DE102007001221B4

DE102007001221B4 - Mehrphasen-Elektroenergiezähler

Info

Publication number: DE102007001221B4
Application number: DE102007001221A
Authority: DE
Inventors: Volker Rzehak
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2027-01-06
Also published as: ATE470870T1; WO2008081046A3; US20100052962A1; US20080215262A1; WO2008081046A2; DE602008001495D1; EP2104859B1; DE102007001221A1; EP2104859A2; US7689374B2

Abstract

Mehrphasen-Stromzähler mit einem Mikrocontroller (10) und einem Eingangsteil (12), das analoge Stromeingangssignale und analoge Spannungseingangssignale in digitale Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller (10) umsetzt, welches Eingangsteil (12) einen gemeinsamen Eingangskanal für alle Spannungseingangssignale mit einem Multiplexer, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Demultiplexer enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsteil (12) für die Stromeingangssignale je einen eigenen Eingangskanal mit einem pro Phase eigenen hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzer aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Elektroenergiezähler.
In einem typischen Dreiphasen-Elektroenergiezähler werden Stromeingangssignale mit Stromwandlern von den drei Phasen abgeleitet, und Spannungseingangssignale werden mit einem ohmschen Spannungsteiler von den drei Phasen abgeleitet. Die Strom- und Spannungseingangssignale werden abgetastet, und die Stromabtastwerte werden mit den Spannungsabtastwerten multipliziert, um Elektroenergie-Abtastwerte zu erhalten, die kumuliert werden, um eine Angabe über die verbrauchte Elektroenergie bereitzustellen.
In einem hochentwickelten Elektroenergiezähler werden die Strom- und Spannungseingangssignale für die weitere Bearbeitung durch einen Mikrocontroller in digitale Eingangsabtastwerte umgesetzt. Ein einfacher Ansatz besteht in der Verwendung von separaten Eingangskanälen, je einen für eins der drei Strom- bzw. Spannungseingangssignale und mit je einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC). In diesem „synchronen” Ansatz werden alle Eingangssignale parallel und synchron bearbeitet. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen über einen großen dynamischen Bereich, z. B. weniger als 1% über einen Bereich von 1:2000, werden hochauflösende (mindestens 16 Bit) ADCs benötigt, die normalerweise mit einem Sigma-Delta-Modulator gefolgt von einem Dezimierungsfilter implementiert sind. Dieser Ansatz ist zwar Erfolg versprechend, erfordert aber eine große Chipfläche und ist teuer. Ein alternativer Ansatz besteht in der Verwendung eines einzelnen hochauflösenden ADC mit einem Eingangsmultiplexer und einem Ausgangs-Demultiplexer. In diesem „sequenziellen” Ansatz werden die Strom- und Spannungseingangssignale sequenziell an den Eingang des ADC geschaltet, und die Phasen der daraus resultierenden digitalen Abtastwerte werden korrigiert, um die durch das sequenzielle Abtasten verursachten Verzögerungen zu kompensieren. Der sequenzielle Ansatz benötigt weniger Chipfläche, erfordert jedoch einen komplexen Analog-Digital-Umsetzer zur Vereinigung der hohen Auflösungsanforderungen mit dem Bedarf des Multiplexens durch alle Strom- und Spannungssignale hindurch.
Aus der gattungsbildenden Druckschrift US 6,112,159 A ist ein Mehrphasen-Elektroenergiezähler bekannt, der einen Mikrocontroller und ein Eingangsteil umfasst, das analoge Stromeingangssignale und analoge Spannungseingangssignale in digitale Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller umsetzt. Das Eingangsteil enthält separate Eingangskanäle mit einem hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzer, wobei ein gemeinsamer Eingangskanal für alle Spannungseingangssignale vorgesehen ist, der mit einem Multiplexer und einem Analog-Digital-Umsetzer die separaten digitalen Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller bereitstellt.
