DE102018206081A1

DE102018206081A1 - Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102018206081A1
Application number: DE102018206081.9A
Authority: DE
Inventors: Kunihisa Kubota
Original assignee: Hioki Denki KK; Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2018-10-25
Also published as: JP2018185149A; CN108732419A

Abstract

[Aufgabe]Genaue Messung der Wirkleistung in Bezug auf die von einem Wechselrichter an einen Verbraucher gelieferten einzelnen Phasenspannungen und Phasenstromstärken bei äußerst geringer Verzögerung.[Mittel zur Lösung]Die Messeinrichtung ist ausgestattet mit Multiplikatoren 17, 18 und 19, welche die durch Abtasten der einzelnen Phasenspannungen V, Vund Vund der einzelnen Phasenstromstärken I, Iund Ider von einem Wechselrichter bereitgestellten drei Phasen erhaltenen Spannungsdaten D, Dund Deiner jeden der drei Phasen und Stromstärkedaten D, Dund Deiner jeden der drei Phasen, multiplizieren und die separaten Momentanleistungsdaten D, Dund Dausgeben, ferner mit dem Addierer 20, der die separaten Momentanleistungsdaten D, Dund Daddiert und die Gesamt-Momentanleistungsdaten Dausgibt, sowie ferner mit dem Nivellierer 22, der die Gesamt-Momentanleistungsdaten Din Zeitabständen des n-Fachen (n ist eine ganze Zahl ≥ 1) der Schaltperiode des Wechselrichters mittelt und die Wirkleistung der drei Phasen ausgibt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung, mit der anhand der Spannung und der Stromstärke einer jeden der drei Phasen die Leistung des Dreiphasenwechselstroms gemessen wird.
[Stand der Technik]
Als Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung dieser Art ist eine Messeinrichtung bekannt, wie sie in dem unten angegebenen Patentdokument 1 beschrieben ist. Diese Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtungen ist ausgestattet mit sechs A/D-Wandlern, welche die Spannung und die Stromstärke einer jeden der drei Phasen, mit denen ein Dreiphasenwechselstrom-Motor als Verbraucher versorgt wird, abtasten und die Spannungsdaten bezüglich der Phasenspannung sowie die Stromstärkedaten bezüglich der Stromstärke einer jeden Phase ausgeben, ferner mit drei Multiplikatoren, die für jede Phase die Spannungsdaten und die Stromstärkedaten multiplizieren und die Momentanleistungsdaten einer jeden Phase ausgeben, ferner mit einem Addierer, der die von den Multiplikatoren ausgegebenen Momentanleistungsdaten addiert und die momentane Wirkleistung der drei Phasen ausgibt, und ferner mit einem Tiefpassfilter, welcher die von den Addierern ausgegebenen Werte für die Wirkleistung glättet und die Wirkleistung der drei Phasen ausgibt (Wirkleistung, die dem Dreiphasenwechselstrom-Motor zugeführt wird).
Auch wenn bei einer solchen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung die Spannung und die Stromstärke einer jeden der drei Phasen durch einen Wechselrichter erzeugt wird, können die Trägerfrequenz-Komponenten, die in der Wirkleistung der drei Phasen enthalten sind, mithilfe des Tiefpassfilters einfach eliminiert werden, da die Trägerfrequenz (auch als Schaltfrequenz bezeichnet) gegenüber der Frequenz der Spannung und der Stromstärke einer jeden Phase hoch genug ist.
[Literatur zum Stand der Technik]
[Patentliteratur]
[Patentdokument 1] Japanische Offenlegungsschrift 2004-170097 (Seiten 5-7, 1)
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe]
Bei der im oben zitierten Patentdokument beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung stellt sich jedoch folgendes Problem, das einer Lösung bedarf: Bei dieser Messeinrichtung wird, wie oben dargelegt, die vom Addierer ausgegebene momentane Wirkleistung in einem Tiefpassfilter geglättet und dann als Wirkleistung der drei Phasen ausgegeben. Selbst wenn die Spannungs- und die Stromstärkewerte einer jeden der drei Phasen, die Gegenstand der Messungen sind, durch einen Wechselrichter erzeugt werden, kann die Trägerfrequenz-Komponente, die in den Wirkleistungen der drei Phasen enthalten ist, leicht eliminiert (unter das Toleranzniveau abgesenkt) werden. Auf diese Weise kann die Wirkleistung der drei Phasen mit hinreichend geringem Trägerfrequenzanteil genau gemessen werden. Dennoch besteht bei dieser Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung die noch zu lösende Aufgabe, dass aufgrund des Aufbaus, bei dem ein Tiefpassfilter verwendet wird, der eine Signalverzögerung mit sich bringt, der Versuch, den Grad der Eliminierung (Reduzierung) der oben genannten Trägerfrequenz-Komponente zu erhöhen (d. h., die Dreiphasenleistung genauer zu messen), zu einer größeren Verzögerung der Ausgabe der Wirkleistung der drei Phasen führt.
Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Aufgabe zu lösen und eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung vorzulegen, die in der Lage ist, aus den einzelnen Phasenspannungen und Phasenstromstärken, mit denen ein Wechselrichter einen Verbraucher versorgt, die Wirkleistung bei sehr geringer Verzögerung genau zu messen.
[Mittel zur Lösung der Aufgabe]
Die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1 der vorliegenden Erfindung ist mit dem Ziel, den oben genannten Hauptzweck zu erfüllen, ausgestattet mit mehreren Multiplikatoren, welche die durch Abtasten der vom Wechselrichter gelieferten Spannung und Stromstärke einer jeden der drei Phasen erhaltenen Spannungsdaten in Bezug auf die jeweiligen Spannungen und Stromstärkedaten in Bezug auf die jeweiligen Stromstärken einer jeden der drei Phasen multiplizieren und die einzelnen Momentanleistungsdaten jeder Phase ausgeben, ferner mit einem Addierer, der die oben genannten einzelnen Momentanleistungsdaten einer jeden der drei Phasen addiert und die Gesamt-Momentanleistungsdaten ausgibt, und ferner einem Nivellierer, der die oben genannten Gesamt-Momentanleistungsdaten in Zeitabständen von weniger als einer halben Periode der oben genannten Spannung und der oben genannten Stromstärke der jeweiligen Phasen mittelt und die Wirkleistung der genannten drei Phasen ausgibt, wobei diese Zeitabstände gleichzeitig das n-Fache (n ist ein ganze Zahl ≥ 1) der Schaltperiode, also des Kehrwerts der Schaltfrequenz des oben genannten Wechselrichters, betragen.
Die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 2 der vorliegenden Erfindung ist eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1, wobei der oben genannte Zeitabstand das 1-Fache der oben genannten Schaltperiode beträgt.
Die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 3 ist eine Dreiphasen-wechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1 oder Schutzanspruch 2, welche mit einem Frequenzdetektor ausgestattet ist, der auf der Grundlage der Spannung jeder Phase und der Stromstärke jeder Phase die Schaltfrequenz ermittelt, wobei der Nivellierer in Zeitabständen, welche auf der vom Frequenzdetektor ermittelten Schaltfrequenz beruhen, die Gesamt-Momentanleistungsdaten mittelt.
Die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 4 ist eine Dreiphasen-wechselstrom-Messeinrichtung nach einem der Schutzansprüche 1-3, welche mit einem Δ-Y-Wandler ausgestattet ist, der bei Eingabe der einzelnen Leiterspannungsdaten, welche durch Abtasten der einzelnen Leiterspannungen der vom Inverter bereitgestellten drei Phasen ermittelt werden, diese in die einzelnen Phasenspannungsdaten umwandelt und an die oben genannten Multiplikatoren ausgibt.
[Wirkung der Erfindung]
Bei der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1 mittelt der Nivellierer in Zeitabständen des n-Fachen der Wechselrichter-Schaltperiode mehrere vom Addierer in Abtastperioden des A/D-Wandlers ausgegebene Gesamt-Momentanleistungsdaten und gibt diese als Wirkleistung der drei Phasen aus. Anders als bei herkömmlichen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtungen, in denen eine Mittelung der vom Addierer in den Abtastperioden ausgegebenen Gesamt-Momentanleistungsdaten mit Tiefpassfiltern erfolgt (die Welligkeit, die infolge der Schaltarbeit des Wechselrichters entsteht, und deren Periode mit der Schaltperiode identisch ist, wird durch den Tiefpassfilter reduziert), lässt sich durch die Verwendung dieser Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung bei Vermeidung der Zeitverzögerung durch den Tiefpassfilter, d. h. bei äußerst geringer Verzögerung, die Welligkeit, deren Periode mit der Schaltperiode identisch ist, hinreichend reduzieren und die Wirkleistung genau messen.
Bei der Verwendung der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 2 kann dadurch, dass der Zeitabstand der Mittelung der Gesamt-Momentleistungsdaten, die vom Addierer in den Abtastperioden ausgegeben werden, das 1-Fache der Schaltperiode beträgt, die Wirkleistung in gleichen Zeitabständen wie die Abtastperiode (geringster Zeitabstand) gemessen werden.
Bei der Verwendung der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 3 kann, da sie sie mit einem Frequenzdetektor ausgestattet ist, der die Schaltfrequenz im Wechselrichter ermittelt, zum einen der Aufwand der Einrichtarbeit dieser Schaltfrequenz durch den Benutzer der Dreiphasen-wechselstrom-Messeinrichtung gespart werden, und zum andern kann auch der zeitlichen Änderung der Schaltfrequenz automatisch gefolgt und so die Wirkleistung kontinuierlich genau gemessen werden.
