DE2314870A1

DE2314870A1 - ARRANGEMENT FOR DIGITAL OR ANALOGUE MEASUREMENT OF EFFECTIVE VALUES OR PERFORMANCE

Info

Publication number: DE2314870A1
Application number: DE19732314870
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Ing Haeusler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-26
Filing date: 1973-03-26
Publication date: 1974-10-10

Description

Anordnung zur digitalen oder analogen Messung von Effektivwerten oder Leistungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur digitalen oder analogen Messung von Effektivwerten oder Leistungen elektrischer periodischer Spannungen oder Ströme mit N Oberwellen.Arrangement for digital or analog measurement of effective values or Achievements The invention relates to an arrangement for digital or analog Measurement of effective values or power of electrical periodic voltages or currents with N harmonics.

Die zunehmende Automatisierung von Prtiffeldern und von technischen Prozeßführungen mittels Rechnern bringen es mit sich, die Messung von Mittelwertsgrößen wie z.B. Effektivwerten von Strömen und Spannungen oder auch von Leistungen innerhalb möglichst kurzer Zeit durchzuführen. Dabei ist die kUrzestmögliche Zeit die Periode P der veränderlichen Größen und nur in Sonderfällen bei bestimmten Symmetrien der Kurvenform lassen sich die Mittelwerte schon in einer halben oder viertel Periode definieren.The increasing automation of test fields and technical Process management by means of computers entails the measurement of mean values such as RMS values of currents and voltages or also of powers within to be carried out as quickly as possible. The shortest possible time is the period P of the variable sizes and only in special cases with certain symmetries of the In the shape of a curve, the mean values can be found in half a period or a quarter of a period define.

Sind i(t) und u(t) ein periodisch veränderlicher Strom bzw.Are i (t) and u (t) a periodically variable current resp.

eine periodisch veränderliche Spannung, so gelten die bekannten Beziehungen für den Effektivwert und für die mittlere Wirkleistung P gilt Für die meßtechnische Erfassung der durch die Gleichungen (1) und (2) beschriebenen Zusammenhänge sind träge elektromechanische oder thermische Effekte genutzt worden, welche multiplizierende oder quadrierende Eigenschaften mit ausmittelnden vereinten und die Werte nach Gleichung (1) und (2) zur Anzeige brachten.a periodically variable voltage, the known relationships for the rms value apply and for the mean active power P applies For the metrological detection of the relationships described by equations (1) and (2), inert electromechanical or thermal effects were used, which combined multiplying or squaring properties with averaging and displayed the values according to equations (1) and (2).

Für automatisches Prüfen oder Regeln von Prozessen sind anzeigende Verfahren jedoch nicht geeignet. Darüber hinaus sind infolge der Mittelwertbildung über mehrere Periodenlängen zu langsam. Dieser Nachteil haftet auch analogen elektronischen Verfahren an, die den quadratischen Wert oder das Produkt zunächst in einer quadrierenden oder multiplizierenden Schaltung aus den Augenblickswerten von Strom und Spannung gewinnen und eine an sich bekannte elektronische Integration nachfolgen lassen. So können mit Effektivwert bildenden handelsüblichen Bausteinen dieser Art heute nicht einmal bei der verbreiteten Industriefrequenz von 50 Hz Effektivwerte innerhalb einer Periode gemessen werden.Indicators are used for automatic checking or regulation of processes However, this method is not suitable. In addition, as a result of the averaging Too slow over several period lengths. This disadvantage is also liable to analog electronic Method that first converts the quadratic value or the product into a squaring or multiplying circuit from the instantaneous values of current and voltage win and follow a well-known electronic integration. So, with RMS forming commercial building blocks of this kind today not even at the common industrial frequency of 50 Hz RMS values within be measured in a period.

