DD227531A1

DD227531A1 - TRANSDUCER FOR MEASURING INTERCHANGEABLE LOADS AND VOLTAGES

Info

Publication number: DD227531A1
Application number: DD26837584A
Authority: DD
Inventors: Kurt-Ludwig Schornsheim
Original assignee: Leipzig Tech Hochschule
Priority date: 1984-10-15
Filing date: 1984-10-15
Publication date: 1985-09-18

Abstract

Messwandler zur Messung von Wechselstroemen und -spannungen in Elektroenergieversorgungssystemen mit technisch einfachem Schaltungsaufbau, geringem Material- und Kostenaufwand zur Schadensverhuetung an Energieversorgungssystemen und zum Schutz des Menschen mit hinreichender Genauigkeit und Konstanz des Uebertragungsmasses sowie Signalisierung wandlerinterner Fehler und Ausfaelle durch Selbstkontrolle ohne Unterbrechung des Informationsflusses unter Verwendung von Lichtleitverbindungen bei Wegfall von Hilfswandlern, leistungsloser Gestaltung der Schnittstelle am Wandlerausgang, gekennzeichnet durch ein analoges Uebertragungssystem mit Licht als Informationstraeger, das als Kernstueck eine starke Gegenkopplung vom Systemausgang auf den Systemeingang beinhaltet und einen Informationsfluss zwischen Sende- und Empfangsgruppe in beiden Richtungen durch bidirektionale Uebertragung ueber einen Lichtleiter gewaehrleistet. Zur Messwerterfassung und Selbstkontrolle steht nicht wie bisher die Energieuebertragung, sondern die Informationsuebertragung im Vordergrund. Fig. 1Instrument transformers for the measurement of alternating currents and voltages in electric power supply systems with technically simple circuit design, low material and cost expenditure for damage prevention in energy supply systems and for the protection of humans with sufficient accuracy and consistency of the transmission scale and signaling internal converter errors and failures by self-control without interrupting the flow of information using of Lichtleitverbindungen with elimination of auxiliary transducers, powerless design of the interface at the converter output, characterized by an analogue transmission system with light as information carrier, which includes as Kernstueck strong negative feedback from the system output to the system input and an information flow between the transmitting and receiving group in both directions by bidirectional transmission Guaranteed over a light guide. For data acquisition and self-control is not as before the energy transfer, but the information transfer in the foreground. Fig. 1

Description

Title of the invention

Meßwandler zur Messung von Wechselströmen und -spannungenTransducer for measurement of alternating current and voltages

Field of application of the invention

Meßwandler zur Messung von Wechselströmen und -spannungen sowie zur Automatisierung der Energiesählung in Elektroenergieversorgungssystemen.Measuring transducers for measuring alternating currents and voltages and for automating energy metering in electric power supply systems.

Characteristic of the known technical solutions

Es wurde gefunden der sogenannte Brückenwandler, bei dem zur Meßwerterfassung ein Trafo genutzt wird, der sich im geschlossenen Regelkreis befindet. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Beherrschung der Drift der eingesetzten Operationsverstärker, insbesondere wenn tiefe Grenzfrequenzen erforderlich sind, da bereits kleine Driftwerte der Ausgangsspannung den Hilfswandler sättigen. Außerdem sind die Gesamtkosten für Wandler dieser Art sehr hoch, da die Schnittstelle am Wandlerausgang für die üblichen hohen Leistungswerte der herkömmlichen, klassischen Wändlergeneration ausgelegt wurde, was insbesondere einen hohen Materialaufwand erfordert.It was found the so-called bridge converter, in which a transformer is used for data acquisition, which is located in the closed loop. A disadvantage of this solution is the mastery of the drift of the operational amplifier used, especially when low cut-off frequencies are required, since even small drift values of the output voltage saturate the auxiliary converter. In addition, the total cost of converters of this kind are very high, since the interface has been designed at the converter output for the usual high performance of the conventional, classic Wändler generation, which in particular requires a high cost of materials.

