DE2128883C3

DE2128883C3 -

Info

Publication number: DE2128883C3
Application number: DE2128883A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 8501 Schwarzenbruck Schwendtner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-11
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1974-06-20
Also published as: GB1383113A; FR2140532B1; DE2128883B2; AT319394B; NL7204165A; CH535435A; US3731190A; IT956375B; SE371018B; JPS5149430B1; DE2128883A1; FR2140532A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des elektrischen Verbrauchs entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung (Lieferung und Bezug) mit einem elektronischen kWh-Zähler, bei welchem die Ausgangsgröße eines das Produkt aus Strom und Spannung bildenden Multiplikators in eine Impulsfolge gleicher Wertigkeit umgewandelt wird, und der einen Integrator und zwei diesem nachgeschaltete Grenzwertstufen sowie eine bistabile Kippstufe aufweist, welche nach Erreichen eines dem Impulswert entsprechenden Zeitintegrals die Polarität der Eingangsgröße des Integrators umkehrt. Elektronische Zähler, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind beispielsweise beschrieben in der deutschen Auslegeschrift 1254053, deutschen Offenlegungsschrift 245, deutschen Offenlegungsschrift 2 049 859.

An großen Ubergabestellen zwischen verschiedenen Elektrizitätsversorgungsunternehmen kann sich die Energiefiußrichtung ändern. Es ist daher nötig, die Energiemenge nach »Lieferung« und »Bezug« getrennt zu messen bzw. anzuzeigen. Die bisher an diesen Stellen eingesetzten kWh-Zähler können die Energiemengen nur in einer Richtung mit der gewünschten Genauigkeit messen. Daher ist man gezwungen, zwei solcher Präzisionsinstrumente einzusetzen.

Es ist auch schon ein Elektrizitätszähler bekannt, der für beide Energieflußrichtungen eingesetzt werden kann. Um den Fehler in der anderen Drehrichtung auszuschalten, ist eine von der Drehrichtung des Zählerankers abhängige Einrichtung vorgesehen, die ein Kompensationsmittel einschaltet, welches den bei Rücklauf des Ankers entstehenden Fehler kompensiert. Die hierfür notwendigen zusätzlichen Kompensationsmittel erfordern nicht nur einen Mehraufwand und erhöhten Raumbedarf, sondern sind auch schwierig zu justieren.

Ferner ist ein Zähler für beide Energieflußrichtungen bekannt (deutsche Patentschrift 1516 966), bei dem eine energieflußrichtungsabhängige Vorrichtung eine Umschaltung im Zähler-Spannungs- oder Strompfad vornimmt, wobei diese Vorrichtung bei Umkehr der Energieflußrichtung eine Umpolung der Spannungsoder Stromspule des Zählers vornimmt, sowie ein eingebautes Zwei-Tarif-Zählwerk umschaltet. Durch diese energieflußrichtungsabhängige Vorrichtung oder diesen Drehrichtungs-Diskriminator wird also jedesmal, wenn sich die Drehrichtung des Zählers infolge eines Eaergierichtungswechseis umkehrt, d.h. wenn der Lähler nach rückwärts laufen will, der Spannungsoder Strompfad so umgeschaltet, daß der Zähler bei jeder Fnergierichtung vorwärts läuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur störungsfreien Messung des Verbrauches der entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung mit einem elektronischen kWh-Zähler zu schaffen, wie er eingangs näher definiert ist. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist da-' durch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Integrators zusätzlich noch zwei Grenzwertstufen mit gegenüber den anderen beiden höheren Ansprechspannungen und eine diesen nachgeschaltete Kippstufe angeschlossen sind, daß die Ausgangssignale dieser und der anderen Kippstufe einmal den Eingängen einer Exklusiv-Oder-Schaltung zugeführt werden, deren Ausgangssignal die Polaritätsumschaltung im Eingangskreis des Integrators bewirkt und zum anderen über Tor-Schaltungen zwecks Auswertung dieser je einem Zählwerk für Bezug und einem für Lieferung zugeführt werden und daß am Ausgang der Grenzwertstufen Schaltglieder angeschlossen sind, über die an den Eingang des Integrators ein Kompensationsstrom solcher Größe und Polarität gelegt werden kann, daß die Ausgangsspannung des Integrators gegen Null geführt wird. Auf diese Weise wird die Zuordnung zwischen dem Ausgangssignal der bistabilen Kippstufen und der Polarität am Eingang des Integrators verlauscht, so daß nun mit dem gleichen Zähler sowohl die gelieferte als auch die bezogene Energie mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden kann.

