DE2343842C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Wechselstromleistung - Google Patents

Description

portional zu MomentanwertL eines Stromes tere proportional zu

sind, abgeleitet werden und miteinander multi- proportionale Eingangssignale ableiten und diese

plizfcrt werden, so daß Produktsignale mit posi- ao beiden Signale miteinander zu multiplizieren Hierbei

liver und negativer Polarität erhalten werden, die wird eine brauchbare Losung fur die Erfassung und

proportional zum Produkt der Strom-und Span- Verarbeitung solcher Signale in loganthmischen

nungsmomentanwerte sind, dadurch ge- Funktionsgeneratoren welche spezieU nach der

kennzeichnet, daß die Produktsignale zu »Time-Division-Mulüphcaüon« (T.D.M.) arbeiten,

einem Summensignal, bei dem die Vorzeichen der x₅ gesehen. Aus dieser Literavurstelle geht noch des we,-

Polaritätei. der Produktsignale berücksichtigt wer- teren hervor, daß eine echte Vierquadrantenmultiph-

den, und ferner zu einem Summensignal ohne Be- kation jedoch nicht möglich ist und nur durch die

riicksichtigung der Polaritäten der Produktsignale zeitliche Auflösung (Zerhacken) erreicht werden

summiert werden und daß das erstgenannte Sum- kann. Deshalb ist eine analoge Anzeige, z. B. auf dem

mensignal durch das letztgenannte Summensignal *o Bildschirm eines Oszilloskopes, nur begrenzt möglich,

dividiert wird, so daß ein Ausgangssignal, welches Im allgemeinen wird die Momentanleistung durch

proportional dem Quotienten der beiden Sum- die Forme: ρ = ui cos φ ausgedruckt, wobei cos φ

mensignale ist, erhalten wird. der Leistungsfaktor ist.

2. Meßvorrichtung für die Wechselstromlei- Es hat sich herausgestellt, daß die Leistungsmes-

stungsmessung mit einer Multipliziereinrichtung, 25 sung bei Wechselvorgängen herkömmlich auf dem

an welche erste, Momentanspannungswerten pro- Konzept beruht, daß die Leistung relativ einfach und

portionale Eingangsimpulse und zweite, Momen- zuverlässig bei Leistungsfaktoren bestimmbar ist, die

tjnstromwerten proportionale Eingangsimpulse nicht allzu stark vom Leistungsfaktor! abweichen,

anlegbar sind und welche die Polaritäten der ersten beispielsweise 0,6 induktiv zu 1 zu 0,6 kapazitiv. Bei

und zweiten Eingangssignale berücksichtigt und 30 niedrigen Leistungsfaktoren jedoch wird die Lei-

als Ausgänge dem algebraischen Produkt der stungsmessung besonders schwierig, und es ergeben

Spannungs- und Strommomentanwerten propor- sich fehlerhafte Resultate. Dies ist auch der Fall bei

tionale Produktsignale mit positiver und negativer transienten bzw. subtransienten Vorgängen.

Polarität liefert zur Durchführung des Verfah- Die Aufgabe, welche durch die Erfindung gelöst

rens nach Anspruch 1, gekennnzeichnet durch 35 wird, besteht darin, bei der Leistungsmessung die

eine Summiereinrichtung (4), die die Polarität der Verwendung des mathematischen Konzeptes des

Produktsignale der Multipliziereinrichtung (1 a, Leistungsfaktors (cos φ) zu vermeiden, und zwar ins-

Ib, Ic) berücksichtigt und ein entsprechendes besondere bei transienten bzw. subtransienten Vor-

Summiersignal aus den Produktsignalen liefert, gangen.

durch eine weitere Summiereinrichtung (5), 40 Gemäß der Erfindung ist das Verfahren der einweiche die Polarität der Produktsignale der MuI- gangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß tipliziereinrichtung (la, 1 ft und 1 c) nicht be- die Produktsignale zu einem Summensignal, bei dem rücksichtigt und ein weiteres Summiersignal aus die Vorzeichen der Polaritäten der Produktsignale den Produktsignalen liefert und durch eine Divi- berücksichtigt werden, und ferner zu einem Summendiereinrichtung (9), die ein dem Quotienten der +5 signal ohne Berücksichtigung der Polaritäten der Pro-Ausgangssignale der beiden Summiereinrichtun- duktsignale summiert werden und daß das erstgegen (4, 5) proportionales Ausgangssignal liefert. nannte Summensignal durch das letztgenannte Summensignal dividiert wird, so daß ein Ausgangssignal, welches proportional zum Quotienten der beiden 50 Summensignale ist, erhalten wird.

