CH630467A5

CH630467A5 - Circuit arrangement for measuring electrical power and energy

Info

Publication number: CH630467A5
Application number: CH1358977A
Authority: CH
Inventors: Hartmut Dipl Ing Tschumpel
Original assignee: Licentia Gmbh
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1982-06-15
Also published as: FR2392389A1; DE2651579A1; FR2392389B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung 35 zur Messung elektrischer Leistung und Energie, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler.

Derartige Elektrizitätszähler haben im allgemeinen ein Messwerk, das im wesentlichen aus einem elektronischen Multiplizierer zur Durchführung der Momentanmultiplikation der 40 Messgrössen Spannung und Strom und einem Quantisierer besteht, der das Produkt der Messgrössen in eine Impulsfolge umsetzt, deren Frequenz der Wirkleistung bzw. Blindleistung proportional ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DE-OS-2 456 942 als bekannt vorausgesetzt.

45 Der hierbei eingeschlagene messtechnische Weg gewährleistet eine fehlerfreie Verarbeitung auch oberwellenbehafteter Messgrössen. Dabei sind jedoch bei den bekannten Anordnungen zur Lösung der Messaufgabe grösstenteils analog arbeitende Schaltungen erforderlich, die sich einer Integration der Baueleso mente weitgehend entziehen und eine Verarbeitung mit Mikroprozessoren ausschliessen. Andere Anordnungen, die mit einem geringeren Anteil analoger Schaltungsteile auskommen, haben als Nachteil, dass sie bei oberwellenbehafteten Messgrössen fehlerhaft arbeiten. Das gleiche gilt für Schaltungen, bei denen die 55 Messgrössen von vornherein digitalisiert und erst dann weiterverarbeitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischer Leistung und Energie aufzuzeigen, die auch bei oberwellenbehafteten Messgrössen 60 fehlerfreie Ergebnisse ermöglicht und sich in vielen Schaltungsbereichen digital aufbauen lässt, wobei Mikroprozessoren zur Anwendung gelangen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwei Impulsgeneratoren vorgesehen sind, von denen der eine 65 mit der Summe und der andere mit der Differenz zweier von den Messgrössen Netzspannung und Verbraucherstrom abgeleiteter Spannungen so ausgesteuert werden, dass die Differenz ' der Frequenzen der am Ausgang der Generatoren entstehenden

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Impulsfolgen ein Mass für die elektrische Leistung ist und dass entweder die aufsummierten Impulse einer neuen Impulsfolge, welche durch die Differenz der Ausgangsimpulsfolgen der Generatoren gebildet wird, oder die aufsummierten Differenzen der durch Einzählen der Ausgangsimpulse der Generatoren in Zählwerke gebildeten Zählerstände ein Mass für die elektrische Energie sind.

In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung gemäss dem abhängigen Patentanspruch 2 bestehen die beiden identischen Impulsgeneratoren im wesentlichen jeweils aus einem Integrator und einem nachgeschalteten Komparator, von dessen Ausgang ein Schalter gesteuert wird, der je nach Schalterstellung eine Referenzspannung über einen Widerstand auf den Summationspunkt des zugehörigen Integrators führt, so dass jeweils eine Oszillatorschleife gebildet ist, die am Ausgang des Integrators Dreiecksignale und am Ausgang des Komparators Rechtecksignale erzeugt und deren Frequenz in dem einen Generator durch die Summe und in dem anderen Generator durch die Differenz der den Messgrössen Spannung und Strom proportionalen Spannungen, welche über Widerstände ebenfalls auf den Summationspunkt geführt werden, nach der Beziehung fi = fiu-kj (uu + Uj)2 bzw. f2 = f20 - k2 (u„ - Uj)2 ausgesteuert wird, wobei fj die Ausgangsimpulsfolgefrequenz des Impulsgenerators 1,

f2 die Ausgangsimpulsfolgefrequenz des Impulsgenerators 2,

fI0 die Maximumfrequenz des Impulsgenerators 1,

f20 die Maximumfrequenz des Impulsgenerators 2, kj, k2 jeweils aus der Schaltung sich ergebende Konstanten, uu der Momentanwert der Messgrösse Spannung oder ein der Spannung proportionaler Wert,

U; eine der Messgrösse Strom proportionale Spannung bedeuten und

2u = u„ + U; der Summe der beiden letztgenannten Grössen sowie

Au = uu — Uj der Differenz der beiden letztgenannten Grössen entsprechen.