Im Zusammenhang mit elektronischen kWh-Zählern, bei denen Divisions-Multiplizierer verwendet sind (deutsche Offenlegungsschriften 1 946 245 und 2 049 859) ist es bekannt, für die Polaritätsumschaltung die elektronischen Schalter heranzuziehen, welche vom Prinzip her zur Produktbildung für die Durchschaltung einer von einer der beiden Meßgrößen abgeleiteten Größe und der invertierten Größe benötigt werden. Aus diesem Grund werden bei diesen bekannten Multiplizierern Exklusiv-Oder-Gatter verwendet, deren Ausgänge die diesen zugeordneten elek-

tronischen Schalter beeinflussen, wobei die einen Eingänge der Exklusiv-Oder-Gatter von den beiden Grenzwertstufen und die anderen Eingänge mit den Ausgängen eines Modulators des Multiplizierers verbunden sind. Sollen solche Anordnungen zur Messung des elektrischen Verbrauchs entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung herangezogen werden, so ist in diesem Falle die Exklusiv-Oder-Schaltung gemäß der Erfindung dem Eingang des vorerwähnten Exklusiv-Oder-Gatters zuzuordnen, der mit den Grenzwertschaltern in Verbindung steht

An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltungsprinzip eines elektronischen kWh-Zählers für beide Energieflußrichtungen,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators bei ein und derselben Energieflußrichtung,

F i g. 3 den zeitlichen Verlaurder Ausgangsspannung des Integrators bei einem Energiefluß-Richtungswechsel ohne die zusätzliche Einrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 4 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators bei einem Energiefluß-Richtungswechsei bei vorhandener zusätzlicher Einrichtung,

F i g. 5 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators bei Vorhandensein von Nullpunktfehlern und -driften ohne Energiefluß,

F i g. 6 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators sowie der Spannungen und Signale an den verschiedenen Stufen bei Vorhandensein einer erfindungsgemäßen Fehlerkompensation,

F i g. 7 eine übersichtliche Darstellung der verschiedenen Schwellwertspannungen, bei denen die Grenzwertschalter ansprechen.

In F i g. 1 ist der eigentliche Multiplizierer nicht dargestellt, sondern durch zwei Spannungsquellen versinnbildlicht, die die Spannungen + LZ₀ und - U₀ abgeben. Normalerweise ist die Spannung U₀ einer zu bestimmenden Wirkleistung proportional, die von irgendwelchen Leistungsmeßumformern geliefert wird. über die Kontakte S₁ und S₂ eines Relais S können die Spannungen -f U₀ und - U₀ über einen Widerstand R₀ auf einen Integrator gegeben werden, an dessen Ausgang eine Spannung U₀ erscheint, die mit Hilfe von Grenzwertstufen 71 und 72 (Trigger) eine bistabile Kippstufe JIi 1 derart beeinflussen, daß über ein Relais S die Spannung U₀ abhängig vom Wert U₀ am Ausgang des Integrators / abwechselnd positiv und negativ auf den Eingang des Integrators / geschaltet wird. Die Spannung U₀ hat einen Verlauf, wie er in Fig. 2 gezeigt ist. Liegt beispielsweise - U₀ am Integrator / und erreicht die Spannung U₀ den Wert U₁, so spricht die ürenzwertstufe 71 an und veranlaßt die Kippstufe Ml. den entgegengesetzten Zustand einzunehmen, über eine Schaltstufe A wird das Relais S an Spannung gelegt, daß nunmehr die Spannung + U₀ am Eingang des Integrators / anliegt, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Dadurch ändert sich der Verlauf der Spannung U₀, bis sie den Wert U₂ erreicht. In diesem Falle spricht die Grenzwertstufe Γ 2 an und stellt die Kippstufe Af1 in ihre ursprüngliche Lage zurück. Das Relais S fällt ab, und über Kontakt S₂ erhält der Integrator / wieder den Spannungswert — U₀. An dem Ausgang der bistabilen Kippstufe Ml ist ferner noch ein Zählwerk ZWi angeschaltet, das um eine Einheit weiter zählt, wenn die bistabile Kippstufe Af1 vom Zustand »L« in den Zustand »0« kippt Die bistabile Kippstufe AfI .ist ein sogenanntes Ä-S-Flip-Flop; es ändert seinen Ausgangszustand daher nur dann, wenn es nach Setzen durch den einen Eingang durch den jeweils anderen Eingang 2urückgesetzt wird. Dem Eingang Ji der bistabilen Kippstufe Af 1 ist die Grenzwertstufe T1 und dem Eingang S die Grenzwertstufe Tl zugeordnet. Die Grenzwertstufe Tl spricht bei U₁ und die Grenzwertstufe Tl bei der Spannung U₂ an. Eine mehrmalige Impulsgabe durch die Grenzwertstufen T1 bzw. Tl ändert also am Zustand der bistabilen Kippstufe M1 nichts, wenn nicht zwischenzeitlich die jeweils andere Stufe angesprochen hat