Bei Verwendung der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß Schutzanspruch 3 ist es auch bei Eingabe der Leiterspannungsdaten möglich, diese Leiterspannungsdaten in PhasenSpannungsdaten umzuwandeln. Wie beim oben beschriebenen Aufbau, bei dem zusammen mit den Phasenstromstärkedaten die Phasenspannungsdaten eingegeben werden, kann so das Auftreten von Verzögerungszeiten im Tiefpassfilter umgangen werden, das heißt, eine sehr geringe Verzögerungszeit erreicht werden. Gleichzeitig kann die Welligkeit, deren Periode mit der Schaltperiode identisch ist, hinreichend reduziert und auf diese Weise die Wirkleistung genau gemessen werden.
Figurenliste

[1] Die Figur zeigt den Aufbau der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1.
[2] Die Figur zeigt den Dreiphasen-Schaltplan der Dreiphasen-Stromquelle 2 sowie des Dreiphasen-Verbrauchers 3, anhand dessen mittels der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung die Wirkleistung W gemessen wird.
[3] Die Figur zeigt den Aufbau einer weiteren Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1a.

[Ausführungsformen der Erfindung]
Nachfolgend werden unter Verweis auf die beigefügten Figuren Ausführungsform der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung beschrieben.
Zuerst wird anhand der 1 der Aufbau der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 als Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung erläutert.
Die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 als ein Beispiel dient, wie in 2 dargestellt, der Messung der Wirkleistung W der drei Phasen, welche von der Dreiphasenstromquelle 2 mit Y-Schaltung an den Dreiphasen-Verbraucher 3 mit Y-Schaltung geliefert wird. Wie 1 zeigt, ist die Messeinrichtung außerdem mit mehreren (in diesem Beispiel sechs) A/D-Wandlern 11, 12, 13, 14, 15 und 16, mit mehreren (in diesem Beispiel drei) Multiplikatoren 17, 18 und 19, mit einem Addierer 20, mit einem Frequenzdetektor 21, mit einem Nivellierer 22 sowie mit einem Ausgabeteil 23 ausgestattet.
Wie 2 zeigt, besteht die Wechselstromquelle aus einem Dreiphasen-Wechselrichter (Wechselrichter mit vorgegebenem Potential am Neutralpunkt N, mit dem die Messung der Phasenspannung durch Y-Schaltung möglich ist), der durch Schaltvorgänge (beispielsweise Schaltvorgänge auf Basis einer PWM-Steuerung) die Phasenspannung der U-Phase (U-Phasen-Spannung) V_u , die Phasenspannung der V-Phase (V-Phasen-Spannung) V_v sowie die Phasenspannung der W-Phase (W-Phasen-Spannung) V_w erzeugt und an den Dreiphasen-Verbraucher 3 liefert. Durch diesen Aufbau werden außerdem von der Dreiphasenstromquelle 2 die Phasenstromstärke der U-Phase (U-Phasen-Stromstärke) I_u , die Phasenstromstärke der V-Phase (V-Phasen-Stromstärke) I_v sowie die Phasenstromstärke der W-Phase (W-Phasen-Stromstärke) I_w an den Verbraucher 3 geliefert.
Demzufolge enthalten die einzelnen Phasenspannungen V_u , V_v und V_w sowie die einzelnen Phasenstromstärken I_u , I_v und I_w jeweils eine Welligkeit der gleichen Frequenz wie die Schaltfrequenz der Dreiphasen-Wechselstromquelle 2 (bei den Spannungen V_u , V_v und V_w der einzelnen Phasen Spannungs-Welligkeit, bei den Stromstärken I_u , I_v und I_w Stromstärke-Welligkeit). Wenn es sich bei der Dreiphasenstromquelle 2 beispielsweise um einen Dreiphasen-Wechselrichter handelt, der einen Dreiphasen-Elektromotor als Dreiphasen-Verbraucher antreibt, liegt in vielen Fällen bei den Wechselstromspannungen V_u , V_v und V_w deren Frequenz unter 1 kHz.