Eine zweite Form, sind Wandler, die zur Potentialtrennung und Informationsübertragung Lichtleitstrecken verwenden. Nachteilig wirkt sich bei diesem Prinzip dieA second form are converters that use optical paths for potential separation and information transmission. The disadvantage of this principle is the

Linearitäts- und Langaeitstabilisierung aus, die" durch den Einsatz von Lumineszensdioden (LEP), von denen mindestens zwei datengleich und gleich in ihrem Temperatur- und Alterungsverhalten sein müssen, erforderlich wird. Die Gewährleistung der Übereinstimmung der LED-Daten ist in der Praxis schwer realisierbar, woraus Meßungenauigkeiten resultieren (OS 2814716). Dieser Nachteil tritt auch auf, wenn die von der Sende-LED verzerrten Lichtsignale empfängerseitig entzerrt werden (PS 2839889, BRD). Die Anwendung einer Gegenkopplung auf der Senderseite schließt zwar Meßungenauigkeiten aus, ist aber entsprechend den Zuverlässigkeitsanforderungen beim Einsatz in EVS, nicht in der Lage, sich selbst zu kontrollieren ohne den Informationsfluß zu unterbrechen. Auch der Einsatz von LED im linearen Teil ihrer Lichtstrom -Plußspannungskennlinie hat sich als nachteilig erwiesen, weil einerseits die Meßungenauigkeit von der Temperatur abhängig ist und die LED eine Totzone im zu -übertragenden Strommeßbereich hervorruft, weil sie erst ab einer bestimmten Flußspannung Licht aussendet (OS 2700717)«Linearity and long-wave stabilization, which is "required by the use of luminescent diodes (LEP), of which at least two must be the same and the same in their temperature and aging behavior." Ensuring the compliance of the LED data is difficult to achieve in practice This disadvantage also occurs when the light signals distorted by the transmission LED are rectified on the receiver side (PS 2839889, FRG) The application of negative feedback on the transmitter side excludes measurement inaccuracies, but is in accordance with Reliability requirements when used in EVS, unable to control itself without interrupting the flow of information The use of LED in the linear part of their luminous flux - voltage characteristic has proved to be disadvantageous because on the one hand the measurement inaccuracy depends on the temperature and the LED a dead zone in to-carry end of the current measuring range because it only emits light at a certain flux voltage (OS 2700717) «

Es sind auch- Wandler bekannt, die zur Informationsübertragung ein quasianaloges Übertragungsverfahren (z. B, Pulsmodulation) anwenden. Hier ist der, durch den Impulsbetrieb hervorgerufene, hohe Eigenstrombedarf, der auf Hochspannungspotential liegenden LED-Ansteuerungsschaltung technisch und ökonomisch nachteilig. Außerdem begrenzt der zur Meßwerterfassung vorgeschaltete herkömmliche Spannungswandler die Meßgenauigkeit der gesamten Anordnung bedingt durch die, dem Trafo-Prinzip anhaftenden, Nachteile, wie Amplitudenfehler bei Überlast oder beim Auftreten τζοη Gleichgliedern und die ungenaue Wandlung der Amplituden- und Phasenlage von Netzharmonischen. Als bekannt ist weiterhin der Einsatz digitaler Übertragungssysteme zu nenn&Rf die sich zwar durch hohe Meßwertgenauigkeit ausziechnen, aber hinsichtlich ihres hohenAlso known are converters which use a quasi-analogue transmission method (eg, pulse modulation) for information transmission. Here is caused by the pulsed operation, high power consumption, lying on high voltage potential LED drive circuit technically and economically disadvantageous. In addition, the conventional voltage converter upstream of the measured value detection limits the measuring accuracy of the entire arrangement due to the disadvantages inherent in the transformer principle, such as amplitude errors in the event of overload or when τζοη identifiers occur and the inaccurate conversion of the amplitude and phase position of network harmonics. As well known is the use of digital transmission systems to name & Rf which indeed excel by high accuracy, but in terms of their high

schaltungstechnischen sowie material- und energieintensiven Aufwandes für die Anwendung auf breiter Ebene als unökonomisch erwiesen.circuit-wide and material-intensive and energy-intensive expenditure for the application on a broad scale as uneconomical.