F ig. 2 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators U₀, wenn der Energiefluß in einer Richtung stattfindet.

F i g. 3 zeigt nun die Verhaltensweise der beschriebenen Schaltungsanordnung, falls sich zum Zeiipunkt r₂ die Energieflußrichtung ändert. Zum Zeitpunkt I₁ hat die Grenzwertstufe Tl angesprochen, und die bistabile Kippstufe Af 1 hat einen solchen Zustand eingenommen, daß IU₀/If > 0 ist Zum Zeitpunkt I₂ möge sich jetzt die Polarität von U_n ändern, so daß AUJH < 0 wird. Im Zeitpunkt f₃ spricht die Grenzwertstufe Tl wieder an. Die bistabile Kippstufe Ml ändert jedoch voraussetzungsgemäß ihren Schaltzustand nicht, so daß das Relais S nicht anspricht. Die Spannung U₀ steigt jetzt über den Wert U₂ an bis zur Sättigungsspannung - U₅ des Integrators /. Danach ist die gesamte Schaltungsanordnung blockiert. Dieser Zustand tritt ein, wenn die Spannung U₀ — die n.ach Voraussetzung der zu messenden Wirkleistung proportional sein soll — durch Leistungsumkehr am Meßpunkt — z. B. einer Übergangsstelle — ihr Vorzeichen ändert. Diese Blockierung ist erwünscht, wenn der Energiefluß nur in einer Richtung erfaßt werden soll. Sie verhindert ein Leerlaufen des kWh-Ziihlers.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine bevorstehende Blockierung rechtzeitig festzustellen und Schalthandlungen derart auszuführen, daß die Blockierung aufgehoben wird und bei Fortdauer des Zustandes, der ursprünglich zur Blokkierung führte, die der zu messenden Energiemenge entsprechenden Zählimpulse einem zweiten Zählwerk ZW2 zuzuführen. Es werden also die Änderungen des Zustandes der bistabilen Kippstufe Ml von »L« auf »0« festgestellt und als Zählimpulse verwertet.

Zu diesem Zweck sind noch zwei weitere Grenzwertstufen 73 und 74 und eine weitere Kippstufe M 2 vorgesehen. Außerdem wird eine Exklusiv-Oder-Schaltung A eingesetzt. Die Wirkungsweise wird an Hand der F i g. 1 und 4 erläutert. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, gelten folgende Beziehungen: U₃ > U₁ und U₄ < U₂.

Für L₀ > 0 gelten folgende Festlegungen: »!,«-Signal am Ausgang der Kippstufe Ml legt +L₀ über Schaltkontakt S₁ an den Eingang des Integrators /. »O«-Signal legt die Spannung - U₀ über den Schaltkontakt S₂ an den Eingang des Integrators /. A hat die übertragungsfunktion: a = ml; für ml = »0«; a = m 1; für m 2 = »L«.