Die an den Ausgängen der Generatoren auftretenden Impulse werden danach in je einen Zähler eingezählt, und von den Zählerständen bildet ein nachfolgender Parallelsubtrahierer in bestimmten Zeitintervallen die Differenzen, welche anschliessend von einem Addierer aufsummiert werden, und die auf eine Anzeige gegebene Summe stellt ein Mass für die elektrische Energie dar.

Ein als Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebauter elektronischer Elektrizitätszähler hat den Vorteil, dass er nahezu vollständig aus digitalen Schaltungsgruppen aufgebaut und daher unabhängig von der Linearität sowie den Drifteigenschaften analog arbeitender Bauelemente ist. Dadurch ist einerseits die Integration der einzelnen Funktionsblöcke oder die Verarbeitung mit Mikroprozessoren und damit ein preisgünstiger Aufbau leicht möglich, andererseits lässt sich über lange Betriebszeiten Genauigkeitskonstanz erreichen.

Weitere Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen 3-9 angegeben.

In der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Schaltungsanordnung sei die Erfindung und deren Funktion näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung in einem Blockschaltbild, während in

Fig. 2 die Schaltungsanordnung in einem allgemeinen Schaltbild dargestellt ist.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist ein Impulsgenerator 1 angedeutet, dessen Ausgangsimpulsfolgefrequenz f j in folgender mathematischer Beziehung zur aussteuernden Spannung 2u steht:

fi = fio — ' (2u)2mit2u = uu + U; (1)

Für die Ausgangsimpulsfolgefrequenz f2 eines vollkommen identisch aufgebauten zweiten Generators 2 gilt entsprechend 5 die Abhängigkeit von der aussteuernden Spannung Au:

*2 = ho ~ k2 ' (Au)2 mit Au = uu - u; (2),

wobei auch Au = u; — uu möglich ist.

In den Gleichungen (1) für f t bzw. (2) für f2 bedeuten: 10 f io; ^20* Maximumfrequenz des Generators ;

k1; k2: Konstante, die sich aus der Schaltung ergeben ;

uu: Momentanwert der Messgrösse Spannung oder ein der Spannung proportionaler Wert, der in bekannter Weise über Spannungswandler oder passive oder elektronische Spannungs-15 teiler, beispielsweise über Operationsverstärker hergeleitet wird;

uj: eine der Messgrösse Strom proportionale Spannung, die an einem Shunt oder der Bürde eines Stromwandlers aufgebaut wird.

20 Die Summe bzw. die Differenz der den Messgrössen Spannung und Strom proportionalen Werte 2u bzw. Au kann durch entsprechende Verknüpfung der Sekundärwicklungen der Spannungs-und Stromwandler oder über Addier- und Subtrahierschaltungen mit Operationsverstärkern erzeugt werden. 25 Von den an den Ausgängen der Generatoren auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen fj und f2 entsprechend den vorgenannten mathematischen Beziehungen nach den Gleichungen (1) und (2) wird anschliessend die Differenz in Block 3 nach folgender Gleichung gebildet:

30

f2-fi = f20 - fio + ki • (u8 4- Uj)2 — k2 • (uu - Uj)2 (3)

Die Koeffizienten ki und k2 sind bei identischen Generatoren gleich, andernfalls können sie auf k = kx = k2 abgeglichen 35 werden. Ähnliches gilt für die Maximumfrequenzen f10 und f20, für die f0 = f 10 = f2o anzusetzen ist. Ist diese Bedingung durch die Generatoren nicht gegeben, so besteht neben dem Abgleich weiterhin noch die Möglichkeit, eine konstante Differenzfrequenz Af0 = f20 - fio in der Schaltung als Konstantfrequenz 40 abzuziehen.

