DE2059721C3

DE2059721C3 - Elektrizitätszähler mit einer Schaltungsanordnung aus elektronischen Bauelementen zur Bildung des Produktes von Netzspannung und Verbraucherstrom

Info

Publication number: DE2059721C3
Application number: DE2059721A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. 3251 Aerzen Tschumpel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1981-08-20
Also published as: FR2116543B1; FR2116543A1; DE2059721B2; CH539853A; DE2059721A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrizitätszähler mit einer Schaltungsanordnung aus elektronischen Bauelementen zur Bildung des Produktes von Netzspannung und Verbraucherstrom unter Verwendung eines Sägezahngenerator.

Ein Zähler dieser Art ist in der DE-AS 11 02 274 beschrieben. Hierbei wird als Produkt einer netzspannungs- und einer verbraucherstromproportionalen Wechselspannung ein Strom gebildet, der durch eine mittels eines elektronischen Schalters erfolgende solche periodsiche Durchschaltung eines von der verbraucherstromproportionalen Spannung abgeleiteten Stromes gebildet ist, daß das Verhältnis der Durchschaltdauer zur Schaltperiodendauer proportional der netzspannungspfoportionalen Spannung isL Das Durchschalten des Stromes erfolgt durch eine aus einer konstanten Hilfsgleichspannung und der netzspannungsproportionalen Spannung gebildete Differenzspannung. Diese Schaltungsanordnung läßt sich allerdings nur innerhalb eines kleinen Bereiches der Netzspannung verwenden. Außerdem arbeitet sie nur mit einer minderen Genauigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs erwähnten Elektrizitätszähler so weit zu verbessern, daß sowohl die Größe der Netzspannung als auch die des Verbraucherstromes keiner Beschränkung unterliegt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die. Frequenz lies Sägezahngenerators, dessen Sägezahnsteilheit durch einen dem Verbraucherstrom und dem Cosinus des Phasenwinkels proportionalen Strom und dessen Sägezahnhöhe durch eine dem reziproken Wert der Effektivspannung proportionale Spannung bestimmt ist, als Leistungsmaß dient. Der die Sägezahnsteilheit bestimmende Strom ist von einer über einen Tiefpaß gebildeten Spannung abgeleitet, die ihrerseits dem Mittelwert eines über einen Stromwandler vom Verbraucherstrom transformierten und während einer Halbwelle der Netzspannung (z. B. der positiven) mit Hilfe eines Steuerschalters durchgeschalteten Stromes proportional ist. Die dem reziproken Wert der Effektivspannung proportionale Spannung wird über einen Spannungswandler in der Weise gewonnen, daß die Sekundärspannung unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters einem Tiefpaß zugeführt und die Ausgangsspannung des Tiefpasses auf einen Spannungs/Frequenz-Umformer geschahst ist, der seinerseits einen elektronischen Schalter betätigt, wobei dieser auf einen mit konstanter Steigung arbeitenden Sägezahngenerator die Anstiegszeit bestimmend einwirkt und über einen Tiefpaß ein Mittelwert der Sägezahnspannung gebildet wird. Zwecks Umstellung der Schaltung auf Blindverbrauchszählung wird der Steuerschalter jeweils vom positiven bis zum nachfolgenden negativen Maximum (bzw. umgekehrt) der Netzspannung durchgeschaltet. Die Schaltung läßt sich auch für Scheinverbrauchszählung anwenden, wenn der vom Stromwandler gelieferte Strom über einen Gleichrichter direkt einem Tiefpaß zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung in einem Impedanzwandler in den auf den Sägezahngenerator einwirkenden Strom umgewandelt wird.

Anhand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert.