Aus der Druckschrift EP 1 545 009 A2 ist ein Mehrkanal-Analog-Digital-Wandler bekannt. Die bekannten Lösungen weisen jedoch keine ausreichende Genauigkeit bei vergleichsweise geringem Flächenverbrauch (beispielsweise bei einer integrierten Schaltung) auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mehrphasen-Stromzähler bereitzustellen, der eine hohe Genauigkeit mit großem Dynamikbereich erzielt, jedoch vergleichsweise klein ist und einfach implementiert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind beworzugte Gestaltungen dieses Zählers angegeben.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Mehrphasen-Elektrozähler, umfassend einen Mikrocontroller mit einem Eingangsteil bereit, der mit moderaten Platzanforderungen auf dem Chip eine hohe Auflösung bietet.
Der Mehrphasen-Elektroenergiezähler gemäß der Erfindung umfasst einen Mikrocontroller mit einem Eingangsteil, das analoge Stromeingangssignale und analoge Spannungseingangssignale in digitale Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller umsetzt. Das Eingangsteil enthält separate Eingangskanäle, je einen für eins der Stromeingangssignale, mit einem hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzer, vorzugsweise einem Sigma-Delta-Modulator gefolgt von einem Dezimierungsfilter. Das Eingangsteil enthält ferner einen gemeinsamen Eingangskanal für alle Spannungseingangssignale mit einem Multiplexer, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Demultiplexer. Die separaten Eingangskanäle und der gemeinsame Eingangskanal stellen die digitalen Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller bereit. Die Erfindung basiert auf dem Verständnis, dass lediglich die Stromeingangssignale auf Grund ihres möglicherweise großen dynamischen Bereichs eine Analog-Digital-Umsetzung mit einer hohen Auflösung benötigen, und dass die Spannungseingangssignale mit ihrem kleinen dynamischen Bereich mit einer moderaten Auflösung sequenziell abgetastet werden können. Somit werden für einen Dreiphasenzähler lediglich drei hochauflösende ADCs für die drei Stromeingangssignale und ein einzelner ACD mit einer moderaten Auflösung für die Spannungseingangssignale benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Multiplexer je einen Eingang für jedes Spannungseingangssignal und zumindest einen zusätzlichen Eingang für ein zusätzliches Eingangssignal wie ein Temperatursignal oder ein Batteriespannungssignal auf. Da die Spannungsabtastwerte mit einer moderaten Geschwindigkeit abgegriffen werden, kann der Multiplexer mit zusätzlichen. Zeitschlitzen implementiert sein, so dass mehr als nur die Spannungseingangssignale in dem einzelnen gemeinsamen Eingangskanal bearbeitet werden können.
Wenn eine Anwendung neben der Messung der drei spannungsführenden Ströme auch die Messung von Nullleiterstrom erfordert, umfasst das Eingangsteil drei der separaten Eingangskanäle, jeweils einen für die drei Stromphasen, und einen zusätzlichen separaten Eingangskanal für das Nulleiterstromeingangssignal. Alternativ kann der gemultiplexte ADC verwendet werden, wenn eine Verringerung der Genauigkeit der Umsetzung des Nulleiterstroms akzeptabel ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Mikrocontrollers, der ein Eingangsteil einschließt; und
2 ein Blockdiagramm eines Mehrphasen-Elektroenergiezähler, in den ein wie in 1 dargestellter Mikrocontroller eingebaut ist.
Der in 1 allgemein gezeigte Mikrocontroller 10 enthält ein Eingangsteil 12 mit einer Mehrzahl von analogen Eingängen und einer Mehrzahl von digitalen Ausgängen. Die analogen Eingänge sind so eingerichtet, dass sie externe analoge Eingangssignale empfangen, und die digitalen Ausgänge befinden sich im Inneren des Mikrocontrollers zur weiteren Bearbeitung in diesem.
Unter Bezugnahme auf 2 enthält das Eingangsteil 12 drei parallele Eingangskanäle, je mit einem volldifferenziellen Verstärker mit programmierbarem Verstärkungsfaktor PGA und einem ΣΔ-Modulator gefolgt von einem Dezimierungs-Tiefpassfilter. Die differenziellen Eingänge der Verstärker PGA empfangen analoge Stromeingangssignale I_A, I_B bzw. I_C, und die Dezimierungsfilter stellen entsprechende digitale Stromausgangsabtastwerte I_AD, I_BD bzw. I_CD bereit.
