Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit kom plexem selbstabgleichenden Kompensator für Wdchselstromgrössen, bei dem die zu messende Grösse nach einem Realteil und einem Imaginärteil abgeglichen wird.
Bekannt sind komplexe Wechselstromkompensatoren mit selbsttätigem Abgleich der rellen und imaginären Komponente durch phasenabhängige Nullmotoren, für die z.B. auch Induktionszähler-Messwerke verwendet werden. Bei anderen Wechselstromkompensatoren verwendet man Induktionsdynamometer oder Doppel-Elektrodynamometer als Drehtransformatoren. Diese Geräte ha ben alle den Nachteil, dass der mechanische Aufwand beträchtlich ist. Wesentlich einfacher lassen sich Kompensatoren mit elektronischen Mitteln herstellen. Auch hier gibt es schon Kompensationsschaltungen mit Nullgeneratoren und mit magnetisch steuerbaren Widerständen, wobei diese zum Abgleich von Wechselstrom-Messbrücken dienen.
Jedoch können mit diesen keine Spannungen oder Ströme kompensiert werden durch in bezug auf Grösse und Phase veränderbare Vergleichsspannungen oder -ströme, die aus zwei hintereinandergeschalteten um 900 gegeneinander phasenverschobenen Teilgrössen bestehen.
Die Aufgabe besteht daher darin, eine Messanordnung mit komplexem selbstabgleichenden Kompensator für Wechselstromgrössen, bei dem die zu messende Grösse nach einem Realteil und einem Imaginärteil; abgeglichen wird, zu schaffen, mit dessen Hilfe zur Kompensation Vergleichsspannungen oder -ströme verwendet werden können, die in bezug auf Grösse und Phase veränderbar sind und die aus zwei hintereinandergeschalteten um 90 gegeneinander phasenverchobenen Teilgrössen bestehen.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass sie zwei Regelkreise zur Lieferung einer Kompensationsspannung, die der zu messenden Wechselspannungsgrösse entgegengeschaltet wird, aufweist, von denen einer den Imaginärteil und der andere den Realteil der zu messenden Wechselstromgrösse regelt, und dass die beiden Regelkreise über einen Verstärkerzug miteinander verkoppelt sind, an dessen Eingang die Differenz der zu messenden Wechselstromgrösse und der in den beiden Regelkreisen erzeugten Kompensationsgrösse gebildet wird.
Mit der messanondnung nach der Erfindung können Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Verlustfaktoren von Kondensatoren und Kabeln in Abhängigkeit von Spannung, Strom, Spannung und Leistung und Fehler von Strom- und Spannungswandlern gemessen werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
In Fig. 1 ist die Messanordnung mit Kompensator in Form einer Wandlermesseinrichtuntg dargestellt. Ein Normalspannungswandler 11 und einzu prüfender Spannungswandler 12 liegen primärseitig parallel an der gleichen Spannung und sind sekundärseitig über einen hohen Widerstand 13 parallelgeschaltet. Am Widerstand 13 liegt dann die Spannungsdifferenz der Sekundärspannungen U2 - wU, die über einen nicht dargestellten Verstärker an den Eingang des komplexen Wechselstromkompensators gelegt wird. Die am Ausgang des Verstärkers liegende Spannung Ux ist proportional dieser Spannungsdifferenz. Ein Wandler 14 übersetzt die Sekundärspannung U1 auf die erfonderliche Bezugsspannung Ure. Die darauf senkrechte Komponente UIm wird über eine 90 Schaltung gewonnen. Es ist also URe # U1 und UIm = jURe.
Die zu messende Grösse wird direkt an einen Summierpunkt 1 gelegt. Die Referenzgrösse wird einerseits an Filter 5a, Sb geführt, andererseits einer Schaltungsanordnung zugeleitet, welche aus zwei Regelkreisen besteht. Die Regelkreise enthalten jeder einen elektroni schen Mu@@iplizierer 4a bzw. 4b, deren Ausgänge mit dem Summierpunkt 1 verbunden sind, gesteuerte Gleichrich ter 3a bzw. 3b mit nachgeschalteten Verstärkern 8a bzw.
8b, deren Ausgänge mit den elektronischen Multiplizie rern 4a bzw. 4b verbunden sind. Die Gleichrichter 3a bzw.
