CH682519A5 - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung. - Google Patents

Description

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CH 682 519 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung, wobei die Eingangsspannung bzw. der Eingangsstrom über einen Spannungseingangs- bzw. über einen Stromeingangsschutz geführt sind und wobei die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom über einen Spannungsausgangs- bzw. über einen Stromausgangsschutz geführt sind.

Leistungsmessungen werden üblicherweise mit Wattmetern, beispielsweise aber auch mit Temperatur-Sensoren durchgeführt. Bei Verwendung dieser temperaturempfindlichen Sensoren wird die Temperaturdifferenz zweier Heizwiderstände, welche proportional der Verlustleistung ist, gemessen. Nachteilig ist, dass die Sensoren nur mit grossem technischen Aufwand kalibrierbar sind.

Standard-Wattmeter arbeiten mit integrierender Pulsweitenmodulation und weisen an den Eingängen Spannungs- und Stromwandler auf. Analoge Messgrössen werden nach Umformung eines digitalen Abtastwertes über einen DAC ausgegeben. Diese Geräte funktionieren nach der 2- oder 3-Wattme-termethode.

Ein Nachteil solcher Messgeräte besteht in der relativ langen Einschwingzeit von etwa einer Sekunde. Zudem schränken die Spannungs- und Stromwandler den Frequenzbereich auf etwa 10 Hz bis 2 kHz ein und reduzieren die Messgenauigkeit. Die Fehlergrösse beträgt etwa 1% bei 2 kHz; bei höheren Frequenzen sinkt die Messgenauigkeit rapide ab.

Weiter ist nachteilig, dass nur etwa 2,5 Werte pro Sekunde ausgegeben werden, so dass sich ein treppenförmig ansteigender asynchroner Analogwert ergibt.

Als weiterer grosser Nachteil sei erwähnt, dass über bestimmte Zeiträume nur in Form von Mittelwerten Auskunft gegeben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messgerät zu schaffen, mit welchem die Nachteile der bekannten Geräte vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung einem Spannungseingangs-Modul zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über ein Controller-Interface und über eine Mutterplatine einem Analogmultipli-zierer zugeführt ist und dass der Eingangsstrom einem Stromeingangs-Modul zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über das Controller-Interface und über die Mutterplatine dem Analogmultiplizierer zugeführt ist und dass die Mutterplatine über eine Steuerungs- und Zählerplatine und über eine Summierverstärkerplatine sowie über einen Analog-/Frequenzausgang des Multiplikators mit einer Momentanleistungsausgangs-Buch-se und einer Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse verbunden ist.

Das integrationslose Messverfahren mittels der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass damit Spannungs-, Strom- und Leistungspendelungen augenblickswertrichtig angezeigt werden.

Vorteilhaft ist weiter, dass - zusätzlich zur Momentanwertanzeige - der gesamte Kurvenverlauf zu jedem Zeitpunkt mit einem Aufzeichnungsgerät, also einem Digitalspeicheroszilloskop oder einem Transientenrekorder, aufgezeichnet werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind im Spannungseingangs-Modul und im Stromeingangs-Modul Isolierverstärker vorgesehen.

Da die Eingangspotentialtrennung nicht mit Spannungs- und Stromwandlern, sondern mit Isolierverstärkern erfolgt, und die Multiplizier- und Summierverstärkerschaltung ohne kapazitive Ankopplung arbeitet, ist die Messung von Gleich-, Wechsel- und Mischstromleistung innerhalb eines grossen Frequenzbereiches gewährleistet, wobei die hohe Messgenauigkeit erhalten bleibt.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine Mikroprozessoreinheit über die Steuerungs- und Zählerplatine mit dem Analogmultiplizierer verbunden ist.

