DE1256319B

DE1256319B - Method and circuit for determining the amount and the angle of the impedance of an electrical AC network

Info

Publication number: DE1256319B
Application number: DE1965J0027618
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Paul Denzel; Dipl-Ing Hans Vierfuss
Original assignee: Felten and Guilleaume Carlswerk AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Carlswerk AG
Priority date: 1965-03-03
Filing date: 1965-03-03
Publication date: 1967-12-14

Description

Verfahren und Schaltung zum Ermitteln des Betrages sowie des Winkels der Impedanz eines elektrischen Wechselstromnetzes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Ermitteln des Betrages und des Winkels der Impedanz eines elektrischen Wechselstromnetzes, beruhend auf der Messung der Differenz der Scheitelwerte der positiven und der negativen Halbwellen, die dadurch entsteht, daß eine bekannte, im Verhältnis zu der zu erwartenden Netzimpedanz große Lastimpedanz durch einen steuerbaren Gleichrichter während der einen Halbwellen an das Netz angeschaltet ist und während der anderen nicht.Procedure and circuit for determining the amount and the angle the impedance of an electrical alternating current network The invention relates to a method and a circuit for determining the magnitude and angle of the impedance of a electrical alternating current network, based on the measurement of the difference between the peak values the positive and negative half-waves, which arise from the fact that a known, In relation to the expected network impedance, a large load impedance by a controllable rectifier connected to the mains during the half-waves is and while the other is not.

Für die richtige Bemessung der elektrischen Betriebsmittel eines Netzes hinsichtlich thermischer und dynamischer Beanspruchung sowie zur zweckmäßigen Auswahl der Schutzeinrichtungen müssen die größten und kleinsten Kurzschlußströme bzw. die Netzimpedanz bekannt sein. Die Netzimpedanzen bestimmen außerdem den Spannungsverlust bei Belastung. For the correct dimensioning of the electrical equipment of a Network with regard to thermal and dynamic stress as well as to the appropriate Selection of protective devices must take account of the largest and smallest short-circuit currents or the network impedance must be known. The network impedances also determine the voltage loss under pressure.

Es ist bekannt, daß je nach Lastimpedanzwinkel die Netzimpedanz oder die Netzwirk-und Netzblindwiderstände aus der Spannungsänderung beim Zu-oder Abschalten einer Meßbelastung bestimmt werden können. Um Fehler durch Netzspannungsschwankungen infolge von Belastungsänderungen parallelliegender Verbraucher weitgehend zu vermeiden, kann die Meßbelastung durch einen Synchronschalter oder mittels eines Gleichrichters periodisch geschaltet werden. Bei einem bekannten Verfahren werden z. B. durch einen zweiten Synchronschalter zwei Kondensatoren auf den Scheitelwert der Leerlauf-bzw. Belastungsspannung aufgeladen und die beiden Spannungen miteinander verglichen. It is known that, depending on the load impedance angle, the line impedance or the network active and reactive resistances from the voltage change when switching on or off a measurement load can be determined. About errors caused by mains voltage fluctuations largely to avoid due to changes in load of parallel consumers, the measuring load can be measured by a synchronous switch or by means of a rectifier be switched periodically. In a known method, for. B. by a second synchronous switch two capacitors to the peak value of the no-load or. Load voltage charged and the two voltages compared with each other.

Durch die britische Patentschrift 888 327 ist eine Schaltung zur Bestimmung des Innenwiderstandes eines Wechselstromnetzes bekanntgeworden, bei der ein steuerbarer Gleichrichter Verwendung findet. Es werden hierbei sehr kurze Stromimpulse hoher Stärke periodisch über den Gleichrichter und einen Wider stand dem Netz entnommen, wobei der Spannungs abfall am Widerstand als Maß für den Netzinnenwiderstand dient. By the British patent specification 888 327 a circuit for Determination of the internal resistance of an alternating current network became known in the a controllable rectifier is used. The current pulses are very short high strength periodically via the rectifier and a resistor was taken from the network, where the voltage drop across the resistor serves as a measure of the internal network resistance.

