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Einrichtung zur Messung des Höchstwertes der von einem Verbraucher
beanspruchten mittleren elektrischen Leistung
Bei der Verrechnung elektrischer Energie
besteht insbesondere bei größeren Abnehmern die Aufgabe, den Mittelwert der vom
Verbraucher beanspruchten Leistung, bezogen auf eine Zeit von in der Regel I5 Minuten,
zu messen und den dabei im Verlauf einer Ableseperiode aufgetretenen Höchstwert
festzuhalten. Auf diese Größe wird der vom Verbraucher zu tragende Anteil an den
festen Kosten bezogen.
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Ein herkömmliches Meßgerät für diesen Zweck ist als Maximumzähler
bekannt, der abschnittsweise, immer I5 Minuten lang, die bezogene Arbeit mißt und,
da die einzelnen Zeitabschnitte gleich groß sind, unmittelbar Leistungseinheiten
anzeigt.
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Der höchste in einer Ableseperiode aufgetretene Wert wird von einem
Schleppzeiger festgehalten.
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Diese Methode ist deshalb nicht ganz befriedigend, weil einmal zur
Bestimmung des 15-Minute-n-Taktes eine besondere Schaltuhr nötig ist, weil weiterhin
die Anzeige davon beeinflußt wird, wie die Meßzeitabschnitte zum Verlauf der Leistung
über der Zeit liegen und weil endlich die Genauigkeit des Zählers selbst, der ja
auch noch die Kilowattstunden anzeigen soll, darunter leidet, daß er in der Regel
aus eigener Kraft das Maximumwerk antreiben muß.
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Es sind ferner Maximumzähler mit gleitender Registrierperiode bekannt.
Bei derartigen Zählern wird jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Ankerumdrehungen
auf einem Transportband eine Markierung vorgenommen und etwa der erste Teil eines
Differentialgetriebes verstellt. An einer räumlich versetzten Stelle des Bandes,
die beispielsweise nach viertelstündiger Laufzeit erreicht wird, wird der zweite
Teil eines Differentialgetriebes in entgegengesetztem Sinne verstellt, während der
dritte Teil des Differentialgetriebes ein Maximumwerk betätigt. Bei solchen Geräten
mit gleitender Registrierperiode ist man zwar unabhängig von dem Zeitpunkt, in dem
eine höhere Belastung einsetzt oder aufhört, jedoch setzen solche Geräte naturgemäß
einen komplizierten Aufbau voraus, der entsprechend störanfällig ist.
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Andere bekannte Maximumzähler arbeiten mit einer Reihe von Mitnehmern
für einen gemeinsamen Maximumzeiger. Bei diesen Geräten werden die Mitnehmer periodisch,
aber innerhalb einer Periode gestaffelt in die Ausgangslage zurück geführt. Auch
diese Geräte haben sich in der Praxis aus den obenerwähnten Gründen nicht durchsetzen
können.
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Weiterhin sind zur Messung der Höchstbelastung in elektrischen Verbrauchsanlagen
sogenannte thermische Maximumzeiger bekannt. Das sind praktisch thermische Meßgeräte
mit sehr großer Trägheit, die einen Mittelwert, bezogen auf eine Zeiteinheit von
z. B. 15 Minuten, anzeigen oder registrieren können. Diese Geräte sind jedoch nur
für Zweileiteranlagen geeignet, da sie in der Ausführung für Drei-und Vierleiteranlagen
nur mit einem sehr hohen Aufwand hergestellt werden können.
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Es ist schließlich eine Einrichtung zur Messung des Höchstwertes
der von einem Verbraucher beanspruchten mittleren elektrischen Leistung bekanntgeworden,
bei der eine auf einen Zählerläufer einwirkende Gegenkraft verwendet wird, welche
mit wachsender Belastung größer wird und den Zählerläufer nach bestimmten Zeiten
zum Stillstand bringt. Als Gegenkraft dient eine Spiralfeder, die von dem Zählerläufer
gespannt wird und diesen schließlich anhält. Diese Anordnung läßt sich jedoch ohne
besondere Mittel nur zur Messung der Maximalbelastung innerhalb ganz kleiner Zeiten
z. B. 2 Minuten benutzen, da bei dem üblichen Drehmoment der Zähler die die Gegenkraft
bewirkende Feder unverhältnismäßig stark sein müßte.
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Diese Anordnung kann auch so eingerichtet werden, daß eine Messung
der Maximalbelastung über größere Zeitintervalle möglich ist. Die Gegenkraft wird
dann von einer langsamlaufenden Achse erzeugt bzw. vergrößert, während sie auf eine
schnelllaufende Achse oder auf den Anker selbst bremsend oder dämpfend einwirkt.
