DE1951437C - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw elektri scher Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie, mit einem Analog-Digitalwandler, der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale Frequenz abgibt und einen Miller-Integrator aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Spannung entladen wird.

Zur Messung elektrischer Wirkleistung muß bekanntlich das Produkt aus Spannung und Strom gebildet werden. Neben mechanischen Vorrichtungen sind zur Multiplikation zweier Größen auch rein elektronische Schaltungen bekanntgeworden, die jedoch meist-ns Bauteile mit nicht gleichbleibenden, z. B. temperaturabhängigen Kennlinien besitzen, welche die Meßgenauigkeit ungünstig beeinflussen. Dies gilt beispielsweise bei der Anwendung von Hallgeneratoren, ferner bei der Bildung des Produktes xy der Beziehung log xy = log λ; + logy, wo logarithmische Kennlinien von Halbleitcrelementen eingesetzt werden. Bei der Bestimmung des Produktes xy aus der Beziehung xy = (.v + yf - (x - yf sind quadratische Kennlinien von Halblciteranordnungen erforderlich.

Es ist durch die schweizerische Patentschrift 462 953 eine Multiplikationsschaltung bekanntgeworden, bei welcher die Amplitude der Impulse einer Impulsfolge in Abhängigkeit vom einen Faktor und das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer in Abhängigkeit vom anderen Faktor moduliert wird, so daß der Spannungsmittelwert dieser Impulse dem Produkt proportional ist. Diese Schaltung hat sich in der Praxis gut bewährt, kann jedoch nicht ohne weiteres in monolithisch integrierter Form hergestellt werden. Ferner sind bei dieser bekannten Schaltung zur Multiplikation von Größen mit veränderlichem Vorzeichen schnelle transistorisierte Umschalter erforderlich, deren Restspannungen bzw. Restwiderstände das Meßergebnis erheblich verfälschen können.

Die erwähnten bekannten Multiplikatoren bilden vorerst das Produkt in analoger Form. Zur Ermittlung der elektrischen Energie wird jedoch nicht eine analoge Meßgröße, sondern eine Impulsfolge mit dem Produkt aus Spannung und Strom proportionaler Impulsfolgefrcquenz gefordert, weshalb in den Ausgang der bekannten Multiplikatoren ein Strom-Frequenzwandler geschaltet werden muß, der weitere Meßfehler mit sich bringen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Schaltungen nicht aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt der zu multiplizierenden Größen proportionaler Impulsfolgefrequenz unmittelbar erzeugt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgcinäß dadurch, daß die erste Mulliplikalionsgröße über einen Meßwiderstand an den Eingang des Millcr-Intc-

grators geführt ist und daß der Meßwiderstand e>ne von der zweiten Multiplikationsgröße gesteuerte, ihrem Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Gleichstrom..

P i g. 2 ein Blockschaltbild eines Energiemessers Tür Wechselstrom und

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild eines Leislungsmessers für Wechselstrom.

In der F i g. 1 ist eine erste Multipiikationsgröße U₁ über einen Meßwiderstand 1, welcher aus einem gesteuerten Widerstand R₁ und aus einem Widerstand R₂ mit konstanter impedanz besteht, an den Eingang eines Miller-'iitegralors 2 geführt. Dieser Miller-Integrator wei^t einen Verstärker 3 mit einem zwischen den Eingang 4 und den Ausgang 5 geschalteten Kondensator 6 auf und bildet zusammen mit einem Schwellenschalter 7. der jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspani ung die Entladung des Kondensators 6 mittels eines Kurzschlußschalters 8 auslöst, einen an sich bekannten Analog-Digitahvandler 9. An Stelle des Kurzschlußschalters 8 kann auch ein Ladungsmengenkompensator Verwendung finden, welcher beim Ansprechen des Schwellenschalters 7 Impulse mit konstanter Ladung ar den Eingang 4 liefert.

Eine Referenzspannungsquelle U₀ ist über einen Spannungsteiler 10. der aus einem vom Ausgang 11 eines Differenzverstärkers 12 in nicht näher dargestellter Weise gesteuerten Widerstand R₃ und einem Widerstand R₄ besteht, an einen ersten Eingang 13 des Differenzverstärkers 12 geschaltet. Die zweite MultipKkationsgröße U₁ ist über einen Spannungsteiler R₅. R₆ an einen zweiten Eingang 14 des Differenzverstärkers 12 gelegt. Der Ausgang 11 desselben steuert die Widerstände R₁ und R₃ in gleicher Weise. so daß die Bedingung R₁ = R₃ jederzeit erfüllt ist. Ferner ist R₂ = R±.

