DE10101513B4

DE10101513B4 - Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung

Info

Publication number: DE10101513B4
Application number: DE2001101513
Authority: DE
Inventors: Wenzel Meierfrankenfeld
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: DE10101513A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung in einer Schaltungsanordnung, in der diese zur Speisung einer elektrischen Last unter Verwendung eines Netzteiltransformators (1) und einer Graetz-Brückenschaltung (2) mit parallel angeordnetem Glättungskondensator (C) in eine Gleichspannung gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (AS) in Phasen, in denen der Betrag der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) vor der Graetz-Brückenschaltung (2) kleiner als eine Referenzspannung (Uref), die kleiner als die Summe aus der Spannung U_C am Glättungskondensator und der zweifachen Durchlassspannung U_F einer Diode (21) in der Graetz-Brückenschaltung (2) ist und folglich kein Ausgangsstrom I_Sek auf der Sekundärseite des Transformators (1) fließt, aus dem Signalverlauf der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) und der Frequenz den Effektivwert der sekundärseitigen Wechselspannung (Usek) mit der Gleichung

berechnet und unter Berücksichtigung des Übertragungsfaktors (ü) den Effektivwert der Netzeingangsspannung berechnet, wobei t3 die ermittelte Zeitdauer ist, in der die sekundärseitige Wechselspannung u_Sek(t) U_ref ≤ u_Sek(t) ≤ 0 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung in einer Schaltungsanordnung, in der diese zur Speisung einer elektrischen Last unter Verwendung eines Netzteiltransformators und einer Graetz-Brückenschaltung mit parallel angeordnetem Glättungskondensator in eine Gleichspannung gewandelt wird.
Aus der Zeitschrift "messen und prüfen/automatik", September 1973, Seite 549, ist es bekannt, zum Ermitteln einer sinusförmigen Spannung einen Messumformer zu verwenden, der einen Transformator und eine nachgeschaltete Graetz-Brückenschaltung umfasst. Das umgeformte Spannungssignal wird anschließend mit zumindest einem Kondensator geglättet und dann der Auswertung zur Verfügung gestellt.
Aus der US 3,024,415 ist ein Messgerät zum Messen von Effektivwerten für Wechselspannungen bekannt. Hierbei wird die Eingangsgröße über einen Übertrager einer Graetz-Brückenschaltung zugeführt. Das gleichgerichtete Spannungssignal wird über eine Spannungsteilermatrix in ein Stromsignal gewandelt und einem analogen DC-Strom-Anzeigeinstrument zugeführt.
Bei den bekannten Verfahren wird jedoch davon ausgegangen, dass am Transformator an der Sekundärseite keine weiteren Verbraucher angeschlossen sind, die zu einer Belastung und damit zu einer Verzerrung des Spannungssignals auf der Sekundärseite führen.
Bei Geräten, in denen mindestens ein Teil der elektrischen Verbraucher mit einer geregelten oder gesteuerten Netzspannung betrieben wird, ist es wünschenswert, die Größe der Netzspannung (Maximalwert oder Effektivwert) zu kennen. Bei solchen Geräten ist es allgemein bekannt, zur Regelung oder Steuerung Stellelemente (Relais', Thyristoren ...) zu verwenden und diese durch Gleichspannungen anzusteuern. Dies kann beispielsweise in einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfolgen. Neben den Stellelementen können in einer solchen Schaltungsanordnung andere elektrische Lasten mit Kleinspannung betrieben werden.
Wird der Effektivwert einer Netzspannung (U_Netz) aus dem Effektivwert der sekundärseitigen Wechselspannung (U_Sek) bei bekanntem Übertragungsfaktor (ü) eines Netzteiltransformators berechnet, so ist zu berücksichtigen, dass die Messung von U_Sek aus folgenden Gründen sehr ungenau ist:
Betrachtet man den Transformator sekundärseitig als Spannungsquelle mit einem immer vorhandenen Innenwiderstand R_i, der erheblich durch die jeweiligen Wicklungstemperaturen beeinflusst wird, so errechnen sich die Effektivwerte der Ausgangsspannung USek = (UNetz·ü) – (ISek·Ri) (1.1)I_sek = Strom in der Sekundärwicklung des Netzteiltransformators;
das ergibt aufgelöst nach U_netz UNetz = (USek + ISek·Ri)/ü (1.2)
Diese Formel zeigt, dass bei der Bestimmung von U_Netz große Fehler (bis ca. i: 35 %) auftreten, wenn I_Sek und R_i nicht genau bekannt sind. Eine Verkleinerung des Messfehlers ist bei diesem Verfahren nur durch eine aufwendige Ermittlung der jeweils aktuellen I_Sek- und R_i-Werte möglich.
Der Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung in einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu offenbaren, welches genau arbeitet und gleichzeitig ohne Messung des Stroms in der Sekundärwicklung und des Innenwiderstands auskommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.
Das erfindungsgemäß arbeitende Verfahren vermeidet die vorbeschriebenen Nachteile dadurch, dass eine spezielle Sekundärspannungsgröße des Transformators in Zeiträumen gemessen wird, in denen kein sekundärseitiger Transformatorausgangsstrom fließt. Die sehr genaue Bestimmung der Netzspannung wird deshalb nicht beeinflusst von