Das Eingangsteil 12 enthält ferner einen Multiplexer MUX mit vier analogen Eingängen, die die Spannungseingangssignale V_A, V_B, V_C bzw. V_N empfangen, und mehreren weiteren optionalen Eingängen zum Anlegen von zusätzlichen externen oder internen Signalen. Der Ausgang des Multiplexers MUX ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers ADC verbunden, dessen digitaler Ausgang mit einem Demultiplexer De-MUX verbunden ist. Der Demultiplexer De-MUX stellt digitale Spannungsabtastwerte V_AD, V_BD, V_CD bzw. V_ND sowie einen oder mehrere optionale Parameterabtastwerte P bereit.
Ein Block „Synchronisierung” in dem Eingangsteil 12 synchronisiert den Betrieb aller ΣΔ-Modulatoren, des Multiplexers MUX und des Demultiplexers De-MUX sowie des ADC.
Der Elektroenergiezähler ist mit den drei Phasen A, B und C einer Dreiphasenstromquelle 14 verbunden, die eine Dreiphasenlast 16 speist. Jede Phase weist einen zugehörigen Stromwandler CT_A, CT_B bzw. CT_B sowie einen ohmschen Spannungsteiler VD_A, VD_B bzw. VD_C auf. Auf wohl bekannte Weise erzeugen die Stromwandler CT_A, CT_B und CT_B die Stromeingangssignale IA, IB und IC, und die Spannungsteiler VD_A, VD_B und VD_C stellen die Spannungseingangssignale V_A, V_B, V_C bereit. Das Nullleiterspannungssignal V_N wird direkt an einem entsprechenden Eingang des Multiplexers MUX angelegt. Optionale Eingangssignale wie zum Beispiel externe Parameter (Temperatur, Batteriespannung ...) oder interne analoge Signale werden an weitere Eingänge des Multiplexers MUX angelegt.
Im Betrieb werden die analogen Strom- und Spannungseingangssignale zur weiteren Bearbeitung durch den Mikrocontroller in digitale Abtastwerte umgesetzt. Die Stromeingangssignale werden durch die drei separaten Eingangskanäle, die jeweils einen Verstärker mit programmierbarem Verstärkungsfaktor und einen Sigma-Delta-Modulator gefolgt von einem Dezimierungsfilter aufweisen, parallel und synchron mit einer hohen Auflösung (z. B. mindestens 16 Bit) analog-digital umgesetzt. Somit sind drei digitale Stromabtastwerte I_AD, I_BD und I_CD an dem Ausgang des Eingangsteils 12 verfügbar. Der Reihe nach werden die Spannungseingangssignale sequenziell an den ADC, der eine mittlere Auflösung von z. B. 12 Bit haben kann, angelegt, und entsprechende digitale Spannungsabtastwerte V_AD, V_BD und V_CD sind an den Ausgängen des Demultiplexers De-MUX verfügbar.
Die digitalen Strom- und Spannungsabtastwerte an dem Ausgang des Eingangsteils 12 werden durch den Mikrocontroller mit Hilfe von Software, die die Verzögerungen der gemultiplexten Spannungsabtastwerte berücksichtigt, weiter bearbeitet.
In einigen Anwendungen ist ein zusätzlicher Eingangskanal mit einem zugehörigen weiteren, in dem Nullleiter platzierten Stromwandler enthalten. Dieser zusätzliche Eingangskanal wäre gleich wie die drei separaten Eingangskanäle und würde einen Verstärker mit programmierbarem Verstärkungsfaktor gefolgt von einem Sigma-Delta-Modulator und einem Tiefpass-Dezimierungsfilter enthalten.

Claims

Mehrphasen-Stromzähler mit einem Mikrocontroller (10) und einem Eingangsteil (12), das analoge Stromeingangssignale und analoge Spannungseingangssignale in digitale Strom- und Spannungsabtastwerte zur Bearbeitung durch den Mikrocontroller (10) umsetzt, welches Eingangsteil (12) einen gemeinsamen Eingangskanal für alle Spannungseingangssignale mit einem Multiplexer, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Demultiplexer enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsteil (12) für die Stromeingangssignale je einen eigenen Eingangskanal mit einem pro Phase eigenen hochauflösenden Analog-Digital-Umsetzer aufweist.
Stromzähler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige hochauflösende Analog-Digital-Umsetzer jeweils ein Sigma-Delta-Modulator gefolgt von einem Dezimierungsfilter ist.
Stromzähler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer je einen Eingang für jedes Spannungseingangssignal und zumindest einen zusätzlichen Eingang für ein zusätzliches Eingangssignal aufweist.
Stromzähler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsteil (12) drei Eingangskanäle für je eine von drei Stromphasen und einen zusätzlichen Eingangskanal für ein Nullleiterstromeingangssignal umfasst.