Bei der bekannten Anordnung kann die Bremsung oder Dämpfung sowohl durch Reibung
als auch durch eine Feder sowie durch eine der Ankerdrehung entgegenwirkende Spule
erfolgen. Eine Rückführung des Maximumzeigers ist nicht vorgesehen, so daß eine
einwandfreie Mittelwertbildung über einen bestimmten Zeitabschnitt nur dann möglich
ist, wenn die Belastung nicht schwankt.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Höchstwertes
der von einem Verbraucher beanspruchten mittleren'elektrischen Leistung mit von
einem oder mehreren Zählertriebsystemen an einem Zählerläufer erzeugten, der Meßgröße
proportionalem Drehmoment und einem von einem oder mehreren Bremsmagneten erzeugten
Gegendrehmoment, bei der dem der Meßgröße proportionalen Drehmoment eine oder mehrere
entgegenwirkende Spiralfedern vorgesehen sind, die direkt oder über eine tSbersetzung
am Zählerläufer angreifen und dauernd mit diesem gekuppelt sind.
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Erfindungsgemäß werden die oben angeführten Nachteile bekannter Anordnungen
dadurch vermieden, daß auf den Zählerläufer von einem oder mehreren Bremsmagneten
ein so starkes, zusätzliches Gegendrehmoment einwirkt, daß die vom Zählerläufer
über eine Ubersetzung bestimmte Stellung eines Instrumentenzeigers einer kontinuierlichen
Mittelwertbildung der Leistungsmomentanwerte nach der Bezeichnung
entspricht, wobei N (-r) alle bereits wirksam gewesenen Leistungswerte und T die
Zeitkonstante bedeuten.
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Zweckmäßigerweise wird die Zeitkonstante so groß gewählt, daß bei
Wirkung einer konstanten Leistung go°/o des Sollwertes nach einer Zeit von i5 Minuten
erreicht werden.
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Bei der Erfindung fallen im Gegensatz zu den üblichen, mechanisch
wirkenden Maximumzählern die Meßzeitabschnitte weg. Demnach entfällt auch das kurzzeitige
Entkuppeln des Mitnehmers des Maximumzeigers sowie dessen Rückfuhrung in die Ausgangslage
und das darauf erfolgende Wiederankuppeln des Mitnehmers. Weiterhin entfallen die
dadurch entstehenden Totzeiten der Messungen, und die für die Bestimmung der Meßzeitabschnitte
erforderliche Schaltuhr wird überflüssig. Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil,
daß sie im Gegensatz zu den anderen bekannten Maximumzählern sehr einfach aufgebaut
ist und ohne Schwierigkeiten für den Gebrauch in Drei-und Vierleiteranlagen ausgeführt
werden kann. Schließlich erfolgt bei der Einrichtung nach der Erfindung eine einwandfreie
Mittelwertbildunggemäß der oben angegebenen Gleichung.
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Der Erfindungsgegenstand, der zwar auch eine träge Meßeinrichtung
darstellt, läßt sich auch nicht ohne weiteres mit den allgemein bekannten trägen
Leistungsmessern vergleichen, die den Momentanwert der Leistung durch ein, sich
nach einer gedämpften oder aperiodischen Schwingung einstellendes Anzeigeglied anzeigen,
denn durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine kontinuier-
liche
Mittelwertbildung der Momentanwerte erreicht. Während also bei den bekannten Leistungsmessern
lediglich Schwingungen des Anzeigeorgans um den tatsächlichen Meßwert durch ein
träge ausgebildetes Meßwerk ausgeschaltet werden soll, fordert die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe die Mittelung des zeitlich schwankenden Momentanwertes
und geht damit erheblich über die Fähigkeiten eines normalen Leistungsmeßgerätes
hinaus. Bei den bekannten Geräten tritt zwar im gewissen Sinne auch eine Mittelung
des Momentanwertes der Leistung ein, jedoch ergibt sich dabei der ermittelte Wert
durch die Beziehung
Dabei bedeuten T die Periodendauer und u, i die Augenblickswerte von Spannung und
Strom. Dieser » Effektivwert « der Leistung ist jedoch von dem mit dem Erfind'ungsgegenstand
gemessenen Mittelwert völlig verschieden.
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In der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
bedeuten i einen Zählerläufer, 2 ein Triebsystem, 3 einen starken Zählerbremsmagnet,
4 eine ebene Spiralfeder, 5 Ubersetzungsräder, 6 einen Instrumentenzeiger, 7 eine
Instrumentenskala und 8 einen Schleppzeiger. Werden an das Triebsystem 2 Strom und
Spannung gelegt, so wird der Zählerläufer r mit einem der Leistung proportionalen
Drehmoment M angetrieben und dreht sich so lange gegen die Spiralfeder 4, bis das
von dieser erzeugte Gegenmoment gleich dem antreibenden Drehmoment ist. Die Bewegung
des Zählerankers erfolgt nach der Gleichung :
wobei # das Trägheitsmoment des Zählerläufers, t der Ausschlagswinkel, p die Dämpfungskonstante
und D das Rückstellmoment der Feder (bezogen auf den Winkel i) ist.