Aim of the invention;

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Meßwandlers zur Messung, vorzugsweise hoher Wechselströme und -Spannungen, der einen technisch einfachen Schaltungsauf bau aufweist, geringen Material- und Kostenaufwand erfordert zur Schadensverhütung an Energieversorgungs- " systemen (EVS) sowie zum Schutz von Menschenleben über eine hinreichende Genauigkeit und Konstanz des Übertragungsmaßes verfügt und die Signalisierung wandlerinterner Fehler und Ausfälle durch Selbstkontrolle- gewährleistet.The aim of the invention is to provide a transducer for measuring, preferably high alternating currents and voltages, which has a technically simple Schaltungsauf construction, low material and cost required for damage prevention of energy supply "systems (EVS) and for the protection of human life on a sufficient Accuracy and constancy of the transmission measure has and the signaling of transducers internal errors and failures by self-control ensures.

Explanation of the essence of the invention

Der'Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler zu schaffen, der über einen einfachen, material., sparenden schaltungstechnischen Aufbau, unter Verwendung von Lichtleitverbindungen bei Wegfall des Hilfswandlers und leistungsloser Gestaltung der Schnittstelle am Wandlerausgang verfügt und eine hohe Genauigkeit und Konstanz der Übertragungsfunktion, geringe Reaktionszeiten und geringe Fehler auch im Überlastbereich und bei Netzharmonischen sowie beim Auftreten bei Gleichgliedern, Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störstrahlung und eine Selbstkontrolle durch Signalisierung wandlerinterner Fehler oder Ausfälle, ohne Unterbrechung des Informationsflusses,' gewährleistet.Der'Erfindung the object of the invention to provide a transducer which has a simple, material., Saving circuit design, using optical fiber connections with elimination of the auxiliary converter and powerless design of the interface at the converter output and high accuracy and consistency of the transfer function, Low response times and low errors in the overload range and in network harmonics as well as in the case of equal members, insensitivity to electromagnetic interference and self-control by signaling internal converter errors or failures, without interrupting the flow of information, 'guaranteed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Signalübertragung über Lichtleiter, welche die Baugruppen eines analogen Übertragungssystems,According to the invention the object is achieved by a signal transmission via optical fibers, which are the modules of an analog transmission system,