In Fig. 4 hat zum Zeitpunkt t, die Grenzwerlstufe 72 angesprochen. Dadurch wird ml = »0« und entsprechend Λ UJA t > 0, und zwar wegen der Signalinvertierung durch den Integrator /. Im Zeitpunkt t₂ soll durch Energierichtungsumkehr die Spännung

U₀ < O werden. Da sich am Zustand des Relais S nichts ändert, wird Δ UJA t < O. Zur Zeit t₃ spricht die Grenzwertstufe Tl erneut an; es ändert sich aber das Ausgangssignal der Kippstufe Ml nicht. Hat die Spannung U_a den Wert U₄. erreicht, spricht die Grenzwertstufe T 4 än_und setzt die Kippstufe M 2 auf »L«. Wegen a = ml vertauscht sich jetzt die Zuordnung zwischen der Kippstufe M1 und dem Relais S, d. h., es wird der Stromkreis zum Kontakt S₂ geöffnet und der Stromkreis zum Schaltkontakt S₁ geschlossen. Da voraussetzungsgemäß U₀ < 0 sein soll, ist auch +U₀ < 0, so daß jetzt WJ U > 0 wird.

Sobald die Grenzwertstufe TA angesprochen hat (ml = »L«), werden über die Tor-Schaltung N die von der Kippstufe M1 kommenden Zählimpulse auf das Zählwerk ZW2 geleitet; während das Zählwerk ZWl beispielsweise den Bezug der Energie registriert, registriert das Zählwerk ZW2 die gelieferte Energie.

Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, weist die erfindungsgemäße bcnaltungsanordnung noch zwei Schaltglieder B1 und Bl auf, die in Form von Relais dargestellt sind und von den Ausgängen der Grenzwertstufen T 3 und TA erregt werden. Mit Hilfe dieser Schaltglieder Bl und B 2 kann an den Eingang des Integrators über einen Widerstand R eine positive oder eine negative Kompensationsspannung +U_c bzw. — U_c gelegt werden, die einen entsprechenden Kompensationsstrom I_k hervorrufen. Die Wirkungsweise wird an Hand der F i g. 5 und 6 näher erläutert.

Bei jedem realen Integrator treten Fehlerspannungen und Fehlerströme auf. Sie führen dazu, daß die Ausgangsspannung U₀ des Integrators / sich auch dann ändert, wenn die Eingangsspannung U_e am Eingang des Integrators gleich Null ist. Da die Fehlergrößen des Integrators in ihrer Richtung und Größe unabhängig von der Lage des Schalters S sind, gilt nach F i g. 5 folgendes: zur Zeit I₀ sei m 2 = »0« und die Spannung U, = 0. Wegen der vorhandenen Fehlergrößen ändert sich die Ausgangsspannung U_a des Integrator / dennoch langsam. Zum Zeitpunkt I₁ wird die Schwelle der Grenzwertstufe T\ erreicht. Dadurch wird am Verlauf der Spannung U_a nichts geändert. Im Zeitpunkt t₂ spricht die Grenzwertstufe Γ 3 an und schaltet über die Kippstufe Ml und die Exklusiv- Oder-Schaltung A das Zählwert ZW 2 für die andere Energierichtung. Die Spannung U₀ steigt weiter an, bis die Sättigungsspannung + U_s des Integrators J erreicht ist .

Angenommen, zur ZeHi₀ hätte der Schaltzustand »Bezug« bestanden, dann würde im Zeitpunkt I₂ auf »Lieferung« umgeschaltet Wird jetzt im Zeitpunkt r₃ die Spannung U₀ verschieden von Null, und zwar mit einer Polarität, die der Energierichtung »Bezug« entspricht, dann ändert sich die Ausgangsspannung U„ nicht, da ja — hervorgerufen durch die Fehlergrößen des Integrators — der Schaltzustand »Lieferung« besteht; d. h. aber, der kWh-Zähler ist blockiert. Diesen Zustand verhindern die Schalter Bl und B2, die durch die Grenzwertstufen Γ3 und TA betätigt werden. Sobald entweder die Grenzwertstufe Γ3 oder die Grenzwertstufe TA anspricht, wird ein Kompensationsstrom I_k mit einer solchen Polarität auf den Integratoreingang geschaltet, daß die Ausgangsspannung U_e in Richtung auf U_a = 0 zurückgeholt wird. Die absolute Höhe des Stromes I_k wird so gewählt, daß I_k größer als U₀ ^R₀ ist. Die Wirkungsweise sei an Hand von F i g. 6 erläutert.

