DE19823706A1 - Meßgerät zur Ermittlung von elektrischen Größen eines Wechselspannungsnetzes - Google Patents

Abstract

Um bei einem Meßgerät zur Ermittlung von elektrischen Größen eines Wechselspannungsnetzes die Verwendung von Meßwandlern mit geringer Baugröße und damit verbundenem frequenz- und ansteuerungsabhängigem Fehlwinkel zu ermöglichen, sind einer an dem Meßwandler (8) angeschlossenen Signalauswerteeinrichtung (16) Korrektureinrichtungen (27, 28) zugeordnet, in denen Informationen über den Fehlwinkel des Meßwandlers (8) in Abhängigkeit von seiner Aussteuerung bei ausgewählten Meßfrequenzen gespeichert sind, mit denen die von der Signalauswerteeinrichtung (16) ermittelten Phasenlagen der Grundschwingung und ausgewählter Oberschwingungen der Wechselspannung korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Ermittlung von elek­ trischen Größen eines Wechselspannungsnetzes mit zumindest einem Meßpfad, bestehend aus einem eingangsseitig an dem Wechselspannungsnetz angeschlossenen Meßwandler und einer an dem Meßwandleraus gang angeschlossenen Signalauswerteeinrich­ tung, die aus dem Ausgangssignal des Meßwandlers die Signal­ höhe, d. h. die Amplitude oder den Effektivwert, und die Pha­ senlage der Grundschwingung ermittelt.

Aus der US-A-4 878 142 ist es bekannt, zur Erfassung und Ana­ lyse von Vorgängen in Wechselspannungsnetzen Ströme und Span­ nungen des Wechselspannungsnetzes abzutasten, die Abtastwerte zu digitalisieren und anschließend durch Signalauswertung mittels Fast-Fourier-Transformation die Grundschwingungen und Oberschwingungen der Ströme bzw. Spannungen mit ihren Ampli­ tuden bzw. Effektivwerten, Frequenzen und Phasenlagen zu er­ mitteln. Im weiteren werden aus diesen Parametern Leitungs­ störungen in dem Wechselspannungsnetz ermittelt. Es ist aber auch möglich, aus diesen Parametern weitere elektrische Grö­ ßen des Wechselspannungsnetzes wie Wirkleistung, Blindlei­ stung, Leistungsfaktor, Mitsystem, Gegensystem, Klirrfaktor usw. zu berechnen.

Bei der Ermittlung von elektrischen Größen, in die die Pha­ senverschiebung zwischen den Strömen und Spannungen eingeht, also z. B. der Wirkleistung oder dem Leistungsfaktor, ist zu berücksichtigen, daß Meßwandler, mit denen die Ströme und Spannungen des Wechselspannungsnetzes abgegriffen werden, aufgrund ihrer induktiven Komponenten ein um einen Fehlwinkel gegenüber dem abgegriffenen Strom oder der Spannung phasen­ verschobenes Ausgangssignal erzeugen. Durch eine großzügige Dimensionierung des Meßwandlers ist es möglich, den Fehlwin­ kel innerhalb des Arbeitsbereichs des Meßwandlers konstant zu seiner elektrischen Aussteuerung, also der Strom- oder Span­ nungsamplitude, und der Nutzfrequenz zu halten. Der konstante Fehlwinkel kann bei der Signalauswertung ohne weiteres be­ rücksichtigt werden.

Der stetige Trend zur Miniaturisierung führt jedoch zu Meß­ wandlern kleiner Baugröße, bei denen der Fehlwinkel konstruk­ tionsbedingt von der Aussteuerung und der Meßfrequenz des Meßwandlers abhängig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hohe Ge­ nauigkeit bei der Erfassung von elektrischen Größen in einem Wechselspannungsnetz auch dann zu gewährleisten, wenn die zum Spannungs- oder Stromabgriff verwendeten Meßwandler einen aussteuerungs- und frequenzabhängigen Fehlwinkel aufweisen. Insbesondere soll die Verwendung zunehmend kleinerer Meß­ wandler ohne größere Genauigkeitseinbuße ermöglicht werden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Meßgerät der eingangs angegebenen Art der Signalauswerte­ einrichtung eine Korrektureinrichtung zugeordnet ist, in der Informationen über den grundschwingungsbezogenen Fehlwinkel des Meßwandlers in Abhängigkeit von seiner Aussteuerung ge­ speichert sind und daß die Korrektureinrichtung die ermit­ telte Phasenlage der Grundschwingung in Abhängigkeit von der für die Grundschwingung ermittelten Signalhöhe und den abge­ speicherten Informationen korrigiert. Die Informationen über den grundschwingungsbezogenen Fehlwinkel des Meßwandlers lassen sich in einfacher Weise dadurch ermitteln, daß an dem Eingang des Meßwandlers eine sinusförmige Wechselgröße mit veränderbarer Amplitude und mit einer der Grundschwingung entsprechenden Frequenz angelegt wird. Entsprechend den un­ terschiedlichen Aussteuerungen des Meßwandlers ermittelt die Signalauswerteeinrichtung dann unterschiedliche Grundschwin­ gungen mit unterschiedlichen Amplituden und Phasenlagen, wo­ bei die unterschiedlichen Phasenlagen den aussteuerungsabhän­ gigen Fehlwinkeln des Meßwandlers entsprechen.