Die Spannungen der einzelnen Phasen, V_u , V_v und V_w , werden von mehreren (drei) Spannungssensoren (in der Figur nicht dargestellt) ermittelt und als Spannungssignale, deren Spannung sich entsprechend den Spannungswerten der einzelnen Phasen, V_u , V_v und V_w ändert, an die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 weitergegeben. Ebenso werden die Stromstärken der einzelnen Phasen, I_u , I_v und I_w , von mehreren (drei) Stromstärkesensoren (in der Figur nicht dargestellt) ermittelt, und als Spannungssignale, deren Spannung sich entsprechend den Stromstärkewerten I_u , I_v und I_w ändert, an die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 weitergegeben. Nachfolgend werden zum leichteren Verständnis das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenspannung V_u entspricht, als „Phasenspannung V_u“, das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenspannung V_v entspricht, als „Phasenspannung V_v“ und das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenspannung V_w entspricht, als „Phasenspannung V_w“ bezeichnet, während das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenstromstärke I_u entspricht als „Phasenstromstärke I_u“, das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenstromstärke I_v entspricht, als „Phasenstromstärke I_v“ und das oben genannte Spannungssignal, das der Phasenstromstärke I_w entspricht, als „Phasenstromstärke I_w“ bezeichnet wird.
Dadurch, dass, wie 1 zeigt, in dieser Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 der A/D-Wandler 11 die Phasenspannung V_u in zuvor festgelegten Perioden (Abtast-Perioden) abtastet, werden die Phasenspannungsdaten D_vu , die die Momentanwerte der Phasenspannung V_u angeben, weitergegeben. Ferner werden dadurch, dass der A/D-Wandler 12 in den oben genannten Abtast-Perioden die Phasenstromstärke I_u abtastet, die Phasenstromstärkedaten D_iu, die die Momentanwerte der Phasenstromstärke I_u angeben, weitergegeben. Ferner werden dadurch, dass der A/D-Wandler 13 in den oben genannten Abtast-Perioden die Phasenspannung V_v abtastet, die Phasenspannungsdaten D_w , die die Momentanwerte der Phasenspannung V_v angeben, weitergegeben. Ferner werden dadurch, dass der A/D-Wandler 14 in den oben genannten Abtast-Perioden die Phasenstromstärke I_v abtastet, die Phasenstromstärkedaten D_iv, die die Momentanwerte der Phasenstromstärke I_v angeben, weitergegeben. Ferner werden dadurch, dass der A/D-Wandler 15 in den oben genannten Abtast-Perioden die Phasenspannung V_w abtastet, die Phasenspannungsdaten D_vw , die die Momentanwerte der Phasenspannung V_w angeben, weitergegeben. Und schließlich werden dadurch, dass der A/D-Wandler 16 in den oben genannten Abtastperioden die Phasenstromstärke I_w abtastet, die Phasenstromstärkedaten D_iw, die die Momentanwerte der Phasenstromstärke I_w angeben, weitergegeben.
Es wird angenommen, dass für diese Abtastperioden im Vergleich zum Kehrwert der Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 (im Allgemeinen 2 kHz - 20 kHz, demnach Schaltperiode: 500 µs - 50 µs), eine ausreichend kurze Zeit (beispielsweise eine Zeit von 1/10 oder weniger, demnach maximal 5 µs) vorgegeben ist.
Dadurch dass der Multiplikator 17 die zur U-Phase gehörenden Phasenspannungsdaten D_vu und Stromstärkedaten D_iu aufnimmt und sie miteinander multipliziert, werden die zur U-Phase gehörenden separaten Momentanleistungsdaten D_wu ausgegeben. Ferner werden dadurch, dass der Multiplikator 18 die zur V-Phase gehörenden Phasenspannungsdaten D_vv und Stromstärkedaten D_iv aufnimmt und sie miteinander multipliziert, die zur V-Phase gehörenden separaten Momentanleistungsdaten D_wv ausgegeben. Ferner werden dadurch, dass der Multiplikator 19 die zur W-Phase gehörenden Phasenspannungsdaten D_vw und Stromstärkedaten D_iw aufnimmt und sie miteinander multipliziert, die zur V-Phase gehörenden separaten Momentanleistungsdaten D_wv ausgegeben. Und schließlich werden dadurch, dass der Addierer 20 die zu den einzelnen Phasen gehörenden separaten Momentanleistungsdaten D_wu , D_wv und D_ww aufnimmt und sie addiert, die zu den drei Phasen gehörenden Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w ausgegeben.
Der Frequenzdetektor 21 ermittelt die Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 und gibt die Frequenzdaten D_f aus, die die Schaltfrequenz angeben. Da die in 2 angegebenen Phasenspannungen der drei Phasen, V_u , V_v und V_w und Phasenstromstärken der drei Phasen, I_u , I_v und I_w Welligkeiten mit der gleichen Frequenz wie die Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 enthalten (bei den Spannungen der einzelnen Phasen V_u , V_v und V_w die Spannungs-Welligkeit und bei den Stromstärken der einzelnen Phasen I_u , I_v und I_w die Stromstärke-Welligkeit), sind auch in den Phasenspannungen V_u und den Phasenstromstärken I_u , den Phasenspannungen V_v und den Phasenstromstärken I_v sowie den Phasenspannungen V_w und den Phasenstromstärken I_w , die in die A/D-Wandler 11, 12, 13, 14, 15 und 16 eingegeben werden, Welligkeiten mit der gleichen Frequenz wie diese Schaltfrequenz vorhanden.