An anderer Stelle ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, den Innenwiderstand eines elektrischen Wechselstromnetzes dadurch zu messen, daß mit Hilfe einer durch eine zusätzliche Netzbelastung bewirkten Spannungssenkung sowie mit Hilfe eines steuerbaren Einweggleichrichters nur bei Spannungshalbwellen eines Vorzeichens, und zwar unter Zugrundelegung der Scheitelwerte, sowohl bei den unbelasteten als auch bei den belasteten Halbwellen belastet und gemessen wird. Hierbei sollen der Belastungswiderstand und der Zuschaltzeitpunkt desselben, also der Zündwinkel des Gleichrichters, so zwischen zwei Nulldurchgängen der Netzspannung gewählt werden, daß der induktive Anteil des Netzinnenwiderstandes berücksichtigt und der meßverfälschende Einfluß einer induktiven Netzlast weitgehend ausgeschaltet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine einwandfreie Messung der Netzinnenimpedanz nach Betrag und Winkel ermöglicht, wozu eine eindeutige, konkrete Regel der zuzuschaltenden Lastimpedanz und ihres Zuschaltzeitpunktes gegeben wird. Die an anderer Stelle vorgeschlagene Innenwiderstandsmessung gestattet nicht die Messung der Innenimpedanz nach Betrag und Winkel und verwendet auch nicht sowohl positive wie negative Halbwellen. It has also already been suggested elsewhere that the To measure the internal resistance of an electrical alternating current network that with The help of a voltage reduction caused by an additional network load as well as with the help of a controllable half-wave rectifier only for voltage half-waves Sign, based on the peak values, both for the unloaded as well as with the loaded half-waves is loaded and measured. Here should the load resistance and the switch-on time of the same, i.e. the ignition angle of the rectifier, so choose between two zero crossings of the mains voltage, that the inductive component of the internal network resistance is taken into account and the measurement falsifying one The influence of an inductive network load can be largely eliminated. According to the present Invention is the first time a perfect measurement of the internal network impedance according to amount and angle allows, including a clear, specific rule of the to be switched on Load impedance and its connection time is given. The one suggested elsewhere Internal resistance measurement does not allow the measurement of internal impedance by amount and angles and also does not use both positive and negative half-waves.

In der polnischen Patentschrift 46 235 ist ein Meßkreis beschrieben, der es ermöglicht, die Summe der halben Scheitelwerte der verschiedenen Halbwellen ., positiven und negativen) zu messen. Hierbei kann ein relativ niederohmiges Meßinstrument verwendet werden. In the Polish patent specification 46 235 a measuring circuit is described, which makes it possible to calculate the sum of half the peak values of the various half waves ., positive and negative). A relatively low-resistance measuring instrument can be used here be used.

Andere Meßverfahren benötigen im allgemeinen hochohmige Anzeigeinstrumente. Vor der Messung müssen die Geräte für die jeweils vorhandene Netzspannung geeicht werden. Other measuring methods generally require high-resistance display instruments. Before the measurement, the devices must be calibrated for the respective mains voltage will.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Schaltung anzugeben, die es ermöglichen, die Impedanz eines elektrischen Wechselstromnetzes sowohl nach dem Betrag als auch nach dem Winkel zu messen. The object of the invention is to provide a method and a circuit specify that make it possible to determine the impedance of an electrical alternating current network to measure both by the amount and by the angle.

Das Verfahren zum Ermitteln des Impedanzbetrages besteht gemäß der Erfindung darin, daß als Lastimpedanzgebilde ein solches verwendet wird, dessen Impedanzbetrag trotz veränderlich einstellbarem Impedanzwinkel konstant bleibt, daß bei unter sich gleichgehaltenen Gleichrichterzünd-und Lastimpedanzwinkeln hierfür derjenige Winkel eingestellt wird, bei dem die Differenz der Scheitelwerte einen Maximalwert hat, und daß dieser als Maß für den gesuchten Impedanzbetrag dient. The method for determining the amount of impedance is in accordance with Invention is that such a load impedance structure is used, its Impedance amount remains constant despite adjustable impedance angle, that among themselves rectifier ignition and load impedance angles kept the same for this, the angle is set at which the difference between the peak values has a maximum value, and that this serves as a measure for the amount of impedance sought.