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Bei der im vorliegenden Fall verwendeten hohen Dämpfungskonstante
p kann das erste Glied der Gleichung (i) vernachlässigt werden, so daß die Gleichung
übrigbleibt, die für konstantes M die Lösung
hat. Dabei ist die Zeitkonstante T = 1).
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Der Ausschlag cp wird von den Zahnrädern auf den Zeiger 6 übertragen.
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Während also beim herkömmlichen Maximumzähler der Zeiger nach dem
Einschalten einer konstanten Leistung mit konstanter Geschwindigkeit hochläuft,
nach 15 Minuten den Sollwert erreicht, dann durch das Signal der Schaltuhr wieder
auf Null zurückgesetzt wird, um dann wieder hochzulaufen, bewegt sich der Zeiger
6 des beschriebenen Gerätes mit exponentiell abnehmender Geschwindigkeit auf denselben
Sollwert, um, wenn das Drehmoment des Zählers weiterhin. konstant bleibt, dort stehenzubleiben.
Wird die Leistung abgeschaltet, so geht der Zeiger 6 wieder exponentiell auf die
Nullstellung zurück. Der vom Instrumentenzeiger 6 bzw. von einer entsprechenden
Zählwerksrolle mitgeschleppte Maximumzeiger 8 bzw. eine zusätzliche Zählwerksrolle
bleibt auf dem höchsten, im Verlauf einer Ableseperiode aufgetretenen Wert stehen
und kann durch eine nicht dargestellte, von außen bedienbare Vorrichtung in die
Anfangslage zurückgestellt werden.
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Bei sich ändernder Leistung N (t) ist die Anzeige des herkömmlichen
Maximumzählers
Tt= I5 Minuten, die des Gerätes nach der Erfindung
Dabei werden alle bereits wirksam gewesenen LeistungswerteN (T), exponentiell abnehmend,
um so weniger berücksichtigt, je weiter sie zeitlich zurückliegen. Die Anzeige entspricht
dem kontin. uierlich gemittelten Leistungswert, dessen Höchstwert vom Schleppzeiger
8 festgehalten wird.
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Voraussetzung für die Brauchbarkeit des Gerätes ist, daß die Zeitkonstante
T genügend groß gemacht werden kann. Daß dies bei Verwendung moderner starker Bremsmagnete
und entsprechender Dimensionierung der übrigen Teile möglich ist, zeigt die folgende
Rechnung.
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Es sei gegeben ein Zählertriebsystem mit einem Nenndrehmoment von
5 cmg. Die Zeitkonstante soll so groß sein, daß nach 15 Minuten go°/o des Endausschlages
erreicht werden. Dann muß also sein
Mit zwei modernen Bremsmagneten läßt sich ein Zähler von 5 cmg Nenndrehmoment ohne
Schwierigkeit auf zwei Umdrehungen pro Minute ahbremsen, d. h. d# 2# = 2# = 0,21
s-1. dt 60 Daraus ergibt sich die Dämpfungskostante
Das notwendige Rückstellmoment der Feder ergibt sich aus Dämpfungs-und Zeitkonstante
zu D= =-= 0, 061 cmg.
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' 3I
Der sich mit diesen GröBen ergebende Endausschlag
des Zählerläufers wird M 5 82 # = = = 82; = 13 Umdrehungen.
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D 0,061 2# Da es schwierig ist, auf der Läuferachse selbst eine Rückstellfeder
anzubringen, die nach 13 Umdrehungen das Gegenmoment von 5 cmg aufbringt, ist zwischen
Läufer und Feder eine Übersetzung eingeschaltet. Bezeichnet man das Drehmoment der
nach der Ubersetzung angreifenden Feder (bezogen auf den Winkelbogen i) mit Du den
Ausschlag der Feder mit #u, die Übersetzung mit ü #/#n, so muß sein M Dx 6 oder
M'p = D-.
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Wählt man beispielsweise eine Feder, die bei po' Verdrehung ein Moment
von 5 cmg aufbringt, so ist
II3 -I 8 Umdrehungen.
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27S Für die Ubersetzung von der Läuferachse zur Federachse ergibt
sich # 82 ü = = = 7,2 : 1.
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#u 11,35 Für die Ubersetzung von der Läuferachse zur Zeigerachse
ergibt sich, wenn der Ausschlag des Zeigers bei Nennlast 90° betragen soll
Das Reibungsmoment des Schleppzeigers, beispielsweise 2 cmg, macht dann---= 0, 8"/o
des Nenndrehmomentes aus.
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Für die Anzeige können statt der Zeiger 6 und 8 und der Instrumentenskala
7 auch Rollen wie bei normalen Zählwerken verwendet werden. Genauso wie hier für
Wechselstrom beschrieben, kann die Anordnung natürlich auch für Drei-oder Vierleiternetze
in Verbindung mit zwei oder drei Triebsystemen verwendet werden.
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Zur Verringerung des Temperaturfehlers wird zweckmäßig für den Zählerläufer
ein Material mit niedrigem Widerstandstemperaturkaeffizienten verwendet.