Indem also in den Frequenzdetektor 21 in diesem Beispiel eines der in die A/D-Wandler 11, 12, 13, 14, 15,16 eingegebenen Spannungssignale - Phasenspannung V_u , Phasenstromstärke I_u , Phasenspannung V_v , Phasenstromstärke I_v , Phasenspannung V_w und Phasenstromstärke I_w , - eingegeben wird (in diesem Falle als Beispiel die Phasenspannung V_u ), und die Frequenz der Welligkeit, die in diesem eingegebenen Spannungssignal enthalten ist, ermittelt wird, werden die oben genannten Frequenzdaten D_f ausgegeben. Beim Frequenzdetektor 21 ist anstelle des oben beschriebenen Aufbaus, bei dem aus Spannungssignalen in Form von Analogsignalen wie beispielsweise der Phasenspannung V_u , die in die A/D-Wandler 11-16 eingegeben werden, die Frequenz der Welligkeit ermittelt wird, auch ein Aufbau möglich, bei dem aus digitalen Signalen wie beispielsweise den Phasenspannungsdaten D_vu , die von den A/D-Wandlern 11-16 ausgegeben werden, die oben genannte Welligkeitsfrequenz ermittelt wird.
Wenn die Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 bekannt ist, kommt auch ein Aufbau in Frage, bei dem anstelle des Frequenzdetektors 21 ein Bedienteil (in der Figur nicht dargestellt) an der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 vorgesehen wird, wobei der Nutzer der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 die Bedienung des Bedienteils übernimmt und die Frequenzdaten D_f, die diese bereits bekannte Schaltfrequenz angeben, vom Bedienteil aus ausgibt (ein Aufbau, bei dem der Nutzer die Schaltfrequenz einrichtet). Ferner kann bei einem Aufbau, bei dem die Dreiphasenstromquelle 2 in der Lage ist, die Frequenzdaten D_f auszugeben, welche die Schaltfrequenz angeben, auf den Frequenzdetektor 21 und das Bedienteil verzichtet und ein Aufbau gewählt werden, bei dem die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 diese Frequenzdaten D_f, die von der Dreiphasenstromquelle 2 ausgegeben werden, direkt eingibt.
Der Nivellierer 22 erhält die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w und die Frequenzdaten D_f und gibt die Wirkleistung W der drei Phasen aus, indem er die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w in Zeitabständen mittelt, die einerseits das n-Fache (n ist hierbei eine ganze Zahl ≥ 1) der Schaltperiode, die dem Kehrwert der von den Frequenzdaten D_f angegebenen Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 entspricht, betragen und andererseits unterhalb 1/2 Periode der Spannung der einzelnen Phasen V_u , V_v und V_w sowie der Stromstärke der einzelnen Phasen I_u , I_v und I_w liegen. In diesem Beispiel wurde ein Aufbau gewählt, bei dem der Nivellierer 22 in dem Zeitabstand n = 1, durch welchen die Verzögerungszeit bis zur Errechnung der Wirkleistung W minimiert wird, die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w mittelt und dann die Wirkleistung W errechnet.
Auch bei diesem Aufbau kann, wenn als Abtastperiode ein im Vergleich zur Schaltperiode hinreichend kurzer Zeitabstand festgelegt ist (beispielsweise eine Zeit von 1/10 oder weniger), der Nivellierer 22 mindestens 10 Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w mitteln, und so die genaue Wirkleistung W errechnen. Solange die Zeitabstände, in denen die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w gemittelt werden, kürzer ausfallen als die Verzögerungszeiten bei einem Aufbau mit Tiefpassfilter wie im Abschnitt „Stand der Technik“ erläutert, ist es zwar möglich, für n beliebige Zahlen festzulegen, die größer als 1 sind, also beispielsweise 2, 3, 4 ..., doch im Hinblick auf eine Verkürzung der Verzögerungszeiten ist es im Allgemeinen vorteilhaft, eine Zahl unter 10 zu wählen.
Für die oben genannten Multiplikatoren 17-19, den Addierer 20 und den Nivellierer 22 können Mikroprozessoren wie unter anderem DSP oder CPU eingesetzt werden.