Die Arbeitsweise des Analog-Digilalwandlers 9 kann als bekannt vorausgesetzt werden. Für seine Ausgangsfrequenz /„ gilt

wobei Zc₁ eine Konstante und R = R₁ + R₂ den Ohmwert des Meßwiderstandes 1 bedeutet.
Ferner ist

«4

U. =

R₃ + R₄

ß₅ + κ.,

U_n

Dabei bedeutet U_x die Spannung am Widerstand R₄ und U_y diejenige am Widerstand R,,.

Der Differenzverstärker 12 steuert den Widerstand R₃ derart, daß U_x - U, = 0 ist. Damit wird

R₃ + R., =

R₄. R₅ und R₆ sowie die Referenzspannung L'_o konstant sind, gilt

R = R₁ + R₂ = A-,

L₂

worin k₂ eine Konstante bedeutet. Die Impedanz R des Meßwiderstandes 1 ist also dem Reziprokwert der Multipiikationsgröße LZ₂ proportional. Damit wird

Somit ist die Ausgangsfrequenz /„ ein Maß für die Leistung eines elektrischen Verbrauchers, wenn die eine der beiden Multiplikaaonsgrößen ein Abbild des Stromes und die andere Multiplikiuicmsgröße ein Abbild der Spannung ist.

Als gesteuerte Widerstände R, und R₃ können vorteilhaft zwei gleiche Feldeffekttransistoren verwendet werden. Diese werden mit Vorteil unterhalb der sogenannten Einschnürspannung betrieöen. wo die F'rom - Spannungs - Kennlinie des Drain - Source-Strompfades nahezu linear verläuft. Zur weiteren Linearisierung kann zwischen die Drain- und die Gatcelektrode ein Gegenkopplungswiderstand und in Reihe mit der Gatcelektrode ein weiterer Widerstand gcschallet werden.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, als gesteuerte Widerstände R₁ und R₃ magnetfeldabhängige Widerstände zu verwenden, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers 12 erregten Spule liegen.

Unterschiede in der Charakteristik der gesteuerten Widerstände R, und R₃ können durch Reihen- und Parallelwiderständc ausgeglichen werden.

In der F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines Energiemessers für Wechselstrom dargestellt. Mit 15 ist ein Leistungsmesser bezeichnet, der schaltungsmäßig demjenigen der F i g. 1 entspricht. Die Multiplikationsgrößen j/, und ii₂. die Abbilder der Spannung und des Stromes eines elektrischen Verbrauchers darstellen, sind jeweils einer konstanten Gleichspannung L₀₁ bzw. U₀₂ überlagert. Diese Gleichspannungen sind so gewählt, daß in jedem Zeitmoment die Beziehungen

0 und U₀₂ + K₂ > 0 gelten.

Der Ausgang 16 des Leistungsmesseis 15 ist mit einem Addicreingang 17 eines Impulszählers 18 verbunden. Fin S'-ibtrahicreingang 19 desselben ist an einen Impulsgeber 20 angeschlossen, der eine Referenzfrequenz /₀ abgibt, welche die Bedingung

./(J ⁼ ;, ^ oi ' U₀₂

erfüllt.

Wenn κ, und K₂ den Scheitclwert der Spannungen K₁ und K₂ gleicher Frequenz und cos <_{ den Phasenwinkel zwischen K₁ und K₂ Wdeutet, schwankt die Frequenz /„ um den Mittelwert

T=

J Il

I.

K₇

Ii₁ · K₂ · cos·-/
ι

^L' (11 ^L' (I

Für den nach einer Meßperiode 7' erreichten Zählcrstand /V des Impulszählers 18 gilt somit:

Da R, = R₃ und R₂ = R₄ ist und die Widerstände

Zi₁ Uy ■ K₂ · COS η

ζ E d F d g

Die Refcrenzfrcqucnz J_n des Impulsgebers 20 wird vorteilhaft von der Netzfrequenz /_:V eines Encrgieverteilnet/es abgeleitet, da der über längere Zeit betrachtete Mittelwert der Netzfrequcnz äußerst konstant ist. Durch Frequenzuntersetzung kann beispielsweise eine Refcrenzfrequenz

Jo = —■ U

erzeugt werden, wobei η und m ganze Zahlen sind. Die Ubertragungskonstante

Un

Λ>2

muß dementsprechend gleich — · /_lV gewählt werden.