welches als Kernstück eine starke Gegenkopplung vom Systemausgang beinhaltet, miteinander verbindet, mittels Licht als Informationsträger, zwischen Sende- und Empfangsbaugruppe in beiden Richtungen ein 'Informations-, fluß gewährleistet ist, derart, daß jede der beiden Baugruppen zugleich Sende- und Empfangsfunktionen erfüllt, wobei die Meßwertübertragung durch Übertragung vom Sender auf Hochspannungspotential zum Empfänger auf Erdpotential und die Signalrückführung zur Systemgegenkopplung durch Übertragung vom Sender auf Srdpotential zum Empfänger auf Hochspannungspotential erfolgt und über Komparatoren die Signalisierung wandlerinterner Fehler oder Ausfälle gewährleistet ist.which as a core piece includes a strong negative feedback from the system output, interconnecting, by means of light as an information carrier between transmit and receive module in both directions an 'information, flow is ensured, such that each of the two modules simultaneously fulfills transmit and receive functions, the measured value transmission by transmission from the transmitter to high voltage potential to the receiver at ground potential and the signal feedback to the system negative feedback by transmission from the transmitter to Srdpotential to the receiver to high voltage potential and comparators signaling the internal transducer error or failure is guaranteed.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt den dazugehörigen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Meßwandlers. Im Ausführungsbeispiel befindet sich die Baugruppe 1 auf Hochspannungspotential der Meßstelle. Die Baugruppe 1 ermöglicht, mittels eines leistungsarmen Meßwerterfassungsteils 11, eine Anpassung der Empfindlichkeit an die Belange der Strom- oder Spannungsmessung, Das Meßwerterfassungsteil 11 steuert einen nichtinvertierenden Operationsverstärker 12 an, der eine Sende LED 13 ansteuert, die ihr moduliertes Licht in den Lichtleiter 2 sendet. Um die LED 13 mit positiven und negativen Signalen modulieren zu können, wird mittels der Konstantstromeinspeisung 14 in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12, durch die LED 13 ein Vorstrom geschickt. Die Gegenkopplungsschleife der Schaltung wird über Fotodiode 15 geschlossen, die von der Baugruppe 3 über den Lichtleiter 2, in den. invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 speist. Die gesamte Baugruppe 1 wird aus einem gepufferten Stabilisierungsteil 16 gespeist, wel-The invention will be described below with reference to an embodiment. The drawing shows the associated circuit structure of the transducer according to the invention. In the exemplary embodiment, the assembly 1 is at high voltage potential of the measuring point. The module 1 allows, by means of a low-power Meßwerterfassungsteil 11, an adjustment of the sensitivity to the interests of the current or voltage measurement, the Meßwerterfassungsteil 11 controls a non-inverting operational amplifier 12, which drives a transmitting LED 13, which sends its modulated light in the optical fiber 2 , In order to be able to modulate the LED 13 with positive and negative signals, a bias current is sent by the LED 13 by means of the constant current feed 14 in the inverting input of the operational amplifier 12. The negative feedback loop of the circuit is closed by photodiode 15, which from the assembly 3 via the light guide 2, in the. inverting input of the operational amplifier 12 feeds. The entire assembly 1 is fed from a buffered stabilizing part 16, wel

ches die Energie-der Hochspannungsseite des Meßwandlers in geeigneter Weise nutzt, ohne auf das Meßsignal wesentlich einzuwirken. Das von der LSD 13 in den Lichtleiter gesendete modulierte Licht trifft in Baugruppe 3 auf die Fotodiode 31 auf, die' daraus eine Spannung für den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 bereitstellt. Der Operationsverstärker 32 stellt zusammen mit der LED 33 und der Fotodiode 34 einen zweiten Regelkreis dar, dessen Regelgröße - der von der LED 33 ausgesandte Lichtstrom - in Abhängigkeit von der Führungsgröße U nachgeführt wird.Ches uses the energy of the high voltage side of the transducer in a suitable manner, without significantly affecting the measurement signal. The modulated light transmitted by the LSD 13 into the optical fiber arrives in assembly 3 on the photodiode 31, which provides a voltage for the non-inverting input of the operational amplifier 32 therefrom. The operational amplifier 32, together with the LED 33 and the photodiode 34, represents a second control loop whose controlled variable - the luminous flux emitted by the LED 33 - is tracked as a function of the reference variable U.