Das Ausgabeteil 23 ist beispielsweise als Anzeigegerät ausgeführt. Die Wirkleistung W, die vom Nivellierer 22 ausgegeben wird, wird dann auf einem Monitor angezeigt (ausgegeben). Beim Ausgabeteil 23 ist es auch möglich, anstelle des Anzeigegerätes einen Aufbau mit verschiedenartigen Schnittstellen-Schaltkreisen zu wählen. Bei einem Aufbau mit einem Außenschnittstellen-Schaltkreis wird die Wirkleistung W über den Außenschnittstellen-Schaltkreis an ein mittels Übertragungsleitung angeschlossenes externes Gerät ausgegeben. Wenn ein Aufbau mit Schnittstellenschaltkreis für ein Medium gewählt wird, wird die Wirkleistung W auf einem an diesen Schnittstellenschaltkreis angeschlossenen Speichermedium gespeichert.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 erläutert.
Während von den in den Abbildungen nicht dargestellten Spannungssensoren und Stromstärkesensoren die Spannungen V_u , V_v und V_w sowie die Stromstärken I_u , I_v und I_w als Spannungssignale eingegeben werden, werden in der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 zum einen in die A/D-Wandler 11-16 die Phasenspannung V_u , die Phasenstromstärke I_u , die Phasenspannung V_v , die Phasenstromstärke I_v , die Phasenspannung V_w und die Phasenstromstärke I_w eingegeben und zum andern dort in die Phasenspannungsdaten D_vu , die Phasenstromstärkedaten D_iu, die Phasenspannungsdaten D_w , Phasenstromstärkedaten D_iv, die Phasenspannungsdaten D_vw und die Phasenstromstärkedaten D_iw umgewandelt und ausgegeben. Dadurch, dass in die Multiplikatoren 17, 18 und 19 jeweils die entsprechenden Phasenspannungsdaten und Phasenstromstärkedaten eingegeben und dort multipliziert werden, werden diese dann als separate Momentanleistungsdaten D_wu , D_wv und D_ww ausgegeben.
In den Addierer 20 werden zum einen die separaten Momentanleistungsdaten D_wu , D_wv und D_ww eingegeben und dort addiert, und zum andern werden dort die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w ausgegeben. Im Frequenzdetektor 21 werden dadurch, dass zum einen beispielsweise die Phasenspannung V_u eingegeben und zum anderen die Welligkeitsfrequenz ermittelt wird, die in dieser Phasenspannung V_u enthalten ist, die Frequenzdaten D_f, die die Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 angeben, ausgegeben.
Der Nivellierer 22 erhält die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w und die Frequenzdaten D_f, glättet die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w in Zeitabständen des n-Fachen (im Beispiel ist es das 1-Fache) der Schaltperiode, die der Kehrwert der in den Frequenzdaten D_f angegebenen Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 ist, errechnet so die Wirkleistung W der drei Phasen und gibt diese dann im Ausgabeteil 23 aus. Das Ausgabeteil 23 zeigt also auf dem Bildschirm die Wirkleistung W an, die vom Nivellierer 22 in den angegebenen Zeitabständen (im Beispiel die Schaltperiode) ausgegeben wird.
Auf diese Weise werden in der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 vom Nivellierer 22 innerhalb von Zeitabständen des n-Fachen (im Beispiel das 1-Fache) der Schaltperiode der vom Dreiphasen-Wechselrichter gebildeten Dreiphasenstromquelle 2, mehrere Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w , die vom Addierer 20 in Abtastperioden ausgegeben werden, gemittelt und als Wirkleistung der drei Phasen ausgegeben. Demzufolge kann mit der hier beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 im Unterschied zu herkömmlichen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtungen, bei denen die Nivellierung der Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w , die vom den Addierer 20 in Abtastperioden ausgegeben werden, mit einem Tiefpassfilter erfolgt (Verringerung von Welligkeit mit der gleichen Periode wie diese Abtastperiode), bei Vermeidung von Verzögerungszeiten im Tiefpassfilter, das heißt bei äußert geringen Verzögerungszeiten Welligkeit mit der gleichen Periode wie die Abtastperiode bedeutend reduziert und die Wirkleistung W genau gemessen werden.
Ferner kann mit der hier beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 dadurch, dass die Zeitabstände, in denen mehrere vom Addierer 20 in Abtastperioden ausgegebene Gesamt-Monentanleistungsdaten D_w gemittelt werden, das 1-Fache der Schaltperiode betragen, in den gleichen Zeitabständen wie die Abtastperiode (kürzester Zeitabstand) die Wirkleistung W gemessen werden.
Ferner kann mit der hier beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 dadurch, dass sie mit einem Frequenzdetektor 21 ausgestattet ist, mit dem die Schaltfrequenz der Dreiphasenstromquelle 2 ermittelt wird, zum einen der Aufwand der Schaltfrequenz-Einrichtarbeit durch den Nutzer der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 entfallen und zum andern auch in den Fällen, in denen sich die Schaltfrequenz in der Dreiphasenstromquelle 2 mit der Zeit ändert, die Änderung automatisch verfolgt und die Wirkleistung W genau gemessen werden.