Mit dem Mikroprozessor wird der Mittelwert der Einzel- oder Gesamtleistung errechnet. Diese Lei-stungs- und Energiewerte werden in einem CMOS-Speicher abgelegt und können nach Abschluss der Messungen auf einem Drucker mit seriellem Interface für Dokumentationszwecke ausgegeben werden.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Controller-Interface mit einer Tastatur für Spannungs- und Strombereichseinstellung sowie mit einer Segmentanzeige verbunden ist und dass der Analogmultiplizierer mit einem Bar-Graph-Board und einer Tastatur für Bar-Graph-Steuerung sowie mit Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheiten für Spannung, für Strom und für Leistung verbunden ist.

Damit wird vielseitige Anwendbarkeit eines Messgerätes mit der erfindungsgemässen Schaltung nochmals vergrössert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mikroprozessoreinheit mit einer LCD-Anzeigeplatine und einer Tastatur verbunden.

Damit ist es möglich, die Integrationszeiten, die Primärübersetzungen für Strom und Spannung und die Messart - also Einzelmessung oder kontinuierliche Messung - frei zu wählen. Der Mikroprozessor errechnet anhand der Skalierungsfaktoren die Lei-stungs- und Energiewerte und bringt sie auf dem LCD-Display zur Anzeige. Es werden gleichzeitig sowohl der Einzelwert als auch der Summenwert angezeigt.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Erweiterung für mehrere Spannungsein-gangs-Kanäle und mehrere Stromeingangskanäle vorgesehen.

Damit können auch in mehrphasigen unsymmetrischen Systemen Leistungsmessungen problemlos und mit voller Anzeigegenauigkeit durchgeführt werden.

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll nun die Erfindung näher erläutert werden, wobei zwecks übersichtlicher Darstellung die Form von Blockschaltbildern gewählt wurde. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Spannungseingangs-Modul,

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Fig. 2 ein Stromeingangs-Modul,

Fig. 3 einen Analogmultiplizierer,

Fig. 4 einen Leistungsmesser für einen Eingangskanal und

Fig. 5 einen Leistungsmesser für drei Eingangskanäle.

Das in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Spannungseingangs-Modul 1 ist im Detail aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut:

2 Spannungseingangs-Buchse

3 Spannungsteiler

4 Verstärker

5 Isolierverstärker

6 Filter

7 Phasenkompensation

8 Spannungsausgangs-Buchse

9 Relaisansteuerung

10 BCD-Dezimaldekoder

11 Verbindungsleitung

12 Relaisboard

13 Verbindungsleitung

Das in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Stromeingangs-Modul 21 ist im Detail aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut:

22 Stromeingangs-Buchse

23 Shunt-Netzwerk

24 Verstärker

25 Isolierverstärker

26 Filter

27 Phasenkompensation

28 Stromausgangs-Buchse

29 Relaisansteuerung

30 BCD-Dezimaldekoder

31 Verbindungsleitung

32 Verbindungsleitung

33 Verbindungsleitung

34 Verbindungsleitung

35 Relaisboard

Der in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellte Analogmultiplizierer 41 ist im Detail aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut:

42 Stromeingang

43 Spannungseingang_

46 Verstärker (Av = V2)

47 Verbindungsleitung

48 Schutz- u. Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Strom

49 Verbindungsleitung zum Bar-'Graph-Board

50 Multiplizierer

51 Verbindungsleitung

52 Verstärker (Av = -1/5)

53 Verbindungsleitung

54 Analogausgang des Multiplikators

55 Spannungs/Frequenz-Konverter (50 kHzA/, fo = 200 kHz)

56 Frequenzausgang des Multiplikators

57 Verbindungsleitung

58 Schutz- u. Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Leistung

59 Verbindungsleitung zum Bar-Graph-Board

60 Verbindungsleitung

61 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Spannung

62 Verbindungsleitung zum Bar-Graph-Board

63 Verbindungsleitung zur Steuerungs- und Zählerplatine _

64 Verstärker (Av = V2)

Ein auf der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung basierendes Gerät zur Messung elektrischer Leistung ist zweckmässigerweise modular aufgebaut. Die Leistungmessung erfolgt auf der Basis des analogen Messverfahrens mittels eines logarithmischen Multiplizierers, welchem die beiden Eingangsgrössen Spannung und Strom zugeführt werden. Der hierbei verwendete Analogmultiplizierer besteht aus den Funktionsgruppen Log-Verstärker, Summierverstärker und Antilog-Verstärker.