3b werden gesteuert von Steuereinrichtungen 2a bzw. 2b, die vom Filter 5a beaufschlagt werden. Die beiden Regelkreise haben eine gemeinsame Koppelstrecke, in der ein aus einem Filter 6 und einem regelbaren Verstärker 7 bestehender Nullverstärker liegt. Die Regelung des Verstärkers 7 wird über das Filter Sb besorgt. Am Ausgang des Kompensators sind an jedem Regelkreis Messgeräte 9a bzw. 9b und Siebe 10a bzw. 10b angeschlossen.
In einem der beiden Regelkreise liegt eine 90 -Schaltung
15. Eine weitere 90 -Schaltung 16 ist zwischen das Filter Sa und die Steuereinrichtung 2b geschaltet. Es ist jedoch möglich, nur eine 900-Schaltung zu verwenden.
Dem einen Multiplizierer wird eine der Bezugsspannung oder dem Bezugsstrom proportionale, dem Realteil entsprechende Wechselstromgrösse URe zugeführt, dem anderen eine dem Betrage nach gleiche, jedoch um 900 phasenverschobene, dem Imaginärteil entsprechende Wechselstromgrösse Uim. Diese beiden Grössen werden jeweils mit einem solchen Gleichstrom multipliziert, dass am Ausgang die Spannung Uk entsteht, die wiederum aus den von beiden Multiplizierem abgegebenen und aufeinander senkrecht stehenden Teilgrössen der reellen Komponente UKRe und der imaginären Komponente UKIm besteht.
Ist die Spannung Uk nach Betrag und Phasenlage gleich Ux, dann sind die Gleichspannungen dem Betrage nach proportional dieser Spannung, wobei die eine URe- ausserdem noch dem Kosinus des Winkels α zwischen dem Vektor dieser Spannung und dem der Bezugsgrösse URe proportional ist und die andere UIm- dem Sinus des Winkels α zwischen den Vektoren dieser beiden Grössen.
Da die Gleichspannungen URe- und UIm- sowohl positiv als auch negativ sein können, werden somit Spannungsvektoren in allen vier Quadranten kompensiert. Die Gleichspannungen können nun Messgeräten mit Zeigern oder digitalen Messgeräten, letztere auch mit Druckeranschluss versehen, oder X-Y-Schreibern mit zwei Messwerken in der Y-Achse zugeführt werden, so dass eine fortlaufende Anzeige oder Aufzeichnung der gemessenen Werte möglich ist.
Zur Erzeugung der gegen URe um 90 phasenverschobenen Bezugsspannung UIm besteht die 90 -Schaltung entweder aus einer Gegeninduktivität, insbesonders einer Integrationsschaltung, oder aus einer der sonstigen üblichen 90 -Schaltungen. Speziell bei der Prüfung von Stromwandlern hat die Verwendung eines Integrators den Vorteil, dass der Frequenzausgang von Integrator und Wandler für Oberschwingungen gleichartig ist, so dass im Nullzweig bei oberschwingungshaltigem Primärstrom keine zusätzlichen Oberschwingungen auftreten. Zur Verringerung der Aufnahmeleistung kann die Gegeninduktivität auch von einem Verstärker gespeist werden, an dessen Eingang URe bzw. UIm liegen. Ausserdem kann die 90 -Schaltung auch eine mit einem Verstärker gebil dete Integrierstufe sein, die dann unmittelbar die um 90 phasenverschobene Bezugsspannung UIm erzeugt.
Die Multiplizierer 4a und 4b multiplizieren je nach ihrem Aufbau entweder Spannungen miteinander oder Ströme mit Spannungen. An dem ersten Eingang des Multipli zierers Ma liegt die Bezugsspannung URe und an dem des Multiplizierers Mb die Bezugsspannung Uim. Muss der erste Eingang jeweils mit einem Strom gespeist werden, so werden die Bezugsspannungen über Verstärker in proportionale Ströme umgewandelt.
Die phasengesteuerten Gleichrichter 3a und 3b mit eingebauten nachfolgenden Gleichstromverstärkern dienen dazu, die Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung praktisch zu beseitigen. Ihre Durchlasszeiten werden durch die von. den Steuereinrichtungen 2a und 2b gelieferten Bezugsspannungen gesteuert. Die Gleichrichter liegen in dem Ausgangskreis eines Verstärkerzuges, der aus einem regelbaren Verstärker 7 sowie Verstärkern 8a und 8b besteht, deren Eingang in Reihe mit zwei die Kompensationsspannung Uk liefernden Filtern 5a und 5b und der zu messenden Spannung Ux liegt.