Zugleich sendet die LED 33 einen Teil des modulierten Lichtes in den Lichtleiter 2, um mit Auftreffen dieses Lichtes auf die Fotodiode 15 der Baugruppe 1 den Gesamtregelkreis der Übertragungsstruktur zu schließen. Dieser Regelkreis verhält sich, bezüglich der Ausgangspannung U des Meßwandlers ebenfalls wie ein Führungsregler, wobei die Führungsgröße vom Meßwerterfassungsteil 11 geliefert wird und damit der eigentlichen Meßgröße proportional ist. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers ist an der Fotodiode 31 abnehmbar. Die beschriebenen zwei Regelkreise bilden eine gegengekoppelte Übertragungsstruktur, die eine hohe zeitliche und thermische Konstanz der Übertragungsfunktion bei vernachlässigbar kleinen Phasen- und Amplitudenfehlern ermöglicht. Voraussetzung ist eine gute Entkopplung der unterschiedlichen Übertragungsrichtungen im Lichtleiter 2, die mittels herkömmlicher, geeigneter Richtungsweichen oder mit Licht verschiedener Wellenlängen für beide Übertragungsrichtungen verwirklicht werden kann. Durch das Zusammenwirken der mehrfach gegengekoppelten Übertragungsstruktur mit der Baugruppe 4 ist die Meldung von Wandlerdefekten möglich. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß die Differenzausgangsspannung eines gegengekoppelten Operationsverstärkers immer annähernd gleich Null sein muß. Aus dem. Vorhandensein einer von Hull verschiedenen Differenzeingangsspannung des Opera-At the same time, the LED 33 transmits a part of the modulated light into the light guide 2 in order to close the overall control circuit of the transmission structure when this light impinges on the photodiode 15 of the assembly 1. This control circuit behaves, with respect to the output voltage U of the transducer also like a master controller, wherein the reference variable is supplied from the Meßwerterfassungsteil 11 and thus the actual measured variable is proportional. The output voltage of the transducer is removable on the photodiode 31. The described two control circuits form a negative feedback transmission structure, which allows a high temporal and thermal constancy of the transfer function with negligible phase and amplitude errors. Prerequisite is a good decoupling of the different transmission directions in the light guide 2, which can be realized by means of conventional, suitable directional switches or with light of different wavelengths for both transmission directions. Due to the interaction of the multiply negatively coupled transmission structure with the module 4, the notification of converter defects is possible. The fact is used that the differential output voltage of a negative feedback operational amplifier must always be approximately equal to zero. From the. Presence of a differential input voltage different from Hull of the operational

tionsVerstärkers 32 kann auf einen nicht funktionsfähigen Operationsverstärker und/oder eine unterbrochene Rückführung geschlossen werden. Dieser Zustand wird vom Komparator 41 mit nachfolgender Anzeige 42, die die Aussage einer defekten Baugruppe 3 beinhaltet, signalisiert. Der Schluß auf einen v/andlerfehler ist auch dann zulässig, wenn der Wert der Ausgangsspannung U für längere Zeit ^* 1 ms = 0, oder = einem bestimmten Maximalwert ist. Im ersten Pail regt der Komparator 43 über ein entsprechendes Zeitglied die Anzeige 44 an, die die Aussage eines unterbrochenen Lichtleiters 2 und/oder einer defekten Baugruppe 1 enthält. Der Komparator 45, der über ein Zeitglied die Anzeige 46 anregt beinhaltet nur die Aussage über eine defekte Baugruppe 1, nämlich für den Fall, daß die Ausgangsspannung U des Meßwandlers für bestimmte Zeit gleich einem Maximalwert ist. In diesem Pail liegt eine Verschiebung des Arbeitspunktes der LED 13 vor, was zur Polge hat, daß die Baugruppe 1 nicht funktionstüchtig ist, der Lichtleiter 2 jedoch nicht übertragen kann. Die Baugruppe 4 ist außerdem so geschaltet, daß jede Anregung der Anzeigen 42, 44 und 46 ein Signal an einen übergeordneten Steuerteil über eine Baugruppe 47 auslösen kann mit dem ein Wandlerdefekt gemeldet wird. Die Meßwerterfassungsteile können von leerlaufenden kapazitiven Spannungsteilern oder Leiterstücken definierter Länge unter Ausnutzung des Spannungsabfalls gebildet werden, die mittels Elektrometerverstärkerrabschließbar sind. Ebenso kann zur Stromerfassung eine Rogowskispule mit nachfolgendem Integrationsverstärker verwendet werden. Durch die einfache Schaltungstechnik ist der Eigenverbrauch der Baugruppe. auf Hochspannungspotential an Hilfsenergie sehr klein gegenüber vergleichbaren digitalen Übertragungssystemen, was auch in niedrigen Materialkosten seinen Ausdruck findet. Als mögliche Quelle zur Bereitstellung von Hilfsenergie auf Hochspannungspotential wird die Energie der Hochspannungs.seite angesehen, die tion amplifier 32 can be closed to a non-operational operational amplifier and / or an interrupted feedback. This state is signaled by the comparator 41 with subsequent display 42, which includes the statement of a defective module 3. The conclusion on a v / aberlerfehler is also permissible if the value of the output voltage U for a long time ^ * 1 ms = 0, or = a certain maximum value. In the first Pail, the comparator 43 via a corresponding timer, the display 44, which contains the statement of an interrupted light guide 2 and / or a defective assembly 1. The comparator 45, which activates the display 46 via a timer contains only the statement about a defective module 1, namely for the case that the output voltage U of the transducer for a certain time is equal to a maximum value. In this Pail there is a shift of the operating point of the LED 13, which has the Polge, that the assembly 1 is not functional, but the light guide 2 can not transmit. The assembly 4 is also connected so that each excitation of the displays 42, 44 and 46 can trigger a signal to a higher-level control part via a module 47 with a transducer defect is reported. The measured value acquisition parts can be formed by open-end capacitive voltage dividers or conductor pieces of defined length, taking advantage of the voltage drop, which can be locked by means of electrometer amplifiers. Likewise, a Rogowski coil with subsequent integration amplifier can be used for current detection. Due to the simple circuit technology, the self-consumption of the module. On high voltage potential of auxiliary power very small compared to comparable digital transmission systems, which also finds its expression in low material costs. As a possible source for providing auxiliary power to high voltage potential, the energy of the Hochspannungs.seite is considered