Gemäß der weiteren Erfindung besteht das Verfahren zur zusätzlichen Ermittlung des Netzimpedanzwinkels darin, daß als Maß für diesen der den Maximalwert der Scheitelwertdifferenz bedingende Gleichrichterzünd- bzw. der diesem gleiche Lastimpedanzwinkel dient. According to the further invention, the method for additional Determination of the network impedance angle in that the maximum value as a measure for this the rectifier ignition causing the peak value difference or the same Load impedance angle is used.

Als Weiterbildung der Erfindung wird (vgl. B i I d 1) eine Schaltung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 angegeben, die aus einer am Wechselstromnetz G. Zi liegenden Serienschaltung einer nach dem Winkel veränderbaren, nach dem Betrag konstanten Lastimpedanz RB XB mit einem steuerbaren GleichrichterGII besteht, einem Zündgerät mit veränderbarer Zündwinkeleinstellung für den Gleichrichter Gl1 und einem am Netz liegenden Meßkreis zum Messen der maximalen Differenz der Scheitelwerte der Netzspannungshalbwellen. As a further development of the invention (cf. B i I d 1) a circuit is used for performing the method according to claim 1 or 2 specified, which consists of an am Alternating current network G. Zi lying series connection of a variable according to the angle, according to the amount of constant load impedance RB XB with a controllable rectifier GII consists of an ignition device with adjustable ignition angle setting for the rectifier Gl1 and a measuring circuit connected to the network for measuring the maximum difference of the Peak values of the mains voltage half-waves.

Der an sich zur Netzimpedanzmessung bekannte Meßkreis besteht aus einei am Netz liegenden Serienschaltung aus einem Gleichrichter Gl3, einem Kondensator C1, einem dem Kondensator Ci gleich großen Kondensator C, und einem gegenüber dem Gleichrichter Gl3 umgekehrt gepolten Gleichrichter Gl4 ferner aus je einem zu den Kondensatoren Ci und C2 parallelgeschalteten, gieich en Hochohmwiderstand RE1, RE2. aus einem zwischen den dem Netz abgewandten Anschlüssen der Gleichrichter Gl3. G/4 angeschlossenen Nullindikator Vund ferner aus einem ebenfalls am Netz liegenden Potcntiometer R,,, dessen Abgriff mit dem Zusammenschattungspunkt der Hochohmwiderstände RE1, RE2 und der Kondensatoren Ci. The measuring circuit, known per se for measuring the network impedance, consists of a series circuit connected to the network consisting of a rectifier Gl3 and a capacitor C1, one capacitor C equal to the capacitor Ci, and one opposite the Rectifier Gl3 reversed polarity rectifier Gl4 furthermore from one to the Capacitors Ci and C2 connected in parallel, same high resistance RE1, RE2. from one between the connections facing away from the network of the rectifier Gl3. G / 4 connected zero indicator V and also from a connected to the network Potentiometer R ,,, whose tapping point with the point of intersection of the high-ohmic resistances RE1, RE2 and the capacitors Ci.

C2 verbunden ist, wobei der Potentiometerabgriff zugleich mit einem der übrigen Poientiometeranschlußklemmen verbunden ist und diesen jeweils ein gegen die Hochohmwiderstände relativ kleiner Widerstand Ri, R2 vorgeschaltet ist.C2 is connected, the potentiometer tap at the same time with a of the remaining Poientiometer connection terminals is connected and these each one against the high-resistance resistors are connected upstream with a relatively small resistance Ri, R2.