Der im Blockschaltbild dargestellte Elektrizitätszähler besteht zunächst aus Spannungswandler 5p- W und einem Stromwandler St- W, die die beiden Meßgrößen. Netzspannung und Verbraucherstrom auf in elektronischen Schaltungen verarbeitbare Werte transformieren.

fe5 Die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist durch eine niederohmige Bürde B abgeschlossen. Der Spannungswandler hat eine Sekundärwicklung, die durch nachfolgende elektronische Schaltungen vernach-

lässigbar belastet ist so daß er im Leerlauf arbeitet Vom Sekundärstrom des Stromwandlers St-W wird ein kleiner Meßstrom abgezweigt und über einen elektronischen Schalter 1 auf einen Tiefpaß 2 geführt (die gestrichelt gezeichneten Funktionsblöcke 13 und 14 sind für die vorliegende Betrachtung unwesentlich und wegzudenken; s.u.). Der elektronische Schalter wird nach Maßgabe der Netzspannung über eine Steuerschaltung 5 an die Sekundärseite des Spannungswandlers angeschlossen. Durch die Steuerschaltung wird der elektronisch? Schalter 1 jeweils für eine Halbperiode der Netzspannung, und zwar entweder während der positiven oder der negativen Halbwelle durchgeschaltet und während der anderen nachfolgenden Halbwelle gesperrt Der Phasenwinkel φ zwischen der Netzspannung Sl und dem Verbraucherstrom j bestimmt somit den während einer Periode »ausgeschnittenen« Bereich des Stromes. Der arithmetische Mittelwert dieser Stromwellenanteile, d. h. der Wert des Integrals

20

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= -^r idf

ist proportional dem Maximalwert / des Stromes / und dem Leistungsfaktor cos φ:

i ~ 1 ■ cos ψ.

Die Mittelwertbildung erfolgt im Tiefpaß 2, dessen Ausgangsgröße eine Spannung ist. Diese Spannung wird auf den Eingang eines Impedanzwandlers 3 gegeben, der die Eingangsspannung in einen proportionalen Strom umsetzt, mit dem ein Sägezahngenerator 4 ausgesteuert wird. Der Strom bestimmt die Steilheit des Sägezahns und damit die Frequenz. Die Abhängigkeit der Frequenz des Sägezahngenerators von der Netzspannung als zweitem Faktor des zu bildenden Produktes wird durch einen Teil der Sekundärspannung des Spannungswandlers, die auf den Eingang eines Funktionsblockes 6 gegeben ist, herbeigeführt. In dem Block 6 wird diese Spannung zunächst gleichgerichtet und von der gleichgerichteten Spannung in einem entsprechend ausgelegten Tiefpaß der Mittelwert gebildet Dieser Wert ist proportional dem Effektivwert der Netzspannung. In einem dem Tiefpaß nachgescha'lteten Spannungs/Frequenz-Umformer wird eine der Ausgangsspannung des Tiefpasses proportionale Frequenz abgegebe.i, mit welcher ein elektronischer Schalter 8 betätigt wird. Eine Konstantstromquelle 10 erzeugt im Zusammenspiel mit dem elektronischen Schalter S in einem Sägezahngenerator 9 eine linear ansteigende Sägezahnspannung mit der gleichen Frequenz, wie sie am Ausgang des Spannungs/Frequenz-Umformers ansteht. Da die Konstantstro.nquelle ständig für konstante Steigung der Sägezahnspannung sorgt, sind Amplitude und Mittelwert der Sägezahnspannung abhängig von der Frequenz. In einem nachgeschalteten Tiefpaß 11 wird ein Mittelwert der Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 9 gebildet Dieser Mittelwert ist reziprok proportional der Frequenz des Spannungs/Frequeaz-Umformers und damit der Netzspannung. Die Frequenz der in dem Sägezahngenerator 4 erzeugten Sägezahnspannung läßt sich nach der Beziehung

J Γ· . TT

angeben, wenn dafür gesorgt ist daß es sich um einen linear ansteigenden Sägezahn handelt. Wird die Sägezahnspannung über eine Kondensatoraufladung gewonnen, dann ist in der angegebenen Beziehung für die Frequenz /_A/der Ladestrom, Upder Spitzenwert der Spannung und Q als Konstante die Kapazität des Kondensators. LJp ist die am Ausgang des Tiefpasses 11 gewonnene Spannung, für die

U_P

eSS

gilt. Wird diese Abhängigkeit in die Gleichung für die Frequenz eingesetzt, dann ergibt sich der Zusammenhang

/ = Ki ■ l_M ■
bzw. mit I_M
/= K₂-U_ef

■ J cos q und J ~ l_eis

Am Ausgang des Sägezahngenerators können Nadelimpulse der Frequenz f, die der Leistung proportional ist, abgenommen werden. Diese Impulse werden in einem nachgeschalteten Impulsverstärker 12 verstärkt und auf einen nicht dargestellten Dezimaizähler gegeben, dessen Zählerstand die abgegebene oder aufgenommene Arbeit repräsentiert.

