primärspulen t, r und s des Messwandlers werden von den Linienspannungen R-S, S-T und T-R gespeist und sind frei von einer in jeder der primären Phasenspannungen O-R, O-S und O-T eventuell enthaltenen, von der Spannungsquelle (z. B. der in Stern- oder offener V) Schaltung geschalteten Sekundärwicklung eines Anpassungstransformators) herrührenden dritten Harmonischen. Mit den Primärspulen t, r und s sind Sekundärspulen t', t", r', r", s' und s" unmittelbar magnetisch gekoppelt.
Diese Sekundärspulen sind paarweise reihengeschaltet und bilden die Paare r' und t", t' und s", s' und r". Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Sekundärspulen eines Paares und den mit diesen Spulen gekoppelten Primärspulen ist dasselbe, so dass t' s" r' t" s' r" = - und t s r t s r
Die von diesen Sekundärspulenpaaren erzeugten, zusammengesetzten Spannungen eR, es und eT haben je die Richtung der Mittellinien im Eckpunkt R, S bzw. T des primären Spannungspolygons RST. Die Grösse der Spannungen eR, es und ep, deren Phase gleich oder entgegengesetzt gleich der Phase der primären Phasenspannungen O-R, O-S bzw.
O-T ist, ist durch die (je Spulenpaar einander gleichen) über- setzungsverhältnisse zwischen den Sekundärspulen und den mit diesen unmittelbar magnetisch gekoppelten Primärspulen, r, s und t bestimmt. Für Übersetzungsverhältnisse, die kleiner, gleich oder grösser als 1 : 3 sind, ist die in einem Paar sekundärer Spulen erzeugte Spannung kleiner als, ebenso gross wie oder grösser als die zu bestimmende, primäre Phasen spannung. Dies ermöglicht es, einen dem Messbereich einer schon existierenden Messanlage entsprechenden Messwert zu wählen. Die in dieser Weise erzeugten Messspannungen, deren Stromkreise noch gegen jeden einzelnen Spannungspunkt des primären Spannungspolygons isoliert sind, sind proportional zu den virtuellen, primä ren Phasenspannungen und haben die Phase derselben.
Fig. 2 zeigt wie die zusammengesetzten Sekundärspannungen eR, es und eT eines erfindungsgemässen Messwandlers für Messzwecke verwendet werden können. Dabei ist es möglich, die drei Messkreise entweder in einem Punkt miteinander zu verbinden, wie mit gestrichelten Linien dargestellt, oder jeden dieser Messkreise an einem Ende an einen der primären Spannungspunkte R, S oder T des Messwandlers anzuschliessen. Im ersteren Falle können die Messkreise in ihrem Verbindungspunkt geerdet werden.
Wenn die Übersetzungsverhältnisse zwischen allen Sekundärspulen und den unmittelbar mit diesen magnetisch gekoppelten Primärspulen 1 : 3 betragen, so dass die Messwerte eR, es bzw. er gleich den virtuellen, zu bestimmenden, primären Phasenspannungen O-R, O-S und O-T sind, ist es möglich, die drei Messkreise sowohl an einem Ende miteinander zu verbinden, als auch am anderen Ende an die betreffenden primären Spannungspunkte R, S bzw. T anzuschliessen.
Es ist ersichtlich, dass, wenn eine der Sekundärspulen eines Paares mit einer bestimmten Primärspule unmittelbar magnetisch gekoppelt und überdies an einem Ende mit einem Spannungspurikt der diesbezüglichen Primärspule verbunden ist, die betreffende Sekundärspule mit der Primärspule ein Ganzes bilden kann, in welchem Falle der Messwandler zum Teil als Autotransformator ausgeführt ist.
In Fig. 3 ist schematisch eine Schaltung einer Messanlage dargestellt, welche sowohl einen Messwandler A und einpolig an diesen angeschlossene Messinstrumente als auch einen an eine solche, bestehende Anlage nachträglich hinzugeschalteten Hilfswandler B erfindungsgemässer Konstruktion hat. Dabei ist angenommen, dass der Messwandler A wie üblich Stern Stern geschaltet ist. Wenn der Sternpunkt der Sekundärwicklung des Messwandlers A als zweiter, gemeinsamer Messpunkt für die drei Messinstrumente verwendet werden würde, was bisher meistens der Fall war, würde jede der gemessenen, sekundären Phasenspannungen einen ziemlich hohen Prozentsatz der dritten Harmonischen enthalten.
Auch wenn die drei Messinstrumente getrennt vom sekundären Sternpunkt des Messwandlers zusammen zu einem zweiten Messpunkt verbunden werden, ist es möglich, dass infolge nicht-linearer Eigenschaften der einzelnen Messinstrumente keine richtige Anzeige erfolgt, und dass ausserdem bei Leistungsmessungen die Summe der in der beschriebenen Weise bestimmten Phasenleistungen nicht ausreichend genau ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Messwandler A auch in sog. offener V Schaltung ausgeführt sein kann. Das oben Bemerkte trifft dann ebenfalls zu.
Durch Nachschaltung eines Messwandlers nach der Erfindung als Hilfswandler ist es möglich, für jedes der einzelnen Messinstrumente einen zweiten Messpunkt zu schaffen, wobei praktisch keine dritte Harmonische mehr auftritt, und die erwähnte Ungenauigkeit vermieden wird. Aus Fig. 3 ist zu ersehen in welcher Weise die Spannungen eB, es und eT im Hilfswandler B erzeugt werden. Die Paare sekundärer Spulen sind an einem Ende, zusammen mit einem Primäranschluss, an die Sekundärwicklung des Messwandlers A, dem der Hilfswandler zugeordnet ist, angeschlossen, wobei sie an ihrem < freien Ende je einen zweiten Messpunkt für die einzelnen Messinstrumente bilden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Messspannungen eR, es und er kleiner als die zu bestimmenden, virtuellen, primären Phasen spannungen O-R, O-S und O-T, weil vorausgesetzt ist, dass die Messinstrumente einen niedrigeren Messbereich haben als der Phasenspannungshöchstwert. Wenn dieser Messbereich dagegen die zu messenden Phasenspannungen übertreffen würde, dann ist es durch Verwendung eines höheren Transformierungsverhältnis als 1 3 möglich, entsprechend grössere Messwerte zu er- zeugen. Wenn das diesbezügliche Übersetzungsverhältnis jeder Sekundärspule zur unmittelbar mit ihr gekoppelten Primär spule gleich 1 : 3 gewählt wird, ist die Messspannung eR, es bzw. er genau gleich der virtuellen Phasenspannung O-R, O-S bzw.
O-T, so dass die drei Sekundärspulenpaare des Hilfswandlers B an ihren freien Enden einen gemeinsamen, neuen Sternpunkt bilden, der als gemeinsamer, zweiter Messpunkt für die Messinstrumente dienen kann.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Verwendung des erfindungsgemässen Wandlers als Hilfswandler ist letzterer als Autotransformator ausgeführt. Dies ist nicht notwendig. Auch rein magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelte und mit einem primären Eck- punkt galvanisch verbundene Paare sekundärer Spulen können zu selben Zweck verwendet werden.