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Vorrichtung zum Messen des Verbrauchs in elektrischen Gleichstromnetzen
bei auch sich änderdernder Netzspannung mittels Induktionszähler und Gleichstromwandler
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Verbrauchs in elektrischen
Gleichstromnetzen bei auch sich ändernder Netzspannung mittels Induktionszähler
und Gleichstromwandler und bezweckt, die bei den bekannten Gleichstromzählern auftretenden
Nachteile zu beseitigen.
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Die bekannten Gleichstromzähler weisen den sehr erheblichen Nachteil
auf, daß sich beträchtliche Meßfehler ergeben, wenn die Spannung unter den nominellen
Wert absinkt. Nach den deutschen Normen ist die Möglichkeit einer Änderung der Spannung
im Bereich von i 100/o und einer Anderung des Fehlers im Bereich von i 2 °tO zulässig.
Es gibt aber heute zahlreiche Gleichstromnetze, z. B. in von Gleichstrommotoren
betriebenen Walzwerken, bei Gleichstrommaschinen für Papierfabriken usw., in denen
die Netzspannung stark veränderlich ist und sogar bis zu 100/, der nominellen Spannung
absinken kann. In solchen Fällen ist eine genaue Messung des Verbrauchs mit den
bisher bekannten Zählern praktisch unmöglich.
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Wird, wie dieses auch bekannt ist, nicht die tatsächliehe Gleichspannung,
sondern die Wechselspannung zur Speisung des Gleichrichters betrachtet, summieren
sich die inneren Spannungsabfälle des Transformators und des Gleichrichters, so
daß eine genaue Messung der im Gleichstromnetz verbrauchten Energie unmöglich ist.
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Diese Nachteile sollen nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden,
daß der Zählvorgang auf einer völlig anderen Basis aufgebaut ist. Das geschieht
durch die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen des Verbrauchs in elektrischen
Gleichstromnetzen auch bei sich ändernder Netzspannung mittels Induktionszähler
und Gleichstromwandler, bestehend aus zwei Modulatoren, von denen der eine mit dem
Summenstrom aus einem gleichspannungsproportio nalen Strom und einem netzproportionalen
Strom und der andere mit dem Differenzstrom aus den gleichen Strömen eine Hilfswechselspannung
moduliert, aus zwei Amperequadrat-Stundenzählern, denen die Modulatorströme zugeführt
sind, und aus Mitteln zur Differenzbildung aus den Zählermeßwerten.
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Demgemäß besteht der in Abb. 1 dargestellte Gleichstromzähler aus
zwei Amperequadrat-Stundenzählern C1 und C2, die von einem Transformator Ta über
zwei Modulatoren M1 und M2 gespeist werden, die über eine Summenschaltung A1 von
der Summe und über eine Differenzschaltung S1 von der Differenz der Ströme io und
1e2 proportional dem Leitungsgleichstrom Ic und der Spannung des Gleichstromnetzes
Vc kontrolliert werden.
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Die beiden Zähler sind derart verbunden, daß die Rotationsgeschwindigkeit
der Läufer proportional ist zu: (iei t ie2)2 - ic2)2= 4tc1fc2= K10 ;e2 = kg Ve,
Ve, so daß das mechanisch mit den Läufern verbundene Zählwerk die Gleichstromenergie
1 Vc Ic dt anzeigt.
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Die vorbeschriebene Vorrichtung kann auch zur Bildung des Zeitintegrals
des Produktes zweier irgendwie veränderlicher physikalischer Größen gebraucht werden,
vorausgesetzt, daß diese in elektrische Größen überführbar sind.
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Die Modulation der die Triebsysteme der beiden Zähler durchfließenden
Wechsel ströme kann mit Hilfe zweier gleichstromvormagnetisierter Drosselspulen
erzielt werden, die, wie bekannt, in der gewöhnlichsten Ausführung von einem Paar
ferromagnetischer Kerne gebildet werden. An jedem dieser Kerne sind zwei Spulen
angebracht, eine Ausgangs spule, in der ein Wechselstrom fließt, und eine Steuerspule,
in der ein Gleichstrom fließt. Durch eine entsprechende geometrische Bemessung der
ferromagnetischen Kerne der Drosselspulen sowie eine entsprechende Auswahl der
Ausgangswindungszahl
und der Größe der Hilfs-Wechselspannung kann man den Ausgangsstrom proportional
dem Steuerstrom und praktisch unabhängig von den Veränderungen der Wechselhilfsspannung
und Frequenz machen. Das wird durch eine erzwungene Magnetisierung in den Kernen
erzielt, d. h. das Entstehen von Oberwellen muß sowohl im Ausgangskreis als auch
im Steuerkreis vermieden werden. Wenn neben den obenerwähnten Eigenschaften die
Phase des Ausgangsstromes von der Polarität der Eingangsgröße abhängig sein soll,
müssen zwei Kernpaare verwendet werden, von denen jedes einen Zweig einer Gegentaktschaltung
bildet. In diesem Falle ist auf jedem Kern eine dritte Spule, eine sogenannte Vormagnetisierungswicklung,
notwendig. Diese Spule wird von einem Gleichstrom durchflossen, der einen vorher
festgelegten und konstanten Wert hat, der den Betriebspunkt in die mittlere Lage
der Kennlinie eines jeden Kernpaares verlagert. Die Bezeichnung »Kennlinie« eines
vormagnetisierten Transduktors bedeutet die Funktion des Ausgangswechselstromes
in Abhängigkeit von dem Steuergleichstrom.