Das erste Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Integrators U₀, das zweite Diagramm den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung U, des Integrators, das dritte Diagramm den Schaltzustand der Kippstufe M 2, das vierte Diagramm die Abhängigkeit des Kompensationsstromes und das letzte Diagramm den Schaltzustand der Kippstufe Ml.

Im Zeitpunkt t_t spricht die Grenzwertstufe T3 an. Dadurch führt der Ausgang ml »L«-Signal, was z. B. »Lieferung« entspricht. Gleichzeitig wird über die Schaltstufe B1 ein Kompensationsstrom + I_k auf den Eingang des Integrators I geschaltet, bis die Ausgangsspannung des Integrators U₀ um den Betrag. 1U₃ abgesunken ist. 1U₃ ist die Hysteresespannung der Grenzwertstufe Γ 3. Danach wird der Kompensationsstrom abgeschaltet, und die Ausgangsspannung U₀ des Integrators steigt wieder an, bis die Spannung U₃ erreicht ist. Die Grenzwertstufe T 3 spricht an und setzt die Kippstufe M 2 so, daß der Ausgang m 1 das »O«-Signai führt, d. h.. es ist auf »Bezug« geschaltet. Dies setzt sich mehrfach fort

Im Zeitpunkt I₄. ist der Ausgang m 2 der Kippstufe M 2 auf »L«-Signal gesetzt was vereinbarungsgemäß »Lieferung« bedeutet Zum gleichen Zeitpunkt möge Energiebezug auftreten, so daß die Eingangsspannung U, des Integrators / die eingezeichnete Polarität annimmt. Wegen Signalinvertierung durch den Integrator / steigt die Ausgangsspannung U_n jetzt schnell bis zur Spannung U₃ an, schaltet dort über die Grenzwertstufe «Γ3 den Ausgang ml der Kippstufe M 2 auf »0«, d. h., im Zeitpunkt I₅ ist die Anordnung wieder auf »Bezug« geschaltet Von diesem Zeitpunkt an werden die der Energiemenge entsprechenden Zählimpulse auf das richtige Zählwerk ZW1 (»Bezug«) geleitet

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden also für den Bereich der Ausgangsspannung U_n des Integrators I mit Hilfe der Grenzwertstufen Tl bis TA Teilbereiche gebildet mit den Schwellwertspannungen U₁ bis U₄, wie F ί g. 7 zeigt An Stelle der Relais S, Bl und B 2 werden vorzugsweise kontaktlose Schaltelemente verwendet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung des elektrischen Verbrauches entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung (Lieferung und Bezug) mit einem elektronischen kWh-Zähler, bei welchem die Ausgangsgröße eines das Produkt aus Strom und Spannung bildenden Multiplikators in eine Impulsfolge gleicher Wertigkeit umgewandelt wird ω und der einen Integrator und zwei diesem nachgeschaltete Grenzwertstufen sowie eine bistabile Kippstufe aufweist, welche nach Erreichen eines dem Impulswert entsprechenden Zeitintegrals die Polarität der Eingangsgröße des Integrators umkehrt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Integrators (/) zusätzlich noch zwei Grenzwertstufen (Γ3, T 4) mit gegenüber den erstgenannten höheren Ansprochspannungen (U₃, U₄) und eine diesen nachgeschaltete Kippstufe (M 2) angeschlossen sind, daß die Ausgangssignale dieser und der anderen Kippstufe (Ml) einmal den Eingängen einer Exklusiv-Oder-Schaltung (A) zugeführt werden, deren Ausgangssignal d.ie Polaritätsumschaltung (S) im Eingangskreis des Integrators (/) bewirkt und zum anderen über Tor-Schaltungen (N) zwecks Auswertung dieser je einem Zählwerk für Bezug(ZWl) und einem für Lieferung (Z W 2) zugeführt werden und daß am Ausgang der Grenzwertstufen (T3, TA) Schaltglieder (Bl, Bl) angeschlossen sind, über die an den Eingang des Integrators (/) ein Kompensationsstrom (I_k) solcher Größe und Polarität gelegt werden kann, daß die Ausgangsspannung [UJ des Integrators gegen Null geführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I_k) so groß gewählt ist, daß I_k — U_Omax>R_o ist, wobei U₀ ^_x die maximale Eingangsspannung des Integrators und R₀ der Eingangswiderstand des Integrators sind.