Auch neuere statistische Meßverfahren (österreichische Patentschrift 263 400) zur Bildung zeitlicher Mittelwerte benötigen eine Mittelungszeit, wobei diese bei konstanter Taktfrequenz die Genauigkeit im umgekehrten Verhältnis beeinflußt.Also newer statistical measuring methods (Austrian patent specification 263 400) require an averaging time to form temporal averages, whereby this affects the accuracy in the inverse proportion at a constant clock frequency.

Neben diesen Verfahren besteht theoretisch die Möglichkeit, die Augenblickswerte u(t) und i(t) über schnelle Analog-Digital-Wandler einem Rechner einzugeben, der die Umrechnung nach Gleichung (1) und (2) vornimmt und das Resultat als Meßergebnis weiter verarbeitet oder in Abhängigkeit von ihm in den zu fuhrenden Prozeß eingreift.In addition to these methods, there is theoretically the possibility of the instantaneous values u (t) and i (t) to be entered into a computer using fast analog-digital converters, the performs the conversion according to equations (1) and (2) and the result as the measurement result processed further or, depending on it, intervenes in the process to be carried out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diseMöglichkeit technisch zu realisieren und eine Anordnung zu entwickeln, welche die Integration auf eine einfache Addition der Quadrate bzw. Produkte geeigneter Augenblickewerte zurückführt, deren Summe mit dem Wert des Integrales identisch ist.The invention is based on the object of providing this possibility technically to realize and to develop an arrangement, which the integration on a simple addition of the squares or products of suitable instantaneous values, whose sum is identical to the value of the integral.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung, die innerhalb einer Periode in Abhängigkeit von der zu berücksichtigenden Anzahl N der Oberwellen in mindestens 2.(N+1) zueinander äquidistanten Zeitpunkten Augenblickswerte mißt, durch eine Multiplikationseinrichtung zum Bilden der Quadrate von Spannungen bzw. Strömen oder zum Bilden der Produkte aus Strom und Spannung, durch eine Einrichtung zur Einstellung eines Proportionalitätsfaktors, der dem reziproken Wert der Anzahl der äquidistanten Abtastpunkte innerhalb einer Periode entspricht sowie durch eine Einrichtung zum Aufsummierender mit dem Proportionalitätsfaktor multiplizierten Quadrate der Ströme bzw. der Spannungen oder der Produkte aus Strom und Spannung.According to the invention this object is achieved by an arrangement which is characterized by a device that is dependent on within a period of the number N of harmonics to be taken into account in at least 2. (N + 1) to each other equidistant Measures instantaneous values by a multiplier for forming the squares of voltages or currents or to form the products of current and voltage, by means of a device for setting a proportionality factor, which is the reciprocal of the number of equidistant sampling points within a Period corresponds as well as by a device for adding up with the proportionality factor multiplied squares of currents or voltages or the products of current and tension.

Der wesentliche technische Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß die Mittelwertbildung unter Vermeidung der Integration auf das Aufsummieren von Quadraten oder Produkten von Augenblickswerten zurückgeführt wird, wobei diese nach einer einfachen Vorschrift so abgefragt werden können, daß das Ergebnis im Gegensatz zu bekannten Näherungsverfahren der numerischen Integration exakt ist. Die zu beachtende Vorschrift lautet: Enthält die zu messende Wechselgröße die Grundschwingungen mit der Kreisfrequenzu> und hat die höchste Oberwelle die Kreisfrequenz N &, s0müssen die Wechselgrößenin mindestens 2(N+1) zueinander äquidistanten Zeitpunkten innerhalb einer Periode der Grundschwingungen abgetastet, das Quadrat oder Produkt gebildet, diese aufsummiert und durch die Anzahl der äquidistanten Zeitpunkte dividiert werden.The essential technical progress of the invention consists in that the averaging while avoiding the integration on the summing up of squares or products of instantaneous values, these can be queried according to a simple rule so that the result in In contrast to known approximation methods the numerical integration is exact. The regulation to be observed is: Does the alternating quantity to be measured contain the fundamental vibrations with the angular frequency u> and the highest harmonic has the angular frequency N &, The alternating quantities must be at least 2 (N + 1) equidistant points in time sampled within a period of the fundamental, the square or product formed, these summed up and divided by the number of equidistant points in time will.