Um z. B. auch Klirrfaktormessungen zu ermöglichen, kann die Signalauswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, aus dem Aus­ gangssignal des Meßwandlers zusätzlich zur Grundschwingung auch die Signalhöhe und Phasenlage zumindest einer harmoni­ schen Oberschwingung zu ermitteln. In diesem Fall ist der Signalauswerteeinrichtung vorzugsweise zumindest eine weitere Korrektureinrichtung zugeordnet, in der Informationen über den oberschwingungsbezogenen Fehlwinkel des Meßwandlers in Abhängigkeit von seiner Aussteuerung gespeichert sind und die die ermittelte Phasenlage der Oberschwingung in Abhängigkeit von der für die Oberschwingung ermittelten Signalhöhe und den abgespeicherten Informationen korrigiert. Die Informationen über den grundschwingungsbezogenen und den oberschwingungs­ bezogenen Fehlwinkel des Meßwandlers lassen sich beispiels­ weise dadurch ermitteln, daß an dem Eingang des Meßwandlers eine Wechselgröße mit vorgegebenem Grundschwingungs- und Oberschwingungsanteil, beispielsweise ein rechteckförmiges Signal, angelegt wird. Für die unterschiedlichen Aussteuerun­ gen des Meßwandlers ermittelt die Signalauswerteeinrichtung aus den Ausgangssignal des Meßwandlers sowohl für die Grund­ schwingung als auch für die Oberschwingung jeweils unter­ schiedliche Amplituden mit unterschiedlichen zugeordneten Phasenlagen.

Die in der jeweiligen Korrektureinrichtung gespeicherten In­ formationen über den Fehlwinkel des Meßwandlers in Abhängig­ keit von seiner Aussteuerung bestehen vorzugsweise aus minde­ stens zwei unterschiedlichen Aussteuerungswerten und zugeord­ neten Fehlwinkelwerten, wobei die Korrektureinrichtung für einen zwischen den Aussteuerungswerten liegenden Wert der Si­ gnalhöhe der Grund- bzw. Oberschwingung durch Interpolation zwischen den Fehlwinkelwerten einen Korrekturwinkel ermit­ telt, um den die ermittelte Phasenlage korrigiert wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meß­ geräts und

Fig. 2 ein Beispiel für die Abhängigkeit des Fehlwinkels eines Strom-Meßwandlers von seiner Aussteuerung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgeräts 1, hier für ein Dreileiter-Wechselspannungsnetz 2. Das Meßgerät 1 umfaßt drei Strom-Meßpfade 3, 4 und 5 sowie zwei Spannungs-Meßpfade 6 und 7. Jeder der Strom-Meßpfade 3, 4 und 5 weist jeweils einen Strom-Meßwandler 8, 9 und 10 auf, der eingangsseitig (primärseitig) an einer der drei Leitungen 11, 12 und 13 des Wechselspannungsnetzes 2 angeschlossen ist. Die beiden Spannungs-Meßpfade 6 und 7 enthalten jeweils einen Spannungs-Meßwandler 14 und 15, der eingangsseitig zwischen den Leitungen 11 und 12 bzw. 12 und 13 liegt. Darüber hinaus ist eine Vielzahl anderer bekannter Schaltungsvarianten zum Abgreifen der Ströme und. Spannungen in dem Wechselspannungs­ netz 2 möglich.