Bei der hier beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 können ferner dadurch, dass die Phasenspannungen V_u , V_v und V_w sowie die Phasenstromstärken I_u , I_v und I_w jeweils eingegeben und in den gleichen Perioden abgetastet werden, sowie dadurch, dass die Messeinrichtung mit den A/D-Wandlern 11-16 ausgestattet ist, welche die Spannungsdaten der einzelnen Phasen, D_vu , D_vv und D_vw sowie die Stromstärkedaten der einzelnen Phasen, D_iu, D_iv und D_iw ausgeben, die Phasenspannungen V_u , V_v und V_w sowie die Phasenstromstärken I_u , I_v und I_w jeweils unverändert eingegeben werden, ohne dass eine separate A/D-Wandlervorrichtung bereitgestellt werden muss, und die Wirkleistung W der drei Phasen kann gemessen werden.
Bisher wurde eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 beschrieben, welche die Wirkleistung W misst, wenn die Dreiphasenstromquelle 2 als Dreiphasen-Wechselrichter ausgeführt ist, bei dem das elektrische Potential am Neutralpunkt N vorgegeben ist und die Messung der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw mithilfe einer Y-Schaltung möglich ist, wobei die Y-geschaltete Dreiphasenstromquelle 2 mit einem Y-geschalteten Verbraucher 3 in einer Y-Y-Schaltung verbunden ist (Aufbau gemäß 2). Allerdings kommt es auch vor, dass zwar eine Messung der Leiterspannungen V_uv, V_vw und V_wu mithilfe einer Δ-Schaltung möglich ist, nicht aber die Messung der Phasenspannungen V_u , V_v und V_w , weil das elektrische Potential am Neutralpunkt N nicht vorgegeben werden kann. Eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a zur Messung der Wirkleistung W, wenn an eine Δgeschaltete Dreiphasenstromquelle 2 ein Y-geschalteter Verbraucher 3 in einer Δ-Y-Schaltung angeschlossen ist, wird anhand der 3 beschrieben. Soweit es sich um den gleichen Aufbau handelt wie bei der oben beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und bei Überschneidungen werden die Erläuterungen weggelassen. Insofern die Funktionsweise mit der oben beschriebenen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 identisch ist, sind auch hierzu redundante Erläuterungen weggelassen.
In dieser Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a werden die einzelnen Leiterspannungen V_uv, V_vw und V_wu mit Hilfe von in der Abbildung nicht dargestellten Spannungssensoren (drei Stück) ermittelt und als Spannungssignale, deren Spannungswerte sich entsprechend den einzelnen Leiterspannungswerten V_uv, V_vw und V_wu ändern, an die Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1a ausgegeben. Nachfolgend werden zwecks eines leichteren Verstehens das Spannungssignal, das der Leiterspannung V_uv entspricht, als „Leiterspannung V_uv“, das Spannungssignal, das der Leiterspannung V_vw entspricht, als „Leiterspannung V_vw“ und das Spannungssignal, das der Leiterspannung V_wu entspricht, als „Leiterspannung V_wu“ bezeichnet.
Diese Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a ist, wie 3 zeigt, zusätzlich zu dem Aufbau der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 mit dem Δ-Y-Wandler 25 ausgestattet. Indem bei der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a der A/D-Wandler 11 die Spannung V_uv in den oben genannten Abtastperioden abtastet, werden Spannungsdaten D_vuv ausgegeben, die den jeweiligen Momentanwert der Spannung V_uv angeben. Ferner werden dadurch, dass der A/D-Wandler 13 die Spannung V_vw in den oben genannten Abtastperioden abtastet, Spannungsdaten D_ww ausgegeben, die den jeweiligen Momentanwert der Spannung V_vw angeben. Und schließlich werden dadurch, dass der A/D-Wandler 15 die Spannung V_wu in den oben genannten Abtastperioden abtastet, Spannungsdaten D_vwu ausgegeben, die den jeweiligen Momentanwert der Spannung V_wu angeben.
Der Δ-Y-Wandler 25 ist beispielsweise wie die Multiplikatoren 17-19, der Addierer 20 und der Nivellierer 22 als Mikroprozessor wie beispielsweise DSP und CPU ausgeführt. Auf der Grundlage der allgemein bekannten Δ-Y-Transformation werden aus den Leiterspannungsdaten D_vuv, D_vvw und D_vwu die Spannungsdaten D_vu , D_vv und D_vw der einzelnen Phasen errechnet (die Leiterspannungsdaten D_vuv, D_vvw und D_vwu werden in die Phasenspannungsdaten D_vu , D_vv und D_vw umgewandelt). Der Δ-Y-Wandler 25 gibt die errechneten Phasenspannungsdaten D_vu , D_vv und D_vw an die Multiplikatoren 17, 18 und 19 aus.