Die Werte der sich aus den Gleichrichtern 3a und 3b ergebenden Gleichspannungen oder Gleichströme können an den Messgeräten 9a oder 9b abgelesen oder mit entsprechenden Geräten (Druckern, Schreibern) aufgezeich- net werden, wobei die Messgeräte über Spannungsfolger oder über Verstärker mit einer dem Messbereich angepassten Verstärkung gespeist werden, damit der Mess- kreis unabhängig von dem Eigenverbrauch der Messge- räte wird. Die zu messende Spannung Ux wird zweckmässig über einen Spannungsfolger an den Kompensationskreis gelegt, damit dieser unabhängig von dem Innenwiderstand der Spannungsquelle Ux ist, oder über eine spezielle Verstärkerschaltung, die einen erdfreien Anschluss erlaubt.
Die Schaltung ist nun so gepolt, dass die von dem regelbaren Verstärker 7 und den Gleichrichtern 3a und 3b abgegebenen Gleichspannungen URe- und UIm- multipliziert mit den Bezugsspannungen URe und UIm eine solche Kompensationsspannung (Zeigerdiagramm Fig. 2)
Uk = UKRe + jUKIm erzeugen, dass diese der zu messenden Spannung
Ux = UXRe + jUXIm = UX . cos α + UX. j sin α entgegenwirkt und nur eine sehr kleine Differenzspannung Uo am Eingang des Filters 6 mit dem nachgeschalteten regelbaren Verstärker 7 zur Aufrechterhaltung der Gleichspannungen bleibt. Die Teilspannunge UKRe und UKRe und UXRe liegen in phase mit der reellen Kompo nente der Bezugsspannung URe und die Teilspannungen UKIm und UXIm legen in Phase mit der imaginären Komponente UIm.
Dementsprechend kann auch die Differenzspannung Uo in die beiden Komponenten
UORe = UXRe und UOIm = UXIm - UKIm zerlegt werden. Solange die Komponenten von UK nicht gleich den Komponenten von Ux sind, wirkt auf den Verstärker die Differenzspannung UO ein und regelt die Gleichspannungen so, dass
UKRe # UXRe und
UKIm # UXIm sind.
UXRe ersetzt die zeitlich sinusförmig veränderliche Grösse
UXRe = ûXRe . sin w t.
Der Multiplizierer Ma multipliziert URe bzw. URe = ûRe . sin w t mit einer Gleichspannung eines solchen Betrages URe-, dass UKRe # UXRe = ûXRE . sin w t = k1 . URe- . ûRe . sin w t.
Aus ûXRe . sin w t = ûX . cos α . sin w t folgt, dass die Gleichspannung
EMI2.1
ist.
Analog ist die Gleichspannung
EMI2.2
Die Proportionalitätsfaktoren k1 und k2 werden von der Art der Multiplizierer bestimmt.
Der Gleichrichter 3a wird durch die Bezugs spannung URe so gesteuert, dass er zwischen 0 und # geöffnet ist und zwischen # und 2 2# den um 1800 gedrehten Strom durchlässt. Es ist dann der Gleichrichterwert der erzeug- ten Gleichspannung ûX. cos α
Der Gleichrichtwert der Gleichspannung ist
UIm- # ûx . sin wenn der Gleichrichter durch die Bezugsspannung UIm gesteuert wird. Aus den Gleichungen folgt, dass die Wirk- komponente der zu messenden Spannung Ux
UX. cos α = k1 . URe . URe- = K . U . URe und die Blindkomponente
UX . sin α = k2 . UIm . UIm- = K.U.UImist, da URe und UIm proportional der angelegten Spannung U sind.
Der Phasenwinkel ist
EMI2.3
Damit das Messergebnis unabhängig von Oberschwingungen ist, die in der Differenzspannung Uo enthalten sein können, ist der regelbare Verstärker 7 mit dem Fil- ter 6 als Nullverstärker geschaltet. Zum Ausgleich der durch dieses Filter hervorgerufenen Phasenverschiebung können in die Zuleitungen zu den phasengesteuerten Gleichrichtern ein gleichartiges Filter bzw. zwei gleich artige Filter eingesetzt werden. Dies wird erforderlich, wenn Filter grosser Oberschwingungsdämpfung und damit grosser Laufzeit nötig sind.
Da sich bei Spannungsänderungen UKRe und URe bzw.