Bei der Abtastung ist besonders vorteilhaft, daß die Erfassung der Augenblickswerte zwar an äquidistanten Abständen erfolgt, jedoch nicht mit der periodischen Größe synchronisiert werden muß. Der Einsatz der Abtastung kann zu beliebiger Zeit erfolgen. Bei den heute zur Verfügung stehenden schnellen Analog-Digital-Wandlern bzw. Spannungs-Frequenz-Umsetzern sowie Rechenbausteinen lassen sich die in die erfindungsgemäße Anordnung eingehenden Grund rechenoperationen im Vergleich mit den Industriefrequenzen praktisch trägheitsfrei durchführen.When scanning it is particularly advantageous that the detection of the Instantaneous values take place at equidistant intervals, but not with the periodic one Size needs to be synchronized. The use of the scanning can be at any time take place. With the fast analog-to-digital converters available today or voltage-frequency converters and arithmetic modules can be integrated into the inventive arrangement incoming basic arithmetic operations compared with the industrial frequencies practically free of inertia.

Daraus resultiert der besondere Vorteil für die Automatisierung von Prüffeldern und Prozeßführungen.This results in the particular advantage for the automation of Test fields and process management.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können z.B. an den Eingängen der Multiplikationseinrichtung der Strom bzw. die Spannung oder Strom und Spannung kontinuierlich anliegen, wobei von der Einrichtung zum Messen der Augenblickswerte Quadrate bzw. Produkte der Augenblickswerte gemessen werden.In the arrangement according to the invention, e.g. Entrances the multiplier of the current or the voltage or current and voltage continuously applied, whereby from the device for measuring the instantaneous values Squares or products of the instantaneous values are measured.

Es können aber auch an den Eingängen der Einrichtung für die Messung der Augenblickswerte der Strom bzw. die Spannung oder Strom und Spannung anliegen, wobei die Multiplikationseinrichtung die Quadrate bzw. Produkte der Augenblickswerte bildet.However, it can also be used at the inputs of the device for the measurement the instantaneous values of the current or voltage or current and voltage are present, wherein the multiplier means the squares or products of the instantaneous values forms.

Im folgenden wird zunächst gezeigt, daß die Aufsummierung diskreter, aber geeignet gewählter Augenblickswerte tatsächlich zum gleichen Wert führt wie die Integration. Es besteht z.B. die Aufgabe, die Leistung P(#P) aus dem Strom i(t) = aO + a1 cos #t + b1 sinkt und der Spannung u(#t) = a'0 + a1 cos#t + b1 sinkt t zu bestimmen, wobei mit aO, aO die Gleichanteile und mit a1, b1, a1a1 und b# die Amplituden der Anteile der Grundschwingungenbezeichnet sind. Aus dem gleichzeitigen Vorhandensein von cos #t - und sin #t t - Anteilen resultiert bei unterschiedlichen Amplitudenwerten die Phasenverschiebung zwischen u( t)und i(#t).In the following it will first be shown that the summation of discrete, but suitably chosen instantaneous values actually leads to the same value as the integration. There is e.g. the task of calculating the power P (#P) from the current i (t) = aO + a1 cos #t + b1 decreases and the voltage u (#t) = a'0 + a1 cos # t + b1 decreases t to be determined, whereby with aO, aO the constant components and with a1, b1, a1a1 and b # the Amplitudes of the components of the fundamental vibrations are designated. From the simultaneous The presence of cos #t and sin #t t components results in different ones Amplitude values the phase shift between u (t) and i (#t).

Für die Augenblicksleistung ergibt sich P (S t)= aoaO + (aoa# + a#a1) cos M t + (aob#) sin #t + a1a1 (3) cos2 #t t b1b1sin2#t t + (a1b1+ a1b1) sinkt cos #t.For the momentary power we get P (S t) = aoaO + (aoa # + a # a1) cos M t + (aob #) sin #t + a1a1 (3) cos2 #t t b1b1sin2 # t t + (a1b1 + a1b1) cos #t.