Handelt es sich bei der Netzspannung oder dem Verbraucherstrom um Größen, die stark von der Sinusform abweichende Funktionen darstellen, dann sind die den Wandlern nachgeschalteten Tiefpässe 13 und 14 erforderlich, wenn vorgegebene Genauigkeitsgrenzen nicht überschritten werden dürfen. Der Oberwellengehalt der Meßgrößen bedingt dann keinen Fehler am Ausgang der elektronischen Meßeinrichtung. Durch diese Tiefpässe wird aber auch andererseits

so verhindert, daß eine evtl. vorhandene Oberwellenleistung, die auftritt, wenn Spannung und Strom Oberwellen gleicher Frequenz enthalten, erfaßt wird. Im Rahmen der Meßgenauigkeit von Elektrizitätszählern in Haushalten, in denen die beschriebene Meßeinrichtung vorzugsweise eingesetzt werden soll, ist dieser Leistungs- bzw. Arbeitsanteil von vernachlässigbarer Größenordnung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrizitätszähler mit einer Schaltungsanordnung aus elektronischen Bauelementen zur Bildung des Produktes von Netzspannung und Verbraucherstrom unter Verwendung eines Sägezahngenerators, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Sägezahngenerators (4), dessen Sägezahnsteilheit durch einen dem Verbraucherstrom und dem Cosinus des Phasenwinkels proportionalen Strom (Im) und dessen Sägezahnhöhe durch eine dem reziproken Wert der Effektivspannung proportionale Spannung (U₁) bestimmt ist, als Leistungsmaß dient.

2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Sägezahnsteilheit bestimmende Strom (Im) von einer über einen Tiefpaß gebildeten Spannung (Um) abgeleitet ist, die ihrerseits dem Mittelwert eines über einen Stromwandler vom Verbraucherstrom transformierten und während der positiven bzw. negativen Halbwelle der Netzspannung mit Hilfe e'nes Steuerschalters (1) durchgeschalteten Stromes proportional ist.

3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem reziproken Wert der Effektivspannung proportionale Spannung (Up) über einen Spannungswandler (Sp- W) in der Weise gewonnen wird, daß die Sekundärspannung unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters einem Tiefpaß (6) zugeführt und die Ausgangsspannung des Tiefpasses auf einen Spannungs/Frequenz-Umformer (7) geschaltet ist, der seinerseits einen elektronischen Schalter (8) betätigt, wobei dieser auf einen mit konstanter Steigung arbeitenden Sägezahngenerator (9) die Anstiegszeit bestimmend einwirkt und über einen weiteren Tiefpaß (11) ein Mittelwert der Sägezahnspannung gebildet wird.

4. Elektrizitätszähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator (9) von einer Konstantstromquelle (10) gesteuert ist.

5. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sägezahngenerator (4) ein Impulsverstärker (12) nachgeschaltet ist, der seinerseits auf einen dekadischen Zähler einwirkt.

6. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Umstellung der Schaltung auf Blindverbrauchszählung der Steuerschaltung (1) jeweils vom positiven bis zum negativen Maximum (bzw. umgekehrt) der Netzspannung durchgeschaltet ist.

7. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Umstellung der Schaltung auf Scheinverbrauchszählung der vom Stromwandler (St- W) gelieferte Strom über einen Gleichrichter direkt einem Tiefpaß (2) zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung in einem Impedanzwandler (3) in den auf den Sägezahngenerator (4) einwirkenden Strom (Im) umgewandelt wird.