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Das Schaltschema der Vorrichtung mit zwei gleichstromvormagnetisierten
Drosselspulen, die als additive und subtraktive Modulatoren wirken, ist in Abb.
2 dargestellt: TA und TS bezeichnen die Drosselspulenanordnungen, die mit zwei Steuerwicklungen
versehen sind, von denen die eine vom Strom des Netzes Ic oder einem ihr proportionalen
Strom (ich) und die andere von einem der Netzspannung Ve proportionalen Strom (ie2)
durchflossen wird.
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Cm und C2 bezeichnen die beiden Amperequadrat-Stundenzähler mit ihren
Spannungsspulen vl, v,und Stromspulen al, a.
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Z1 und Z2 sind Impedanzen für die Dämpfung der geraden Oberwellen
in beiden Steuerkreisen.
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Ta ist ein Transformator, dessen Primärwicklung mit dem Wechselstromnetz
verbunden ist, während die Sekundärwicklungen des Transformators die beiden Modulatoren
speisen.
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Ein Nachteil der vorbeschriebenen Vorrichtung liegt darin, daß die
beiden Zähler gleiche Fehler fürjeden Wert des durch sie fließenden Stromes haben
müssen.
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Die Folgen möglicher Differenzen zwischen den Fehlern sind schwerwiegend,
besonders wenn ic, oder ie2 gleich Null sind; tatsächlich wird, wenn eine solche
Meßanlage unter diesen Bedingungen eine lange Zeitspanne hindurch arbeiten muß,
einer der Zähler von dem anderen abweichende Werte anzeigen, und man wird, unter
Berücksichtigung der Zeit, für das Integral des Produktes der zwei Funktionen, im
Gegensatz zur grundlegenden Voraussetzung (Ici oder ie2 = 0), einen Wert erhalten,
der von Null abweicht. Dieser Mangel kann leicht vermieden werden, indem man die
beiden Amperequadrat-Stundenmeßzähler gleichachsig anordnet und auf ihrer gemeinsamen
Achse eine Hemmvorrichtung für den Anlauf anordnet, wie sie allgemein bei Induktionsmeßgeräten
verwendet werden. In diesem Fall erscheinen die Zähler als Induktionszähler mit
zwei Trieb systemen mit der einzigen Abweichung, daß die Strom und Spannungsspulen
jedes Systems parallel angeordnet sind und die Ausgangsströme aus den Umformern
durch sie fließen. Zur Verallgemeinerung ist angenommen, daß iel oder auch ich gleich
Null sein könnten. In der Praxis jedoch kann nur die Bedingung iel = 0 auftreten,
die der Leerlaufschaltung (Ie = 0) der Meßvorrichtung entspricht.
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Für die Meßeinrichtung kann man ableiten, daß sie - zum Unterschied
zu der von Savastano und Perez de Vera erwähnten Tatsache (s. L'Energia Elettrica
n. 6, 1956) - die Messung des elektrischen Verbrauchs auch in dem Falle zuläßt,
wenn die Polarität des Gleichstromes und der Gleichspannung oder aller beider sich
umkehrt, ohne daß man Gegentaktkopplung mit Polarisierungswickl ungen und Trockengleichrichtern
haben muß.
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Nach diesen Erläuterungen sollen einige Einzelheiten herausgestellt
werden, um augenscheinlich zu machen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung besonders
einfach, unempfindlich und betriebssicher ist.
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Was den Umstand betrifft, daß man eine Wechselspannung nötig hat,
muß man sich vergegenwärtigen, daß die Gleichstromnetze im allgemeinen von Wechselstromnetzen
durch statische oder rotierende Stromrichter gespeist werden, ihre Arbeit also absolut
von dem Vorhandensein von Wechselstromquellen abhängig ist, von denen aus die Speisung
des Transformators Ta erfolgen kann.
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Einige Prototypen des beschriebenen Zählers wurden für 200 bis 2500
A und für Spannungen von nominell 200 bis 700 V hergestellt; die im Laboratorium
durchgeführten Zählerprüfungen ergaben einen Fehler von zt 30/o für 10 bis 1200/o
änderung des Stromes und für Veränderungen der Spannung von 10 bis 100 O/o. Der
Einfluß der Veränderungen sowohl der Hilfswechselspannung als auch deren Frequenz
war geringer als die Fehler der verwendeten I2h-Zähler.