Über eine Periode ermittelt ergibt sich bekanntlich Erfindungsgemäß werden nun anstelle der Integration die Augenblicksleistungen zu diskreten Zeiten aufsummiert. Da im vorliegenden Fall N = 1 ist, d.h. keine Obersellen vorliegen, genügen vier Augenblickswerte, welche z.B. bei a + 00, a + 900, a + 1800 und a + 2700 gemessen werden. Für die in Gleichung (3) auftretenden trigonometrischen Funktionen ergibt bei diesen Winkelwerten folgende Tabelle 1 sin cos4>t ein2 1 cos2 t sin cosWt a + 0° 1 sin a ccs a ein2 cx cos2 cx sin a coe a cx + 900 1 cos cx -sina cos2 a ein2 cx -sin cx cos a cx + 1800 1 ein a -cos cx sin2 a cos2 cx ein cx oos a 0 2 2 cx + 270 1 ccs a ein cx cos2 a ein cx -sin a C08 a 4 0 0 O 2 2 0 Die Tabelle bestätigt, daß die durch 2(N+1) = 4 dividierte Summe der ausgewählten Augenblickswerte der Leistung zum gleichen Ergebnis führt wie die in Gleichung (4) wiedergegebene, bekannte exakte Integration.As is known, determined over a period results According to the invention, the instantaneous powers are now added up at discrete times instead of the integration. Since in the present case N = 1, ie there are no tops, four instantaneous values are sufficient, which are measured, for example, at a + 00, a + 900, a + 1800 and a + 2700. The following table results for the trigonometric functions occurring in equation (3) for these angle values 1 sin cos4> t ein2 1 cos2 t sin cosWt a + 0 ° 1 sin a ccs a ein2 cx cos2 cx sin a coe a cx + 900 1 cos cx -sina cos2 a a2 cx -sin cx cos a cx + 1800 1 a -cos cx sin2 a cos2 cx a cx oos a 0 2 2 cx + 270 1 ccs a a cx cos2 a a cx -sin a C08 a 4 0 0 O 2 2 0 The table confirms that the sum of the selected instantaneous power values divided by 2 (N + 1) = 4 leads to the same result as the known exact integration given in equation (4).

Anhand der Zeichnung und zweier Aueführungsbeispiele wird die Erfindung naher beschrieben.The invention is based on the drawing and two examples described in more detail.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist zunächst ein analog arbeitender Multiplizierer M dargestellt, an dessen Eingängen 11 und 12 die Wechselgrößen i(#t) und u(XJt) angelegt werden. Der Multiplizierer M kann z.B. ein bekannter Hallmultiplikator sein. Dieser gibt am Ausgang 13 die Ausgangsspannung u1 = k u( t).i( t) ab, wobei k die Multipliziererkonstante ist. Diese Spannung wird mit Hilfe der Einrichtung V -eines einstellbaren Proportionalverstärkere - in bekannter weise durch 2(N+1).k dividiert, hierdurch entstehende Spannung Die wird über einen von der Einrichtung A elektronisch gesteuerten Schalter 1 auf zwei schnelle Spannungs-Frequen&-Wandler 14 bzw. 15 geschaltet. Hierzu erhält das Steuerwerk 19 vom Impuls-Generator 16 Impulse im Abstand die jeweils ein Schließen des Schalters 1 bewirken. Dieser wird wieder geöffnet, wenn vom angesprochenen Wandler 14 bzw. 15 über die ODER-Stufe 20 Signal kommt, das eine dem über den Schalter 1 aufgeschalteten Augenblickswert proportionale Zahl von Impulsen abgegeben wurde. Da der Wandler 14 bzw. 15 nur auf positive Spann gen anspricht, ist dem Wandler 14 ein 1:1-Verstärker 17 vorgeschaltet, welcher nur eine Vorzeichenumkehr bewirkt.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, an analog multiplier M is shown, to whose inputs 11 and 12 the alternating quantities i (#t) and u (XJt) are applied. The multiplier M can, for example, be a known Hall multiplier. This outputs the output voltage u1 = ku (t) .i (t) at output 13, where k is the multiplier constant. This voltage is divided in a known manner by 2 (N + 1) .k with the aid of the device V - an adjustable proportional amplifier - resulting in voltage This is switched to two fast voltage frequency converters 14 and 15 via a switch 1 electronically controlled by the device A. For this purpose, the control unit 19 receives 16 pulses at intervals from the pulse generator which each cause the switch 1 to close. This is opened again when a signal comes from the addressed converter 14 or 15 via the OR stage 20 that a number of pulses proportional to the instantaneous value applied via switch 1 has been emitted. Since the converter 14 or 15 responds only to positive voltages, the converter 14 is preceded by a 1: 1 amplifier 17, which only causes a sign reversal.