Bei entsprechend abgeglichenen Generatoren 1 und 2 ergibt sich aus der Gleichung (3) die Beziehung:

, *2 - fi = k • [(uu + Uj)2 - (u„ - Uj)2] (4)

45

Aufgrund des Zusammenhanges (uu -I- us)2 — (uu — Uj)2 = 4uu • u; folgt:

f2 — fi = 4 k • uu • u; und mit p = uu • Uj ergibt sich für p:

In dieser Gleichung ist p proportional der gemessenen elektrischen Leistung und f21 = f2 — f l = Af, also die Differenz der 55 Frequenzen der Ausgangsimpulsfolgen der Generatoren 1 und 2. Die der Leistung proportionale Grösse p kann in geeigneter Weise auf eine Anzeige 4 oder durch Aufsummieren über die Zeit auf ein Zählwerk 5 gegeben werden, das damit die elektrische Energie anzeigt.

60 Das Blockschaltbild (Fig. 1) ist im Schaltungsbeispiel (Fig. 2) zum besseren Verständnis der Erfindung genauer ausgeführt. Hierbei entsprechen die Schaltungsgruppen A und B den Impulsgeneratoren 1 bzw. 2 der Fig. 1, während die Schaltungsgruppen C und D zwei unterschiedliche Lösungswege zur Diffe-65 renzbildung der Frequenzen gemäss Block 3 in Fig. 1 enthalten. Bei den Schaltungsgruppen A und B der Fig. 2 handelt es sich um besonders geeignete Anordnungen, die, abgesehen von je einem linear arbeitenden Integrator je Impulsgenerator nur als

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Schalter arbeitende Bauelemente enthalten. Grundsätzlich kann die Erfindung mit allen Generator- und Oszillatorschaltungen verwirklicht werden, die den mathematischen Zusammenhängen entsprechend den Gleichungen (1) und (2) gehorchen.

In der Schaltungsgruppe A (entspricht Impulsgenerator 1 der Fig. 1) werden unmittelbar auf den Summationspunkt Pj eines als Integratori! arbeitenden Operationsverstärkers über Widerstände die Spannungen uu und u; und je nach Stellung eines Schalters Sx eine Referenzspannung +E oder — E geführt. Bei dem Schalter handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Schaltanordnung, beispielsweise um einen Junc-tion-FET, einen MOS-FET als Analogschalter oder um einen Operationsverstärker, der als Schalter betrieben wird. Die Steuerung des Schalters Sj erfolgt von einem den Ausgang des Generators bildenden Komparator Kx durch Rechteckimpulse mit der Frequenz Fi. Für Eu = 0 bzw. Au = 0 arbeitet die Schaltung bei richtiger Phasenlage der Aussteuerimpulse als Oszillatorschleife, so dass am Ausgang des Integrators Dreiecksignale entstehen, deren oberer und unterer Umschaltpunkt durch den Komparator bestimmt wird, dessen Ansprechschwelle wiederum von der Referenzspannung +E bzw. — E abgeleitet ist. Auch hier ist der Einsatz anderer Schwellwertschalter, beispielsweise der eines Schmitt-Trigger möglich. Beim Messen von elektrischer Leistung sind dagegen die Werte uu und U; 4= 0, bzw. beim Anliegen von Spannung ist uu #0 und die Ausgangsfrequenz fi des Generators wird entsprechend Gleichung (1) ausgesteuert.

Der Funktionsablauf in der Schaltungsgruppe B (entspricht Impulsgenerator 2 in Fig. 1) ist der gleiche wie in der Schaltungsgruppe A, lediglich wird für u; das um 180° gedrehte Signal — Uj auf den Summationspunkt P2 des Integrators I2 gegeben.

Die am Ausgang der Generatoren auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen ft bzw. f2 können zur Bildung der Differenz der Frequenzen in einer Anordnung weiterverarbeitet werden, wie die Schaltungsgruppe C der Fig. 2 zeigt. Hierbei werden die Impulsfolgen getrennt in Zähler 6 bzw. 7 eingezählt. Anschliessend erfolgt in einem Parallelsubtrahierer 8 eine Differenzbildung der codierten, den beiden Frequenzen f x bzw. f2 entsprechenden Einzelwerte aus den beiden Zählern 6 bzw. 7 durch eine arithmetische gleichzeitig ablaufende Subtraktion. Die am Ausgang des Parallelsubtrahierers 8 entstehenden codierten Werte der algebraischen Differenzen werden sodann nach jedem Takt in einem nachgeschalteten Addierer 9 aufsummiert, wobei die Summe ein Mass für die gemessene elektrische Energie darstellt und in dem Anzeigegerät 10 registriert wird.