1. dem Laststrom der zu versorgenden Schaltung,
2. dem Innenwiderstand des Transformators,
3. den Wicklungstemperaturen des Transformators,
4. der Toleranz des Glättungskondensators.

Es ist nur ein relativ geringer Hard- und Softwareaufwand zur Durchführung des Verfahrens erforderlich, somit entstehen nur geringe zusätzliche Kosten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung.
Bei der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird die eingangsseitige Netzspannung u_Netz(t) durch einen Netzteiltransformator (1) in eine sinusförmige Klein-Wechselspannung u_Sek(t) transformiert. Zur Umwandlung in eine Gleichspannung ist der Sekundärwicklung (11) eine Graetz-Brückenschaltung (2) mit Glättungskondensator (C) nachgeschaltet. Die Schaltungsanordnung beinhaltet außerdem einen Mikroprozessor (3), in welchem eine Auswerteschaltung (AS) integriert ist. Der Mikroprozessor (3) steuert in bekannter Weise eine elektrisch Last an, die in der Zeichnung durch Treiber (4) mit nachgeschalteten Relais' (5) symbolisiert ist. Zusätzlich können weitere elektrische Verbraucher (nicht dargestellt) durch den Mikroprozessor (3) oder andere Steuereinrichtungen mit Gleichspannung gespeist werden. u_Sek(t) wird durch einen Differenzverstärker (6) aufbereitet und als Eingangssignal der im Mikroprozessor (3) integrierten Auswerteschaltung (AS) zugeleitet. Dort erfolgt eine Ermittlung des Effektivwerts der Netzeingangsspannung U_Netz nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren:
Bei der Gleichrichterschaltung (2) fließt in der Sekundärwicklung des Transformators (1) nur in den Zeiträumen ein Strom I_Sek, in denen der Betrag der Ausgangsspannung u_Sek(t) größer ist als die Summe aus der Durchlassspannung U_F von zwei in der Graetz-Brückenschaltung verwendeter Dioden (21) und der Spannung am Glättungskondensator (C) U_C. Hat die Spannung U_C am Glättungskondensator z. B. einen Wert von 10V, so fließt in den Zeiträumen, in denen u_Sek(t) zwischen +11,4V und -11,4V liegt, kein Transformatorausgangsstrom I_Sek. Das bedeutet, dass in diesen Zeiträumen I_Sek den Wert Null hat und somit eine Multiplikation mit dem unbekannten Wert von R_i immer Null ergibt. Deshalb kann U_Sek in Zeiten, in denen u_Sek(t) im Bereich von +11,4V und -11,4V liegt, unbeeinflusst vom Laststrom der zu versorgenden Schaltung und vom Innenwiderstand des Netzteiltransformators (1) bestimmt werden. Da sich bei größeren Lasten die Spannung am Glättungskondensator (C) und folglich auch die Summe verringert, kann als Referenzspannung ein ausreichend kleiner Wert, im vorliegenden Fall beispielsweise U_ref = 8 Volt gewählt werden. Um aus dem Signalverlauf der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) in der Phase, in der diese kleiner als U_ref ist, den Effektiv- oder Maximalwert zu berechnen, gibt es, da die Spannungsform (sinusförmige Wechselspannung) und deren Frequenz (50 Hz) bekannt sind, folgende Möglichkeiten:

1. Differenzierung von u_Sek(t) im Bereich des Nulldurchgangs, solange |uSek(t)| ≤ Uref (2.1)
2. Messung der Länge der Zeitspanne t₂ bzw. t₃, in der entweder |uSek(t)| ≤ Uref (2.2)oder Uref ≤ usek(t) ≤ 0 (2.3)

Aus t₃ (Gleichung 2.3) lässt sich dann beispielsweise der Effektivwert U_Sek berechnen nach:
Die so berechnete sekundärseitige Wechselspannung entspricht immer der Leerlaufspannung, unbeeinflusst vom Laststrom der zu versorgenden Schaltung und vom temperaturabhängigen Innenwiderstand Ri des Transformators (1). Jetzt lässt sich der Effektivwert der Netzeingangsspannung U_Netz mit Hilfe des nur sehr kleinen Toleranzen unterliegendem Übertragungsfaktors berechnen: UNetz = USek/ü (3.1)

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung in einer Schaltungsanordnung, in der diese zur Speisung einer elektrischen Last unter Verwendung eines Netzteiltransformators (1) und einer Graetz-Brückenschaltung (2) mit parallel angeordnetem Glättungskondensator (C) in eine Gleichspannung gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (AS) in Phasen, in denen der Betrag der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) vor der Graetz-Brückenschaltung (2) kleiner als eine Referenzspannung (Uref), die kleiner als die Summe aus der Spannung U_C am Glättungskondensator und der zweifachen Durchlassspannung U_F einer Diode (21) in der Graetz-Brückenschaltung (2) ist und folglich kein Ausgangsstrom I_Sek auf der Sekundärseite des Transformators (1) fließt, aus dem Signalverlauf der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) und der Frequenz den Effektivwert der sekundärseitigen Wechselspannung (Usek) mit der Gleichung
berechnet und unter Berücksichtigung des Übertragungsfaktors (ü) den Effektivwert der Netzeingangsspannung berechnet, wobei t3 die ermittelte Zeitdauer ist, in der die sekundärseitige Wechselspannung u_Sek(t) U_ref ≤ u_Sek(t) ≤ 0 ist.
Verfahren zur Ermittlung der Größe einer sinusförmigen Netzeingangsspannung in einer Schaltungsanordnung, in der diese zur Speisung einer elektrischen Last unter Verwendung eines Netzteiltransformators (1) und einer Graetz-Brückenschaltung (2) mit parallel angeordnetem Glättungskondensator (C) in eine Gleichspannung gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (AS) in Phasen, in denen der Betrag der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) vor der Graetz-Brückenschaltung (2) kleiner als eine Referenzspannung (Uref), die kleiner als die Summe aus der Spannung U_C am Glättungskondensator und der zweifachen Durchlassspannung U_F einer Diode (21) in der Graetz-Brückenschaltung (2) ist und folglich kein Ausgangsstrom I_Sek auf der Sekundärseite des Transformators (1) fließt, aus dem Signalverlauf der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) und der Frequenz den Effektivwert der sekundärseitigen Wechselspannung (Usek) durch Differenzieren des Spannungssignals der sekundärseitigen Wechselspannung u_Sek(t) im Bereich des Nulldurchgangs ermittelt und unter Berücksichtigung des Übertragungsfaktors (ü) den Effektivwert der Netzeingangsspannung berechnet.