In Weiterbildung der Erfindung liegt parallel zur Lastimpedanz RB, XB, die Serienschaltung eines gegenüber dem steuerbaren Gleichrichter Gl1 umgekehrt gepolten Gleichrichters G/2 mit einem Dämpfungswiderstand R, derartiger Bemessung, daß periodische Uberspannungen an dem steuerbaren Gleichrichter G11 vermieden sind. In a further development of the invention is parallel to the load impedance RB, XB, the series connection of a reversed with respect to the controllable rectifier Gl1 polarized rectifier G / 2 with a damping resistance R, such a rating, that periodic overvoltages at the controllable rectifier G11 are avoided.

Die Zündung des Gleichrichters Gll ist gegenüber dem Nulldurchgang der Netzspannung um den Phasenwinkel @ der Lastimpedanz ZB. verzögert. The ignition of the rectifier Gll is opposite the zero crossing the mains voltage by the phase angle @ of the load impedance ZB. delayed.

Wegen ZB # Z, wird der Gleichrichter praktisch im »Stromnulldurchgang« gezündet, wodurch Einschwingvorgänge vermieden werden.Because of ZB # Z, the rectifier is practically in the "current zero crossing" ignited, which prevents transients.

Parallel zu der Reihenschaltung aus Lastimpedanz und d steuerbarem Gleichrichter liegt ein Meßkreis. Der eine Zweig dieses Meßkreises besteht aus den in Reihe geschalteten, im allgemeinen gleich großen Widerständen R1 und R, sowie dem Abgleichwiderstand Ra Der zweite Zweig ist eine Reihenschaltung aus den entgegengesetzt gepolten Gleichrichtern G13 und G14 und den gleich großen Kondensatoren Ci und C2 mit ihren ebenfalls gleich großen Entladewiderständen REZ und RE2 Die Verbindung der Kondensatoren C1 und C, ist an den Abgriff des Widerstandes Ra des anderen Zweiges geführt. Parallel to the series connection of load impedance and d controllable Rectifier is a measuring circuit. One branch of this measuring circuit consists of the series-connected, generally equal resistors R1 and R, as well as the balancing resistor Ra The second branch is a series connection of the opposites polarized rectifiers G13 and G14 and the capacitors Ci and C2 of the same size with their equally large discharge resistors REZ and RE2 The connection of the capacitors C1 and C, is to the tap of the resistor Ra of the other branch guided.

Da die Widerstände R, = R2 # REZ = RE2 sind, werden die Kondensatoren C1 und C2 bei Ra = 0 auf den halben Scheitelwert der Belastungs-bzw. Leerlaufhalbwelle aufgeladen. Mit einem hochohmigen Instrument, z. B. einem Röhrenvoltmeter, läßt sich die halbe Spannungsdifferenz zwischen den Scheitelwerten der Leerlauf-und Belastungshalbwelle messen Der Meßkreis ist so aufgebaut, daß die Differenz der Spannungen an den Kondensatoren Cl und C2 durch Verändern des Widerstandes Ra auf Null gebracht werden kann. Hierdurch wird die Verwendung eines empfindlichen Schalttafelinstrumentes an Stelle eines sehr hochohmigen Instrumentes möglich. Since the resistors R, = R2 # REZ = RE2, the capacitors C1 and C2 at Ra = 0 half the peak value of the load or Idling half-wave charged. With a high-resistance instrument, e.g. B. a tube voltmeter, can half the voltage difference between the peak values of the no-load and load half-waves measure The measuring circuit is constructed in such a way that the difference in the voltages across the capacitors Cl and C2 can be brought to zero by changing the resistance Ra. Through this becomes the use of a sensitive panel instrument instead of a very high impedance instrument possible.

Für die Spannungsgleichheit an Rl + Ra und an R2 gilt mit guter Näherung die Beziehung Ra+R1 UB+U1 R1 UB Mit R1=R2=R. UB=ZBI and U1 = @ U cos (#-q) = ZiI cos (#-q) (vgl. B I l d 2) erhält man R Ra = Zi cos(#-q). A good approximation applies for the voltage equality at Rl + Ra and at R2 the relationship Ra + R1 UB + U1 R1 UB With R1 = R2 = R. UB = ZBI and U1 = @ U cos (# -q) = ZiI cos (# -q) (cf. B I l d 2) one obtains R Ra = Zi cos (# - q).