Ferner ist in Weiterbildung der Erfindung eine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Meßvorrichtung für die Weehselstromleistungsmes-Messung von Wechselstromleistung, bei dem erste sung der eingangs genannten Art gekennzeichnet Eingangssignale, welche proportional zu Momentan- durch eine Summiereinrichtung, die die Polarität der werten einer Spannung, sowie zweite Eingangssignal, 55 Ausgangssignale der Multipliziereinnchtung berückweiche proportional zu Momentanwerten eines Stro- sichtigt und ein entsprechendes Summensignal aus den mes sind, abgeleitet werden und miteinander multipli- Produktsignalen liefert, durch eine weitere Summierziert werden, so daß Produktsignale mit positiver einrichtung, welche die Polarität der Produktsignale und negativer Polarität erhalten werden, die propor- der Multipliziereinrichtung nicht berücksichtigt und tional zum Produkt der Strom- und Spannungsmo- 60 die ein weiteres Summensignal aus den Produktsignamentanwerte sind, sowie eine Meßvorrichtung für die len liefert und durch eine Dividiereinrichtung, die ein Wechselstromleistungsmessung mit einer Multiplizier- dem Quotienten der Ausgangssignale der beiden Sumeinrichtung, an welche erste, Momentanspannungs- miereinrichtungen proportionales Ausgangssignal werten proportionale Eingangsimpulse und zweite, liefert.

Momentanstromwerten proportionale Eingangs- 65 Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß der

impulse anlegbar sind, und welche die Polaritäten der Momentanwert der Leistung, die von einer Wechsel-

ersten und zweiten Eingangssignale berücksichtigt stromquelle geliefert wird, gleich ist dem Produkt der

und als Ausgänge dem algebraischen Produkt der Momentanwerte von Spannung und Strom im Sy-

3 T₄

»-m, so daß die Leistung eine positive Polarität system (Netz) proportional ist, die Multipliziereindurch jede Periode hindurch aufweist, wenn Span- richtung über einen Stromwandler mit dem Versornung und Strom in Phase sind und daß oie Leistung gungssy&tem verbunden sein. Die Vorrichtung kann von positiver zu negativer Polarität bei jeder Periode einphasige oder mehrphasige Spannungs- und Stromschwankt, wenn Spannung und Strom außer Phase 5 signale umformen, wobei Dreileiter oder Vierleiter, sind. Die Leistung, welche vom Versorgungssystem symmetrisch oder unsymmetrisch belastete Systeme geliefert wird, ist die Differenz zwischen den inte- eingeschlossen sind. Demzufolge kann die Multipligrierten positiven Werten der Leistung und den inte- ziereinrichtung drei getrennte Multipliziereinheiten grierten negativen Werten der Leistung. Eine ideale aufweisen, von denen jede mittels ihres eigenen Span-Bedingung herrscht, wenn Spannung und Strom in io nungswandlers parallel zu ihrem eigenen Leitungs-Phase sind, so daß nur positive Leistung vom Ver- paar bzw. parallel zu ihrer eigenen Leitung und dem sorgungssystem geliefert wird. Diese Bedingung ergibt Nulleiter eines Dreiphasen-Versorgungssystems sowie sich bei einem Leistungsfaktor cos ^ = 1. Wenn mittels ihres eigenen Stromwandlers zu ihrer eigenen Spannung und Strom außer Phase sind (d. h. wenn Leiiung des dreiphasigen Versorgungssystems verbunder Leistungsfaktor geringer ist als 1), wird zunächst 15 den sein kann.

während jeder Periode eine positive Leistung anfangs Die Multipliziereinrichtuiig hat bevorzugt eine

dem Versorgungssystem entzogen. Es ergibt sich schnelle Ansprechzeit.

jedoch eine gespeicherte Leistungsbedingung, und Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin-

während des letzten Teiles einer jeden Periode wird dung kann ein Vierquadrantenmultiplikator verwen-Energie mit negativer Polarität dem Versorgungs- 20 det werden.

system zurückgeliefert. Die integrierten Werte der Es kann jede beliebige geeignete Summier- und

positiven Leistung, welche vom System geliefert wird, Dividiereinrichtung verwendet werden. Bevorzugt sind immer größer als die integrierten Werte der ne- werden jedoch Festkörperkomponenten, welche insgativen Leistung, welche dem System zurückgegeben gesamt bei der Meßvorrichtung zur Anwendung komwerden. 25 ^men.

Bei der Erfindung wird an Stelle des Leistungs- An Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

faktors cos φ ein anderer Faktor verwendet, der be- der Erfindung, das in der Figur dargestellt ist, soll die deutend einfacher erfaßbar ist und welcher als »Ener- Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figur ' giefaktor« bezeichnet werden könnte. Dieser wird zeigt schematisch eine Meßumformervorrichtung für

durch die folgende Gleichung wiedergegeben: 30 die Leistungsmessung bei Wechselvorgängen.

Die MeiSumformervorrichtung, welche in der Figur

A — B dargestellt ist, enthält drei rasch ansprechende Vier-

Energiefaktor = -~-r quadrantenmultipliziereinheiten la, Ib und 1 c.