Demzufolge kann auf diese Weise auch mit der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a mit einem Aufbau, bei dem anstelle der Phasenspannungen V_u , V_v und V_w die Leiterspannungen V_uv, V_vw und V_wu eingegeben werden, anders als bei den herkömmlichen Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtungen, bei denen die Gesamt-Momentanleistungsdaten D_w , die vom Addierer 20 in Abtastperioden ausgegeben werden, mit Tiefpassfiltern geglättet werden (Welligkeit mit der gleichen Periode wie die Schaltperiode, die infolge der Schaltvorgänge des Wechselrichters auftritt, wird durch Tiefpassfilter vermindert), bei Vermeidung von Verzögerungszeiten im Tiefpassfilter, das heißt bei äußert geringen Verzögerungszeiten Welligkeit mit der gleichen Periode wie die Schaltperiode deutlich reduziert und die Wirkleistung W genau gemessen werden.
Bei den Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtungen 1 und 1 a liegt ein Aufbau vor, bei dem A/D-Wandler 11-16 eingesetzt werden, so dass entweder die Spannungen der einzelnen Phasen, V_u , V_v und V_w oder die Leiterspannungen, V_uv, V_vw und V_wu sowie ferner die Stromstärken der einzelnen Phasen, I_u , I_v und I_w , unverändert eingegeben und daraufhin die Wirkleistung W gemessen werden kann. Es kann aber auch ein Aufbau gewählt werden, bei dem die Spannungsdaten der einzelnen Phasen, D_vu , D_vv und D_vw , und die Stromstärkedaten der einzelnen Phasen, D_iu, D_iv und D_iw, die von einer externen-A/D-Wandlervorrichtung ausgegeben werden, eingegeben werden und so die Wirkleistung W gemessen wird. Wenn dieser Aufbau gewählt wird, können bei der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 die A/D-Wandler 11-16 entfallen und bei der Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung 1 a die AD-Wandler 11-16 sowie der Δ-Y-Wandler 25 entfallen.
Bezugszeichenliste

1, 1 a: Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung
11, 12, 13, 14, 15, 16: A/D-Wandler
17,18,19: Multiplikatoren
20: Addierer
21: Frequenzdetektor
22: Nivellierer
D_vu, D_w, D_vw: Phasenspannungsdaten
D_w: Gesamt-Momentanleistungsdaten
D_wu, D_wv, D_ww: separate Momentanleistungsdaten
I_u, I_v, I_w: Phasenstromstärken
I_vu, I_vv, I_vw: Phasenstromstärkedaten
V_u, V_v, V_w: Phasenspannungen
W: Wirkleistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004170097 [0004]

Claims

Eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung, ausgestattet mit mehreren Multiplikatoren, welche die durch Abtasten der jeweiligen Spannungen und Stromstärken dreier von einem Wechselrichter bereitgestellten Phasen erhaltenen Spannungsdaten bezüglich der Phasenspannungen und Stromstärkedaten bezüglich der Phasenstromstärken für jede der drei Phasen jeweils phasenweise miteinander multiplizieren und separate Momentanleistungsdaten für jede Phase ausgeben, ferner mit einem Addierer, der die separaten Momentanleistungsdaten jeder Phase addiert und die Gesamt-Momentanleistungsdaten für die drei Phasen ausgibt, und ferner mit einem Nivellierer, der die oben genannten Gesamt-Momentanleistungsdaten in Zeitabständen von weniger als einer halben Periode der Spannung und der Stromstärke der jeweiligen Phasen mittelt und die Wirkleistung der genannten drei Phasen ausgibt, wobei die Zeitabstände gleichzeitig das n-Fache (n ist ein ganze Zahl ≥ 1) der Schaltperiode, die der Kehrwehrt der Schaltfrequenz des Wechselrichters ist, betragen.
Eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitabstände das 1-Fache der Schaltperiode betragen.
Eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, ausgestattet mit einem Frequenzdetektor, der anhand einer der Phasenspannungen oder einer der Phasenstromstärken die oben genannte Schaltfrequenz ermittelt, wobei der Nivellierer, in Zeitabständen, welche auf der vom Frequenzdetektor ermittelten Schaltfrequenz beruhen, die Gesamt-Momentanleistungsdaten mittelt.
Eine Dreiphasenwechselstrom-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, welche mit einem Δ-Y-Wandler ausgestattet ist, der bei Eingabe der durch Abtasten der Leiterspannungen der vom Wechselrichter bereitgestellten drei Phasen erhaltenen einzelnen Leiterspannungsdaten für die einzelnen Leiterspannungen diese in die einzelnen Phasenspannungsdaten umwandelt und an die Multiplikatoren ausgibt.