ZB Hieirlei ist L'B die Netzspannung bei Bclastung, I der Belastungsstrom, U1 der Längsspannungsabfall, @ C der Spannungsabfall an der NetzimpedanzZj, # der Netzimpedanzwinkel und Lastimpedanzz-inkel. For example, L'B is the line voltage at load, I is the load current, U1 is the longitudinal voltage drop, @ C is the voltage drop across the network impedance Zj, # der Line impedance angle and load impedance angle.

Läí3t man den Betrag der Lastimpedanz konstant und ändert den Lastimpedanzwinkel gemeinsam mit dem Zündwinkel, so wird Ra bei Nullabgleich dann am größten, wenn Netzimpedanzwinkel # und Lastimpedanzwinkei'/übereinstimmen. If one keeps the amount of the load impedance constant and changes the load impedance angle together with the ignition angle, Ra will be greatest at zero adjustment if Line impedance angle # and load impedance angle i '/ match.

Bei stufenweiser Verstellung des Zünd-und Lastimpedanzwinkels, z. B. in Stufen von 15@, wird Ra dann am grot3ten, wenn der Lastimpedanzwinkel dem Netzimpedanzwinkel am nächsten kommt. Hierbei beträgt der Differenzwinkel für das angeführte Beispiel im ungünstigsten Fall 7, 5. With gradual adjustment of the ignition and load impedance angle, e.g. B. in steps of 15 @, Ra is greatest when the load impedance angle dem Grid impedance angle comes closest. Here the difference angle for the Example given in the worst case 7, 5.

Fiir ist die Beziehung Ra = Zi ZB genau erfiillt. Da R und ZB bekannt sind. ist R. unmittelbar ein Maß für den Betrag der Netzimpedanz Z,. Die Messung ist unabhängig von der jeweils vorhandenen Netzspannung. Der Widerstand Ra kann z. B. in Kurzschlußstromwerten bei Netzspannung geeicht werden. For this the relation Ra = Zi ZB is exactly fulfilled. Known as R and ZB are. R. is a direct measure of the magnitude of the network impedance Z ,. The measurement is independent of the existing mains voltage. The resistance Ra can z. B. be calibrated in short-circuit current values at mains voltage.

Um etwa vorhandene Unsymmetrien des Meßkreises oder durch Verbraucher erzeugte Gleichspannungen im Netz bei abgeschalteter Lastimpedanz kompensieren zu können, ist es zweckmäßig, Rl oder R2 in kleinen Grenzen variabel zu machen. About any existing asymmetries in the measuring circuit or from consumers to compensate for DC voltages generated in the network when the load impedance is switched off it is advisable to make R1 or R2 variable within small limits.

Ein Kondensator Cs in Reihe mit einem Widerstand RS2 schützt den Gleichrichter Gl1 gegen Uberspannungen durch den Trägerstaueffekt. Ein Widerstand Rs, dient zur Entladung dieses Kondensators. A capacitor Cs in series with a resistor RS2 protects the Rectifier Gl1 against overvoltages due to the carrier accumulation effect. A resistance Rs, is used to discharge this capacitor.

Unmittelbar nach Unterbrechung des Belastungsstromes i hat die Netzspannung den Wert û0 sin #, wenn man den kleinen Winkel 8 zwischen Leerlauf-und Belastungsspannung vernachlässigt und der Dämpfungswiderstand RD = X ist. Der Kondensator CS lädt sich über die Netz-und die Lastimpedanz sowie den Widerstand RS2 auf die Netzspannung auf. Immediately after the interruption of the load current i, the mains voltage has the value û0 sin #, if one considers the small angle 8 between no-load and load voltage neglected and the damping resistance RD = X. The capacitor CS charges via the line and load impedance as well as the resistor RS2 to the line voltage on.