An den (sekundärseitigen) Ausgängen der Meßwandler 3 bis 7 sind Signalauswerteeinrichtungen 16 bis 20 angeschlossen, die aus den Ausgangssignalen der jeweiligen Meßwandler 3 bis 7 die Signalhöhen (Amplituden oder Effektivwerte) und Phasen­ lagen der Grundschwingungen und ausgewählter Oberschwingungen ermitteln. Dazu enthält, wie dies stellvertretend für die baugleichen Strom-Meßpfade 3, 4 und 5 am Beispiel des Strom- Meßpfades 3 sowie stellvertretend für die Spannungs-Meßpfade 6 und 7 am Beispiel des Spannungs-Meßpfades 6 dargestellt ist, die betreffende Signalauswerteeinrichtung 16 bzw. 19 eine dem jeweiligen Meßwandler 8 bzw. 14 nachgeordnete Si­ gnalvorverarbeitungseinrichtung 21 bzw. 22, in der die Aus­ gangssignale der Meßwandler 8 bzw. 14 aufbereitet, abgetastet und digitalisiert werden. Den Signalvorverarbeitungseinrich­ tungen 21 und 22 sind Signalverarbeitungseinrichtungen 23 und 24 nachgeordnet, in denen aus den digitalisierten Signalen durch Fast-Fourier-Transformation (FFT) die Signalhöhen, Fre­ quenzen und Phasenlagen der Grund- und Oberschwingungen be­ rechnet werden. Diese berechneten Spannungs- und Stromwerte werden einer allen Meßpfaden 3 bis 7 gemeinsamen Rechenein­ richtung 25 zugeführt, in der aus den Spannungs- und Strom­ werten die Werte von weiteren elektrischen Größen des Wech­ selspannungsnetzes 2 wie Wirkleistung, Blindleistung, Lei­ stungsfaktor usw. berechnet und zusammen mit den Spannungs- und Stromwerten an einem Ausgang 26 ausgegeben werden.

Die bei dem Meßgerät 1 zum Einsatz kommenden Meßwandler 8, 9, 10, 14 und 15 weisen entsprechend dem stetigen Trend zur Miniaturisierung eine geringe Baugröße auf, so daß insbeson­ dere die Strom-Meßwandler 8, 9 und 10 einen von ihrer jewei­ ligen Aussteuerung abhängigen Fehlwinkel δ aufweisen. Dieser aussteuerungsabhängige und darüber hinaus auch frequenzabhän­ gige Fehlwinkel δ addiert sich zu den in den Signalauswerte­ einrichtungen 16, 17 und 18 ermittelten Phasenlagen der Grund- und Oberschwingungen und führt daher bei der Berech­ nung von phasenwinkelabhängigen Größen, wie z. B. dem Lei­ stungsfaktor, zu Fehlern.

Der Signalverarbeitungseinrichtung 23 ist daher für die Grundschwingung eine Korrektureinrichtung 27 nachgeordnet, in der die für die Grundschwingung ermittelte Phasenlage in Ab­ hängigkeit von der der aktuellen Aussteuerung des Strom-Meß­ wandlers 8 entsprechenden, ermittelten Signalhöhe der Grund­ schwingung sowie aufgrund von in der Korrektureinrichtung 27 gespeicherten Informationen über die Abhängigkeit zwischen dem grundschwingungsbezogenen Fehlwinkel δ des Strom-Meßwand­ lers 8 und seiner Aussteuerung korrigiert wird. Bei dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich auch für die Oberschwingungen entsprechende Korrektureinrichtungen 28 vor­ gesehen, in denen jeweils die für die Oberschwingungen ermit­ telten Phasenlagen in Abhängigkeit von den ermittelten Si­ gnalhöhen der Oberschwingungen sowie aufgrund von in den Kor­ rektureinrichtungen 28 gespeicherten Informationen über die Abhängigkeit zwischen den oberschwingungsbezogenen Fehlwin­ keln δ des Meßwandlers 8 und seiner Aussteuerung korrigiert werden. Da für die meisten Meßzwecke die Phasenlage der Grundschwingung von entscheidender Bedeutung ist, können die Korrektureinrichtungen 28 für die Oberschwingungen auch ent­ fallen. Entsprechendes gilt auch für die Spannungs-Meßpfade 6 und 7, da der Fehlwinkel bei den Spannungs-Meßwandlern 14 und 15 weitaus geringer ist als bei den Strom-Meßwandlern 8, 9 und 10.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für die Abhängigkeit des Fehlwinkels δ des Strom-Meßwandlers 8 von der durch den primärseitigen Strom I gegebenen Aussteuerung. Diese Abhän­ gigkeit 29 gilt für eine bestimmte Frequenz, z. B. die Fre­ quenz der Grundschwingung des Stromes I, und sieht bei ande­ ren Frequenzen, also denen der Oberschwingungen, anders aus. Der Arbeitsbereich des Strom-Meßwandlers 8 liegt zwischen den Stromwerten I₁ und I₂. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Ab­ hängigkeit 29 innerhalb des Arbeitsbereiches des Strom-Meß­ wandlers 8 nahezu linear, so daß die Abhängigkeit 29 hinrei­ chend genau durch eine Gerade 30 beschrieben werden kann, die die für die beiden Stromwerte I₁ und I₂ ermittelten Fehlwin­ kel δ₁ und δ₂ enthält.