Die Arbeitsweise des Log-Verstärkers beruht auf dem logarithmischen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom eines Halbleiters, der in Form eines Transistors in den Gegenkopplungskreis eines Operationsverstärkers geschaltet ist. Mittels unlinearer Gegenkopplung folgt der Ausgang des Operationsverstärkers dem Logarithmus der Eingangsspannung. Die Übertragungsfunktion ist aber auch temperaturabhängig. Da der Log- und der Antilog-Verstärker gleiches thermisches Verhalten - jedoch mit entgegengesetzter Polarität - aufweisen, wird diese Temperaturdrift bis zu einem vernachlässigbar kleinen Restwert vollständug kompensiert. Durch Summierung der Ausgangswerte der beiden Log-Verstärker für Strom und Spannung und anschliessender Antilogbildung steht das Produkt der Eingangsgrösse verzögerungsfrei am Ausgang des Multiplizierers zur Verfügung.

Da die Eingangspotentialtrennung nicht mit Spannungs- und Stromwandlern, sondern mit Isolierverstärkern erfolgt, und die mit Multiplizier- und Summierverstärkerschaltung ohne kapazitive An-kopplung arbeitet, ist eine exakte Messung von Gleich-, Wechsel- und Mischstromleistung innerhalb eines grossen Frequenzbereiches gewährleistet.

In Fig. 4 ist, in Form eines Blockschaltbildes, ein kompletter Präzisions-Momentanwert-Leistungsmes-sers 71, ohne Zusatzeinrichtungen, für einen Eingangskanal dargestellt, wobei der Leistungsmesser 71 aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut ist:

72 Spannungseingangs-Buchse

73 Stromeingangs-Buchse

75 Spannungseingangs-Modul

76 Controller-Interface

77 Spannungsausgangs-Buchse

79 Stromeingangs-Modul

80 Stromausgangs-Buchse

81 Mutterplatine

82 Analogmultiplizierer

83 Steuerungs- und Zählerplatine

84 Summierverstärkerplatine

85 Analog-Frequenzausgang des Multiplikators

86 Momentanleistungsausgangs-Buchse

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87 Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse

88 Mikroprozessoreinheit

Bei dem in Fig. 4 dargestellten, nach der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung konzipierten Leistungsmesser wird die Eingangsspannung über die Spannungseingangs-Buchsen 72 dem Spannungseingangs-Modul 75 zugeführt, wo sie auf einen potentialgetrennten Nennpegel von 5 Volt transformiert und über das Controller-Interface 76 sowohl an die Spannungsausgangs-Buchse 77 als auch über die Mutterpiatine 81 in den Analogmultiplizierer 41 weitergeleitet wird. Die Potentialtrennung erfolgt im Eingangskreis mittels 3-Port-lsolier-verstärker.

Der Eingangsstrom wird über die Stromeingangs-Buchsen 73 dem Stromeingangs-Modul 79 zugeführt, wird dort ebenfalls potentialgetrennt, auf den Spannungsnormwert von 5 Volt verstärkt und anschliessend, auf dem gleichen Signalweg wie die Eingangsspannung, die an die Stromausgangs-Buchse 80 und zum Analogmultiplizierer 82 weitergeleitet.

An der Spannungsausgangs-Buchse 77 und der Stromausgangs-Buchse 80 steht die Kurvenform (das ist der Momentanwert) oder der Betrag (das ist die effektivwertäquivalente Gleichspannung) der Spannung und des Stromes, und zwar jeweils umschaltbar, für Analysezwecke zur Verfügung.