UXIm und UIm gleichermassen ändern, sind die Gleichspannungen und damit die Anzeige unabhängig von Spannungsschwankungen der Stromquelle I bzw. der Spannung U. Bei Einstellungen von I oder 'U zwischen 1% und 200% des Messwertes ändert sich die Anzeige um weniger als 1% ihres Wertes. Allerdings wird mit der Höhe der anliegenden Spannung der Verstärkungsgrad des Verstärkers 7 und damit auch die Einstellzeit beeinflusst. Um einmal bei hohen Werten von I und U ein Schwingen der Anordnung zu vermeiden, andererseits aber die Einstellzeit auch bei kleineren Werten von I und U kleiner als 1 s zu halten, wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers mit zunehmendem I oder U mittels magnetfeldabhängigen Widerständen herabgesetzt. Es sind auch andere Mittel, z.B. fremd - oder selbstgeheizte Thermistoren anwendbar.
Auch kann es von Vorteil sein, einen digital schaltenden Abschwächer zu verwenden, wenn z.B.
der Betrag der Referenzgrösse als Digitalwert vorliegt; oder beide Mittel, die stetige Steuerung und die digitale Steuerung zu kombinieren. Weiter kann es vorteilhaft sein, nur den dynamischen Bereich zu vergrössern, wenn eine Verstärkungsumschaltung von z. B. genau 10fach am Referenz- und Signaleingang gleichzeitig vorgenommen wird. Hierbei werden I oder U gleichgerichtet und mit dem Gleichstrom das zu steuernde Feld erzeugt, das nun proportional I oder U ist. Je nach der Art des Multiplizierers eignet sich der Kompensator zur unmittelbaren und leistungslosen Messung von Spannungen kleiner als ein Millivolt bis zu 10 Volt. Für höhere Spannungen kann ein induktiver Spannungsteiler verwendet werden.
Der Spannungsfehler eines Spannungswandlers ist definiert als
EMI3.1
Unter der Voraussetzung, dass der Normalwandler keinen Fehler hat, kann man auch schreiben: (siehe Zeigerdiagramm Fig. 3; statt 1 ist jeweils U zu setzen), für den Spannungsfehler
EMI3.2
und für den Fehlwinkel
EMI3.3
denn
EMI3.4
wobei # sehr klein ist.
Wach dem Abgleich ist:
UKRe # UX . cos α = k1 . URe . URe-, da URe # U1, ist :
EMI3.5
Die Skalen der messgeräte 9a und 9b können in % bzw. in Minuten geteilt werden, so dass die Fehler des Wandlers unmittelbar abgelesen werden können.
Bei der Messung von Fehlern von Stromwandlern werden ein Normalwandler und der zu prüfende Stromwandler primärseitig in Reihe und sekundärseitig über die Bürde und über einen bei den Sekundärkreisen gemeinsamen Diagonalwiderstand gegeneinander geschaltet, so dass im Diagonalzweig die Differenz der beiden Sekundärströme I2 - I1 fliesst. In dieser Schaltung kann der Diagonalwiderstand klein gehalten werden, so dass die Wandler voneinander unabhängig sind. Der Spannungsabfall an R liegt am Eingang eines Verstärkers, der eine dem Differenzstrom proportionale Spannung Ux abgibt, die dem komplexen Kompensator zugeführt wird.
Die Verstärkung von 10 kann 1 : 10 umschaltbar gemacht werden. Dadurch ist es möglich, das 0,1fache der Fehler bei Vollausschlag der Messgeräte 9a bzw. 9b zu messen. Dies letztere gilt auch für die Messung der Fehler von Spannungswandlern.
Der Stromfehler eines Stromwandlers ist definiert als
EMI3.6
Unter der Voraussetzung, dass der Normalstromwandler keinen Fehler hat, kann man auch schreiben: (siehe Zeigerdiagramm Fig. 3) für den Stromwandler:
EMI3.7
und für den Fehlwinkel :
EMI3.8
Die proportionalen Bezugsspannungen URe und UIm werden, wie in den vorhergehenden Schaltungen beschrie ben, erhalten. Es ist ferner Ix # Ux.
Es ist dann und denn
EMI3.9
Nach dem Abgleich ist wieder
UKRe # UX . cos α = k1 . URe . URe und
EMI3.10
Formelzeichen :
Grosse Buchstaben bedeuten Effektivwerte, unterstrichene grosse Buchstaben bedeuten Zeigerwerte, kleine Buchstaben bedeuten zeitabhängige Grössen, kleine Buchstaben mit Dach bedeuten Scheitelgrössen.
Indices : K = Kompensationsgrösse Re = Realteil Im = Imaginärteil KN = Korrekturfaktor des Normalwandlers