Die F i g. 3 zeig; ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Wechselstrom. Gleiche Teile wie in der F i g. 1 sind mit den gleichen Bczugszahlcn verschen. Der Strom / eines in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchers ist an einen Stromwandler 21 geführt, an dessen Abschlußwiderstand 22 die Spannung ii, liegt. Die Spannung ist der konstanten Gleichspannung (J_n, überlagert und. über den ■Meßwiderstand 1 an den Eingang 4 des Miller-Integrators 2 geführt.

Die Sekundärwicklung 23 eines an die Spannung U des Verbrauchers angeschlossenen Spannungswandlers 24 ist in Reihe mit der Rcfcrenzspannungsqucllc U_n an den Spannungsteiler R_s, R,, geschaltet. Somit ist ■die der Multiplikalionsgrößc H₂ überlagerte konstante ίο Größe die Spannung der Rcfercnzspannungsquellc U_n.

Die gesteuerten Widerstände R₁, R_-1 sind durch Feldeffekttransistoren 25, 26 gebildet.

Eine Stromquelle 27 ist an den Eingang 4 des Miller-Integrators 2 angeschlossen. Sie entzieht dem Kondcnsator 6 einen konstanten Strom /,, dessen Größe derart gewählt ist, daß bei U-I = Q die Ausgangsf'-cqucnz /„ = 0 ist.

Bei cos 7 < 1 nimmt die Momcntanleistung zeitweilig negative Werte an. Dabei wird auch die Spannung am Kondensator 6 negativ. Deshalb muß der Verstärker 3 sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung mit einem Analog-Digitalwandler, der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale Frequenz abgibt und einen Millerintegrator aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Multiplikationsgröße (U₁ ; H₁) über einen Meßwiderstand (1) an den Eingang (4) des Miller-Integrators (2) geführt ist und daß der Meßwiderstand (1) eine von der zweiten Multiplikationsgröße (U₂; u₂) gesteuerte, ihrem Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist. .'5

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ^^kennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) aus einen¹ von eine.« Differenzverstärker (12) gesteuerten ersten Widerstand (R₁) und aus einem zweiten Widerstand (R₂) mit konstanter Impedanz besteht, daß eine Referenzspannungsquelle (U₀) über einen Spannungsteiler (10) an den ersten Eingang (13) des Differenzverstärkers (12) und ein Abbild der zweiten Multiplikationsgröße (JV₂) an den zweiten Eingang (14) desselben geschaltet ist und daß der Spannungsteiler (10) einen vom Differenzverstärker (12) gesteuerten dritten Widerstand (R₃) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß ^er erste und der dritte Widerstand (R,; R₃) durch Feldeffekttransistoren (25; 26) gcDildet sind.

4. Schiitungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Drain- und die Gateelektrode der Feldeffekttransistoren (25: 26) ein Gegenkopplungswiderstand und in Reihe mit der Gateelcktrode ein weiterer Widerstand geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste -ind der dritte Widerstand (R,; R₃) magnetfeldabhängige Widerstände sind, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers (12) erregten Spule liegen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß den Multiplikationsgrößen («,; W₂) konstante Größen (U_m ; U₀₂) überfagert sind und daß der Miller-Integrator (2) eingangsseitig an eine konstante Stromquelle (27) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen Energie den Multiplikationsgrößen (»,; u₂) konstante Größen (U₀₁ ; £/„2) überlagert sind und daß der Ausgang des Analog-Digitalv.andlers (9) mit einem Addiereingang (17) eines Impulszählers (18) verbunden und ein Subtrahiereingang (19) des Impulszahlers (18) an einen Impulsgeber (20) mit konstanter Frequenz (/₀) angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 6 oder Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Multiplikationsgröße (u₂) überlagert konstante Größe die Spannung der Referenzspannungsquelle (U₀) ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (/₀) des Impulsgebers (20) von der Netzfrequenz eines Energieverteilnetzes abgeleitet ist.