Der Analogmultiplizierer 82 bildet nach vorhergehender Verstärkung um den Faktor V2 das momentane Produkt der beiden Eingangsgrössen. Die Momentanleistung eines Kanales ist somit proportional der Ausgangsspannung des Multiplizierers mal der Leistungskonstante CP. Die Anpassung der Leistungspegel wird so vorgenommen, dass sich die Leistungskonstante aus dem Produkt des jeweiligen Spannungs- und Stromausgangsbereiches ergibt. Sie wird an jedem Eingangskanal über ein sechsstelliges 7-Segmentdisplay angezeigt. Die Anzeigesteuerung übernimmt das Controllerinterface 76.

Für die Übernahme in den Mikroprozessor muss das Analog-Ausgangssignal zuvor digitalisiert werden. Diese Aufgabe führt ein Spannungs-/Frequenz-konverter durch, dessen Frequenzimpulsänderung ein Abbild der Momentanleistung darstellt. Beide Signale sind über die Mutterplatine 81 mit dem Ana-log/Digital-Auswertemodul, bestehend aus der Steuerungs- und Zählerplatine 83, der Summierverstärkerplatine 84 und der Mikroprozessoreinheit 88 verbunden.

Die Generierung der Summenmomentanleistung erfolgt durch die verzögerungslose Summierung der Multiplikator-Ausgangsspannnungen im Summierverstärker. Der Analogsummierer besteht aus einem Operationsverstärker in invertierender Beschaltung mit drei Eingängen. Unter der Voraussetzung, dass die Widerstandswerte aller Widerstände gleich gross sind, folgt die Ausgangsspannung unmittelbar der Summe der Eingangsspannungen. Nach der Pufferung und Entkopplung im Analog-/Frequenz-ausgang des Multiplikators 85 gelangen die Einzelleistungen auf die Momentanleistungsausgangs-Buchsen 86 und die Gesamtleistung auf die Sum-

menmomentanleistungsausgangs-Buchse 87. Die Einzelleistungsausgänge können wahlweise auch auf Frequenzimpulsausgabe geschaltet werden.

Die Mikroprozessoreinheit 88 dient dazu, den Mittelwert der Einzel- oder Gesamtleistung über frei wählbare Integrationszeiten zu errechnen. Weiter ist auch die Ausgabe der Energiewerte möglich. Die Messung beruht darauf, dass die, der Momentanleistung proportionalen, Frequenzimpulse für die Dauer der Integrationszeit in einen, für jeden Kanal getrennt vorhandenen, 32-Bit-Zähler der Steuerungsund Zählerplatine 83 aufsummiert werden. Nach Ablauf der Torzeit liest der Mikroprozessor die Zählerstände ein, errechnet anhand der Skalierungsfaktoren die Leistungs- und Energiewerte und bringt sie auf einem 4zeiligen LCD-Display zur Anzeige. Diese Leistungs- und Energiewerte werden in einem CMOS-Speicher abgelegt und werden nach Abschluss der Messungen auf einem Drucker mit seriellem Interface für Dokumentationszwecke ausgegeben.

In Fig. 5 ist, in Form eines Blockschaltbildes, ein kompletter Präzisions-Momentanwert-Leistungsmes-ser 101, mit Zusatzeinrichtungen, für drei Eingangskanäle dargestellt, wobei der Leistungsmesser 101 aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut ist:

102 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 1

103 Stromeingangs-Buchse für Kanal 1

104 Spannungseingangs-Schutz

105 Spannungseingangs-Modul

106 Controller-Interface

107 Spannungsausgangsschutz

108 Spannungsausgangs-Buchse

109 Foiientastatur für Spannungs- und Strombereichseinstellung

110 6-Digit 7-Segmentanzeige

111 Stromeingangsschutz

112 Stromeingangs-Modul

113 Stromausgangsschutz

114 Stromausgangs-Buchse

115 Mutterplatine

116 Analogmultiplizierer

117 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Spannung

118 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Strom

119 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Leistung

120 Bar-Graph-Board

121 Folientastatur für Bar-Graph-Steuerung

122 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 2

123 Stromeingangs-Buchse für Kanal 2

124 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 3

125 Stromeingangs-Buchse für Kanal 3

126 Netzanspeisung

127 Steuerungs- und Zählerplatine

128 Summierverstärkerplatine

129 Analog-/Frequenzausgang des Multiplikators

130 Momentanleistungsausgangs-Buchse für Kanal 1 bis 3

131 Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse

132 Analog-Digital-Konverter

133 Mikroprozessoreinheit

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134 LCD-Anzeigeplatine

135 Folientastatur für Mikroprozessor-Steuerung

Das in Fig. 5 dargestellte, auf der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung basierende Leistungsmessgerät ist modular aufgebaut und kann mit bis zu drei Kanälen bestückt werden, welche beliebig austauschbar sind.

Bei dieser Ausführung für drei Eingangskanäle werden insgesamt drei 4-Quadranten-Analog-Multi-plizierer - also einer je Kanal - verwendet. Auf diese Weise werden die Momentanleistungen der einzelnen Stränge eines Drehstromnetzes gleichzeitig erfasst. Nach Summation der Augenblickswerte kann bei der Drehstromleistungsmessung, in 2-Watt-metermethode oder in 3-Wattmetermethode, die Gesamtwirkleistung am Ausgang integrationslos und somit in Echtzeit zur Anzeige gebracht werden.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung, wobei die Eingangsspannung bzw. der Eingangsstrom über einen Spannungseingangsbzw. über einen Stromeingangsschutz geführt sind und wobei die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom über einen Spannungsausgangs- bzw. über einen Stromausgangsschutz geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung einem Spannungseingangs-Modul (1, 105) zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über ein Controller-Interface (76, 106) und über eine Mutterplatine (81, 115) einem Analogmultiplizierer (41, 116) zugeführt ist und dass der Eingangsstrom einem Stromeingangs-Modul (21, 112) zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über das Controller-Interface (76, 106) und über die Mutterplatine (81, 115) dem Analogmultiplizierer (41, 116) zugeführt ist und dass die Mutterplatine (81, 115) über eine Steuerungs- und Zählerplatine (83, 127) und über eine Summierverstärkerplatine (84, 128) sowie über einen Analog-/Frequenzausgang (85, 129) des Multiplikators mit einer Momentanleistungsausgangs-Buchse (86, 130) und einer Summenmomentanlei-stungsausgangs-Buchse (87, 131) verbunden ist (Fig. 4 und 5).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Spannungseingangs-Modul (1) und im Stromeingangs-Modul (21) Isolierverstärker (5, 25) vorgesehen sind (Fig. 1 und 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikroprozessoreinheit (133) über die Steuerungs- und Zählerplatine (127) mit dem Analogmultiplizierer (117) verbunden ist (Fig. 5).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Controller-Interface (106) mit einer Tastatur (109) für Spannungs- und Strombereichseinstellung sowie mit einer Segmentanzeige (110) verbunden ist und dass der Analogmultiplizierer (116) mit einem Bar-Graph-Board (120) und einer Tastatur (121) für Bar-Graph-Steuerung sowie mit Schutz- und Aus-

steuerungs-Kontrolleinheiten für Spannung (117), für Strom (118) und für Leistung (119) verbunden ist (Fig. 5).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprozessoreinheit (133) mit einer LCD-Anzeigeplatine (134) und einer Tastatur (135) verbunden ist (Fig. 5).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erweiterung für mehrere Spannungseingangs-Kanäle (102, 122, 124) und Stromeingangskanäle (103, 123, 125) vorgesehen ist (Fig. 5).

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