Die von den Wandlern 14 und 15 abgegebenen Impulse werden auf die Einrichtung S mit einem Vor-RUckwärts-Zähler 18 gegeben, wobei über den Eingang +I die positiven Augenblickswerte von U2 und über den Eingang -I die negativen eingezählt werden.The pulses emitted by the transducers 14 and 15 are applied to the Device S given with an up-down counter 18, with the input + I the positive instantaneous values of U2 and the negative ones via the input -I will.

Nach den vom Impulsgenerator 16 veranlaßten 2(N+1) Impulsen im zeitlichen Abstand von ist der Zählerstand des Impulszählers 18 identisch mit I-n Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem die Faktoren vor der Multiplikation digitalisiert und Multiplikation und Addition digital durchgeführt werden. Die Eingangsgrößen u(zut) und i(wt) werden über die Eingänge 21 und 22 synchron über die vom Steuerwerk 23 der Einrichtung A geschalteten elektronischen Schalter 1 und 2 über den Verstärker 24 und über die Einrichtung V mit dem Proportionalitätsverstärker 25 auf an sich bekannte schnelle vorzeichengerechte Analog-Digital-Wandler 26 und 27 geschaltet. Während der als Proportionalyerstärker betriebene Verstärker 25 in analoger Weise die Division durch 2(N+1) vornimmt, wird mit Hilfe des Verstärkers 24 nur eine Vorzeichenumkehr bewirkt, welche die vom Verstärker 25 wieder ausgleicht. Die Analog-Digital-Wandler 26 und 27 geben nach Abschluß der Digitalisierung des anstehenden Meßwertes ein Signal. Liegen beide Signale vor, so wird über die UND-Stufe 28 das vom Impuls-Generator 29 der Einrichtung A angestoßene Schließsignal im Steuerwerk 23 wieder aufgehoben. Der Impuls-Generator 29 gibt dabei auf einen Meßbefehl hin 2(E+1) Impulse im zeitlichen Abstand von Die in den Analog-Digital-Wandlern 26 und 27 vorliegenden Augenblickswerte werden in an sich bekannter Weise in einem der Multiplikation fähigen Rechenwerk M weiterverarbeitet, wobei sich im Hinblick auf eine schnelle Meßwerterfassung eine statische Multiplikation empfiehlt. Das Produkt wird dem Speicher 30 der Summiereinrichtung S übergeben. Hierzu wird das am Ausgang der UND-Stufe 28 entstehende Signal für den Abschluß der Digitalisierung mit Hilfe der Verzögerungsstufe 31 über das UND-Gatter 32 als ubernahme-Befehl genutzt. Mit Hilfe einer zweiten Verzögerungsstufe 33 werden die in den Speichern 30 und 34 vorliegenden Werte über die UND-Gatter 35 und 36 dem Paralleladdierer 37 zugeführt, wobei zu Beginn des Meßvorganges der Speicher 34 auf Null gesetzt sein muß. ueber eine Verzögerungsstufe 38 wird das Ergebnis der Addition über das UND-Gatter 41 in den Speicher 34 und über die Verzögerungsstufe 39 und das UND-Gatter 42 in den Speicher 40 übernommen. Die genannten Verzögerungsvorgänge wie auch die Zeit für die Analog-Digital-Wandlung und Multiplikation müssen gegenüber der Periode der größten Oberwelle kurz sein. Dies stellt jedoch angesichts schneller integrierter elektronischer Bauelemente keine wesentliche Einschränkung der Erfindung dar.After the 2 (N + 1) pulses caused by the pulse generator 16 at a time interval of the count of the pulse counter 18 is identical to FIG. 2 shows a further exemplary embodiment in which the factors are digitized before multiplication and multiplication and addition are carried out digitally. The input variables u (zu) and i (wt) are synchronously via the inputs 21 and 22 via the electronic switches 1 and 2 switched by the control unit 23 of the device A via the amplifier 24 and via the device V with the proportionality amplifier 