Da eine ausreichende Dämpfung dieses Vorganges zur Vermeidung von Uberspannungen an dem Gleichrichter GI1 durch einen großen Widerstand Rs2 nicht zweckmäßig ist, wurde der Widerstand RD in Reihe mit dem Gleichrichter Gl2 vorgesehen.Because there is sufficient damping of this process to the Avoidance of overvoltages at the rectifier GI1 through a large resistance Rs2 is inappropriate, the resistor RD was in series with the rectifier Gl2 provided.

Der Stromfluß durch diese Reihenschaltung beginnt, wenn die Netzspannung negativ wird. Bei il = i2 wird i = 0, und der Gleichrichter GI sperrt. The current flow through this series connection begins when the mains voltage becomes negative. When il = i2, i = 0 and the rectifier GI blocks.

Die nachfolgende Aufladung des Kondensators CS läßt sich durch geeignete Wahl von RD derart dämpfen, daß am Gleichrichter GIl keine Überspannungen auftreten.The subsequent charging of the capacitor CS can be carried out by suitable means Damp the selection of RD in such a way that no overvoltages occur at the rectifier GIl.

Durch Rß und C/2 werden außerdem auf bekannte Weise Überschläge zu den Netzklemmen vermieden. wenn die Verbindune des Meßgerätes mit den Netzklemmen während des Betriebes unterbrochen wird. Rß and C / 2 also cause flashovers to occur in a known manner the mains terminals avoided. if the connection of the measuring device with the mains terminals is interrupted during operation.

Claims

Claims 1. Method for determining the amount of the impedance of an electrical alternating current network, based on the measurement of the difference in Peak values of the positive and negative mains voltage half-waves. the thereby arises. that a known, in relation to the expected network impedance large Load impedance through a controllable rectifier during one half-wave is connected to the mains and while the other is not, characterized by that a! s load impedance diagram is used. its impedance amount remains constant despite the variably adjustable impedance angle. that among themselves equal rectifier ignition and load impedance angles here. that angle is set at which the difference between the peak values has a maximum value. and that this serves as a measure for the amount of impedance sought.

2. The method according to claim 1 for the additional determination of the network impedance angle, characterized in that the maximum value of the peak value difference as a measure for this conditional rectifier ignition or which serves this same load impedance angle.

3. A circuit for performing the method according to claim I or 2, characterized by a series circuit connected to the alternating current network load impedance variable according to the angle, constant according to the amount (RB, XB) with a controllable rectifier (Gl1). by an igniter with adjustable ignition angle setting for the rectifier (Gl1) and a measuring circuit connected to the network for measuring the maxima! en Difference between the peak values of the mains voltage half-waves.

4. Circuit according to claim 3 with a per se for network impedance measurement known Me8 circuit, consisting of a series circuit connected to the network from a Rectifier (Gl3). a capacitor (C i). one of the same size as the capacitor (C1) Capacitor (C2) and one opposite to the rectifier (G13) gcpoitcn Rectifier (G / 4). also from one to the capacitors (C1 and C2) connected in parallel. high resistance of the same size (RE1, RE2). from one between those facing away from the network Connecting the rectifiers (Gl3, Gl4) connected zero indicator (V) and also from a potentiometer (Ra) which is also connected to the network. its tap with the junction point of the high resistance) Rfi.

RE2) and the capacitors (C1, C) is connected, characterized. since U. 1 is the potentiometer tap at the same time as one of the other potentiometer connection terminals is connected and that # these each have a rclativ against the high resistance klemer resistor (R R2) is connected upstream.

5. A circuit according to claim 3 or 4, characterized by a parallel to the load impedance (Rb. XB) lying series connection of one opposite the controllable one Rectifier (Gll) reversed polarized rectifier (G12) with a damping resistor (RD) such dimensioning that periodic overvoltages at the controllable rectifier (GIl) are avoided.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1,035,760: British Patent No. 888,327; Polish patent specification No. 46 235; "Siemens magazine". April 1959, pp. 230/231; "The master electrician". 12th (1959), pp. 209/210.

Older patents considered: German Patent No. 1 237 218.