5 Dabei wird die Leistung p =

1

4k hl entsprechend Gleichung (5) als Zwischenergebnis nicht mehr dargestellt.

Soll auch die Leistung angezeigt werden, so kann man einen anderen Lösungsweg beschreiben wie er in der Schaltungsgrup-io pe D der Fig: 2 als Alternative dargestellt ist. Hierbei werden die Impulsfolgen mit den Frequenzen f2 und f ! über eine Anti-koinzidenzschaltung 11, welche prinzipiell nicht erforderlich ist und lediglich der Flankendiskriminierung dient, auf den Vorwärts- bzw. Rückwärtszähleingang eines Umkehrzählers 12 ge-15 geben. In diesem findet eine echte Differenzbildung der beiden Ausgangsimpulsfolgen durch den Vorwärts- Rückwärtszählvor-gang statt und an dessen Übertragsausgang erscheint eine neue Impulsfolge, deren Impulse durch Aufsummieren die gemessene elektrische Arbeit wiedergeben und deren Frequenz propor-2c tional der Leistung p ist. Die mittlere Frequenz fm entspricht der Wirkleistung Pw. Die Impulse können über bekannte Ansteuerschaltungen auf elektronische oder mechanische Zählwerke 13 gegeben werden, so dass der Zählerstand die gemessene elektrische Energie ausweist. Es ist auch eine direkte Anzeige des 25 Zählerstandes an dem Anzeigegerät 14 möglich.

Die vorgeschlagene Schaltung erlaubt auch die Erfassung des Blindverbrauchs, wenn das Signal uu zunächst noch um 90° in der Phasenlage gedreht wird oder wenn im Drehstromsystem die senkrecht zur Phasenspannung uu gelegene Leiterspannung 30 verwendet wird, die sich wiederum als Differenz der übrigen beiden Phasenspannungen erzeugen lässt. Auch zur Erfassung des Scheinverbrauchs ist die Schaltung geeignet, wenn die Messgrössen zuvor in Effektivwerte umgeformt werden.

Zur Messung der Leistung bzw. des Energieverbrauchs in 35 Mehrphasensystemen sind bei der vorgeschlagenen Schaltung lediglich für jede Phase die beiden Impulsgeneratoren 1,2 (Schaltungsgruppe A und B) vorzusehen und die Impulsfolgen der von 2u bzw. Au ausgesteuerten Generatoren zunächst additiv oder über koinzidenzunterdrückende Schaltungen auf je 40 einer gemeinsamen Impulsleitung zusammenzufassen und diese der Schaltungsgruppe C oder alternativ der Schaltungsgruppe D, wie bereits ausgeführt, aufzugeben.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischer Leistung und Energie, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Impulsgene-ratoren (1,2) vorgesehen sind, von denen der eine mit der Summe und der andere mit der Differenz zweier von den Messgrössen Netzspannung und Verbraucherstrom abgeleiteter Spannungen (uu, Uj) so ausgesteuert werden, dass die Differenz der Frequenzen (fb f2) der am Ausgang der Generatoren (1,2) entstehenden Impulsfolgen ein Mass für die elektrische Leistung ist und dass entweder die auf summierten Impulse einer neuen Impulsfolge, welche durch die Differenz der Ausgangsimpulsfolgen der Generatoren (1,2) gebildet wird (D), oder die aufsummierten Differenzen der durch Einzählen der Ausgangsimpulse der Generatoren in Zählwerke gebildeten Zählerstände ein Mass für die elektrische Energie sind (C).
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Impulsgeneratoren (1,2, A, B) im wesentlichen jeweils aus einem Integrator (Ix bzw. I2) und einem nachgeschalteten Komparator (Kx bzw. K2) bestehen, von dessen Ausgang ein Schalter (Sj bzw. S2) gesteuert wird, der je nach Schalterstellung eine Referenzspannung (+E oder — E) über einen Widerstand auf den Summationspunkt (Pt bzw. P2) des zugehörigen Integrators führt, so dass jeweils eine Oszillatorschleife gebildet ist, die am Ausgang des Integrators (Ix bzw. I2) Dreiecksignale und am Ausgang des Komparators (Kj bzw. K2) Rechtecksignale erzeugt und deren Frequenz (fx bzw. f2) in dem einen Generator durch die Summe 2u = u„ + u; und in dem anderen Generator durch die Differenz Au = u„ — U; der den Messgrössen Spannung und Strom proportionalen Spannungen uu bzw. U;, welche über Widerstände ebenfalls auf den jeweiligen Summationspunkt (Pt bzw. P2) geführt werden, nach der Beziehung ^ = f10 — lq (Zu)2 bzw. f2 = f20 — k2 (Au)2 ausgesteuert wird, wobei f ! die Ausgangsimpulsfolgefrequenz des Impulsgenerators