25 to known per se fast signed analog-to-digital converters 26 and 27 connected. While the amplifier 25 operated as a proportional amplifier performs the division by 2 (N + 1) in an analogous manner, only a sign reversal is effected with the aid of the amplifier 24, which compensates for that from the amplifier 25. The analog-to-digital converters 26 and 27 emit a signal after the digitization of the pending measured value has been completed. If both signals are present, the closing signal initiated by the pulse generator 29 of the device A is canceled again in the control unit 23 via the AND stage 28. The pulse generator 29 outputs 2 (E + 1) pulses spaced apart from a measurement command The instantaneous values present in the analog-to-digital converters 26 and 27 are further processed in a manner known per se in an arithmetic unit M capable of multiplication, a static multiplication being recommended with regard to fast measurement value acquisition. The product is transferred to the memory 30 of the summing device S. For this purpose, the signal produced at the output of the AND stage 28 is used as an acceptance command for the completion of the digitization with the aid of the delay stage 31 via the AND gate 32. With the aid of a second delay stage 33, the values present in the memories 30 and 34 are fed to the parallel adder 37 via the AND gates 35 and 36, the memory 34 having to be set to zero at the beginning of the measuring process. The result of the addition is transferred via a delay stage 38 to the memory 34 via the AND gate 41 and to the memory 40 via the delay stage 39 and the AND gate 42. The mentioned delay processes as well as the time for the analog-digital conversion and multiplication must be compared to the period of the largest harmonic be short. However, in view of faster integrated electronic components, this does not represent a significant limitation of the invention.

Nach den von den 2(N+1) Impulsen des Impuls-Generators 29 ausgelösten Zyklen steht im Speicher 40 die zum Integralauadruck identische Summe.After the cycles triggered by the 2 (N + 1) pulses of the pulse generator 29, the memory 40 contains the integral output pressure identical sum.

3 Patentansprüche 2 Piguren3 claims 2 Piguren

Claims

Patent-applicable arrangement for digital or analog measurement of RMS values or powers of electrical periodic voltages or currents with N harmonics, characterized by a device (A) operating within a Period depending on the number (N) of harmonics to be taken into account Measures instantaneous values in at least 2 (N + 1) equidistant points in time, by a multiplier (M) for forming the squares of voltages or currents or to form the products of current and voltage, through a device (V) for setting a proportionality factor which is the reciprocal of the Number of equidistant sampling points and by a device (S) to the sun, multiplied by the proportionality factor of the squares Currents or voltages or the products of current and voltage.

2. Arrangement according to claim 1, dadurohgekisiert that at the inputs (11, 12) of the multiplication device (X) the current or the voltage or current and voltage are continuously applied and that the device (A) instantaneous values which measures squares or products.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the Inputs (21, 22) of the device (A) the current or

the voltage or current and voltage are present and that the multiplier (M) forms the squares or products of the instantaneous values.