aus Sättigungswandlern gewonnen und mittels gepufferter Stabilisierungsteile unterbrechungsfrei als Konstantspannung zur Verfügung steht.obtained from saturation transducers and is available without interruption by means of buffered stabilization parts as a constant voltage available.

Claims

invention claim

1. transducer for the measurement of alternating currents and voltages using optical fibers as a coupling element between physically separate assemblies, characterized in that a signal transmission via a light guide two modules of an analog transmission system, Vielches as a core piece a strong negative feedback from the system output to the Systeineingang includes connecting, by means of light as an information carrier, between the transmitting and receiving modules in both directions.

, at the same time an information flow is ensured, wherein the measured value is transmitted from the transmitter to high voltage potential to the receiver at ground potential and the signal feedback to the system negative feedback from the transmitter to ground potential to the receiver to high voltage potential.

2. Transducer according to claim 1, characterized in that a bidirectional signal flow is ensured by the use of optical fork couplers or by using light of different wavelengths.

3. A transducer according to claim 1, characterized in that an assembly (1) includes an operational amplifier (12), at the inverting input of a, to the light guide (2) coupled photodiode (15), the Aus¬

a Meßwerterfassungsteils (11) and a current source for adjusting the LED bias current are connected and whose output one, to the light guide (2) coupled LED (13) controls.

4. A transducer according to claim 1, characterized in that a second module (3) includes an operational amplifier (32) whose output drives an LED (33) in the, the two modules (13) connecting, light guide (2) modulated Sends light from which a part of a photodiode (34), which is connected to the inverting input of the same operational amplifier (32) and the non-inverting input of an additional, to the light guide (2) coupled photodiode (31) is controllable, which at the same time emits the output voltage of the entire transducer.

5. A transducer according to claim 1, characterized in that the Spannungsmeßwerterfassung by one, from the high-voltage leading conductor connected to ground potential, idling, capacitive voltage divider is carried out.

6. A transducer according to claim 1, characterized in that, electromagnetically uninfluenced, Strommeßwerterfassung by a magnetic voltmeter, which comprises the current-carrying conductor completely, takes place and a current-proportional voltage drop across a current-carrying conductor piece of defined length forms the measured variable.

7. A transducer according to claim 1, characterized in that the power supply, the module is at high voltage potential, from energy of the high voltage side of the transducer, for example

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combined current and voltage saturation transducers in conjunction with a buffered stabilizing part is removable.

δ. Measuring transducer according to Claim 1, characterized by an assembly (4) consisting of three comparators (41, 43, 45) which compares the output signal with different defined level values both in terms of time delay and instantaneously and, corresponding to the respective fault, excites signaling.

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