1,

f2 die Ausgangsimpulsfolgefrequenz des Impulsgenerators

2,

f10 die Maximumfrequenz des Impulsgenerators 1,

f20 die Maximumfrequenz des Impulsgenerators 2, kj, k2 jeweils aus der Schaltung sich ergebende Konstanten uu der Momentanwert der Messgrösse Spannung oder ein der Spannung proportionaler Wert,

U; eine der Messgrösse Strom proportionale Spannung bedeuten und

Eu = uu + U; der Summe der beiden letztgenannten Grössen sowie

Au = uu — U; der Differenz der beiden letztgenannten Grössen entsprechen.
3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Ausgängen der Impulsgeneratoren (A bzw. B) auftretenden Impulse mit den Frequenzen fj bzw. f2 in je einen Zähler (6 bzw. 7) eingezählt werden und von den Zählerständen ein nachfolgender Parallel-Subtrahierer (8) in bestimmten Zeitintervallen die Differenzen bildet, welche anschliessend von einem Addierer (9) aufsum-miert werden, und die auf eine Anzeige (10) gegebene Summe ein Mass für die elektrische Energie darstellt.
4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Ausgängen der Impulsgeneratoren (A bzw. B) auftretenden Impulse mit den Frequenzen fj bzw. f2 auf den Vorwärts- bzw. Rückwärtszählein-gang eines Umkehrzählers (12) gegeben werden und dass die an dessen Übertragsausgang auftretenden neuen Impulse einer Impulsfolge, deren mittlere Frequenz proportional der Wirkleistung ist, in einem Zählwerk (13) als Mass für die elektrische Energie auf summiert werden.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1

bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrössen Spannung uu und Strom us über Wandler reduziert und die Signale Su = uu + U; bzw. Au = uu — u; durch Reihen- bzw. Gegenreihenschaltung der Sekundärwieklungen erzeugt werden.

5 6. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse Spannung uu unmittelbar, die Messgrösse Strom U; jedoch über einen Shunt oder Wandler in eine elektronische Schaltung eingeführt sind und jeweils der Eingang eines Operationsverstärkers als io Summationspunkt für die Signale entsprechend den Messgrössen uu und Uj benutzt ist.
7. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Blindleistung bzw. des Blindverbrauchs die Messgrösse Spannung uu am Eingang der u Impulsgeneratoren (1,2) in der Phasenlage um 90° gedreht oder bei einem Drehstromsystem die senkrecht zur Phasenspannung gelegene Leiterspannung verwendet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Scheinleistung bzw. des

20 Scheinverbrauchs die Messgrössen am Eingang der Impulsgeneratoren (1,2) in Effektivwerte umgeformt sind.
9. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Wirk-, Blind- oder Scheinleistung bzw. des Wirk-, Blind- und Scheinverbrauchs in

25 einem Mehrphasensystem für jede Phase jeweils zwei Impulsgeneratoren vorgesehen sind und die Impulsfolgen der von der Summe (2u) bzw. Differenz (Au) der Messgrössen ausgesteu- . erten Generatoren additiv oder über koinzidenzunterdrückende Schaltungen auf je einer gemeinsamen Impulsleitung zusam-30 mengefasst sind.