Zur Ermittlung der in der Korrektureinrichtung 27 abzuspei­ chernden Informationen über die Abhängigkeit 29 zwischen dem grundschwingungsbezogenen Fehlwinkel δ des Strom-Meßwandlers 8 und seiner Aussteuerung I wird der Strom-Meßwandler 8 ein­ gangsseitig mit einem siriusförmigen Strom beaufschlagt, des­ sen Frequenz der Grundschwingungsfrequenz entspricht und des­ sen Amplitude bzw. Effektivwert zunächst auf einen ersten Wert, z. B. I₁, und anschließend auf einen zweiten Wert, z. B. I₂, eingestellt wird. Die Signalverarbeitungseinrich­ tung 23 berechnet somit die Signalhöhen (Amplituden oder Effektivwerte) und Phasenlagen zweier unterschiedlicher aber frequenzgleicher Grundschwingungen, wobei die ermittelten Phasenlagen den beiden Fehlwinkeln δ₁ und δ₂ entsprechen. Diese ermittelten Signalhöhen und Phasenlagen bilden die in der Korrektureinrichtung abgespeicherten Informationen. Wird bei einem späteren Meßvorgang durch die Signalverarbeitungs­ einrichtung 23 eine Grundschwingung mit einer Signalhöhe I₃ ermittelt, so wird die gleichzeitig damit ermittelte Phasen­ lage der Grundschwingung um einen Korrekturwinkel δ₃ korri­ giert, der durch Interpolation zwischen den in der Korrektur­ einrichtung 27 gespeicherten Wertepaare (I₁, δ₁) und (I₂, δ₂) berechnet wird.

Die Genauigkeit der Fehlwinkelkorrektur kann dadurch erhöht werden, daß weitere Wertepaare (I₁, δ₁) innerhalb des Ar­ beitsbereichs des Strom-Meßwandlers 8 ermittelt werden und der Korrekturwinkel δ₃ durch Interpolation, beispielsweise mit Hilfe von Newton-Polynomen, berechnet wird.

Claims (4)

1. Meßgerät zur Ermittlung von elektrischen Größen eines Wechselspannungsnetzes (2) mit zumindest einem Meßpfad (3), bestehend aus einem eingangsseitig an dem Wechselspannungs­ netz (2) angeschlossenen Meßwandler (8) und einer an dem Meß­ wandlerausgang angeschlossenen Signalauswerteeinrichtung (16), die aus dem Ausgangssignal des Meßwandlers (8) die Si­ gnalhöhe und Phasenlage der Grundschwingung ermittelt, da­ durch gekennzeichnet, daß der Signalauswerteeinrich­ tung (16) eine Korrektureinrichtung (27) zugeordnet ist, in der Informationen über den grundschwingungsbezogenen Fehlwin­ kel (δ) des Meßwandlers (8) in Abhängigkeit von seiner Aus­ steuerung gespeichert sind, und daß die Korrektureinrichtung (27) die ermittelte Phasenlage der Grundschwingung in Abhän­ gigkeit von der für die Grundschwingung ermittelten Signal­ höhe und den abgespeicherten Informationen korrigiert.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalauswerteeinrichtung (16) aus dem Aus­ gangssignal des Meßwandlers (8) zusätzlich die Signalhöhe und Phasenlage zumindest einer harmonischen Oberschwingung ermit­ telt, daß der Signalauswerteeinrichtung (16) zumindest eine weitere Korrektureinrichtung (28) zugeordnet ist, in der In­ formationen über den oberschwingungsbezogenen Fehlwinkel des Meßwandlers (8) in Abhängigkeit von seiner Aussteuerung ge­ speichert sind, und daß die Korrektureinrichtung (28) die er­ mittelte Phasenlage der Oberschwingung in Abhängigkeit von der für die Oberschwingung ermittelten Signalhöhe und den abgespeicherten Informationen korrigiert.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in der jeweiligen Korrektureinrichtung (27, 28) gespeicherten Informationen aus zumindest zwei un­ terschiedlichen Aussteuerungswerten (I₁, I₂) und zugeordneten Fehlwinkelwerten (δ₁, δ₂) bestehen und daß die Korrekturein­ richtung (27, 28) für einen zwischen den Aussteuerungswerten (I₁, I₂) liegenden Wert der ermittelten Signalhöhe durch In­ terpolation zwischen den Fehlwinkelwerten (δ₁, δ₂) einen Kor­ rekturwinkel (δ₃) ermittelt, um den die ermittelte Phasenlage korrigiert wird.

4. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (8) eine eine Abhängigkeit seines Fehlwinkels (δ) von der Aussteuerung des Meßwandlers (8) in seinem Arbeitsbereich zulassende Bau­ größe aufweist.