~*~ Jede von diesen Einheiten ist über ihren eigenen

35 Spannungswandler 2 a, 2 b und 2 c parallel zu den

Hierbei bedeutet A die integrierten positiven entsprechenden eigenen Phasenleitern A, B, C und Werte der Leistung und B die integrierten negativen dem Nulleiter des dreiphasigen Versorgungssystemes Werte der Leistung. geschaltet. Hierdurch werden an jede Multiplizier-

A - B = kW-Verbrauch und bedeutet die Wirk- einheit erste Eingangssignale gelegt, welche proporleistung, A + B = Gesamt-kVA, welche vom Schalt- 40 tional zu den Momentanwerten der Spannung im kreis, der mit der Versorgungsquelle verbunden ist, Versorgungssystem während jeder Periode sind. Jede entnommen wird und die Gesamtleistung wiedergibt. Multipliziereinheit la, Ib und 1 c ist weiterhin über

Bei der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist eigene Stromwandler 3 a, 3 b und 3 c an die eigenen der Ausgang der Multipliziereinrichtung proportional Phasenleiter A, B, C des Versorgungssystems gezu den Momentanwerten von ρ = ui. Der Ausgang 45 schaltet. Hierdurch werden jeder Multipliziereinheit der ersten, die Polartät der Produktsignale berück- zweite Eingangssignale geliefert, welche proportional sichtigenden Summiereinrichtung, welcher proportio- zu den Momentanwerten des Stromes im Versornal der Summe der Ausgangssignale positiver und gungssystem während jeder Periode sind,
negativer Polarität der Multipliziereinrichtung ist, Die Multipliziereinheiten la, Ib und 1 c berückwird durch A — B wiedergegeben. Der Ausgang der 50 sichtigen die Polaritäten der erster, und zweiten Einzweiten, die Polarität der Produktsignale nicht be- gangssignale, und sie geben Produktsignale mit posirücksichtigenden Summiereinrichtung, welche propor- tiver und negativer Polarität, die proportional sind tional der Summe der Ausgangssignale positiver und dem Produkt der Momentanwerte von Spannung und negativer Polarität der Multipliziereinrichtung ist, Strom.

wird durch A + B wiedergegeben. Der Ausgang der 55 Die Ausgänge der drei· Multipliziereinheiten 1 a, Dividiereinrichtung, welcher proportional dem Quo- 1 b und 1 c· sind direkt mit einer ersten gemeinsamen tienten der Ausgangssignale der ersten und zweiten Summiereinrichtup.g 4 verbunden. Es werden hier-..., . . . , , A — B ■ durch an diese erste Summiereinrichtung vier Ein-

Summiereinnchtungen ist, wtrd durch -^-^- wie- _{gänge gdegt( die} p_o,_aritäten aufweisen, welche denen

dergegeben, was der Energiefaktor ist. . 60 der Produktsignale der Multipliziereinheiten la, Ib um für die Multipliziereinrichtung ein erstes Signal und 1 c entsprechen. Die erste Summiereinrichtung vorzusehen, das proportional dem Momentanwert der berücksichtigt demnach die Polarität der Produkt-Spannung des Versorgungssystems (Netzes) ist, kann signale der Multipliziereinrichtung. Die Summiereindie Multipliziereinrichtung mit dem Versorgungs- richtung 4 gibt ein Ausgangssignal, das ein Summensystem über einen Spannungswandler verbunden sein. 65 signal ist, welches proportional zur Summe der Proin gleicher Weise kann, um ein zweites Eingangs- duktsignale positiver und negativer Polarität der signal für die Multipliziereinrichtung vorzusehen, das Multipliziereinheiten la, Ib und 1 c ist. Dieses Sumden Momentanwerten des Stromes im Versorgung«- mensignal wird durch A-B dargestellt.

Die Ausgänge der drei Multipliziereinheiten 1 a, Einheit zu integrieren. Da die Momentanwerte der

1 b und 1 c sind weiterhin über Vorzeicheninverter Ausgangssignale der Dividiereinrichtung 9 und der

6a, 6b und 6c und Dioden Ta, 8α und 7b, 8b und beiden Summiereinrichtungen 4 und 5 tatsächlich

eine gemeinsame zweite Summiereinrich- proportional zu den gemessenen Variablen sind, sind

~" ' '■'-" —e~i~*-«. A„a c. sip 7iir weiteren Aufbereitung durch Festkörperein-

Ia, Ib und Ic, aufweisen, uemzutoige ocmtiuitii- sienten und transienten Phänomenen aufbereitet

tigt die zweite Summiereinrichtung 5 die Polarität der io werden.

Produktsignale der Multipliziereinrichtung. Die zweite Das Meßsystem gemäß der Erfindung kann einen

Summiereinrichtung 5 gibt als Ausgangssignal ein oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen:

Summensignal, das proportional ist der Summe der

Produktsignale positiver und negativer Polarität,

welche von den Multipliziereinheiten la, Ib und 1 c 15

geliefert werden. Dieses Summensignal wird durch

A+B dargestellt.

Die Ausgänge der beiden Summiereinrichtungen 4 und 5 werden mit der Dividiereinrichtung 9 verbunden. Diese liefert ein Ausgangssignal, das proportio- ao nal ist dem Quotienten der Ausgangssignale der bei-

«—Je 1 j„„ ,!„,„t.

den Summiereinrichtungen 4 und 5 und das durch den Energiefaktor wiedergegeben ist.

A +

A- B »5

Es sei bemerkt, daß der Energiefaktor -

A + B

ähnlich der Cosinusfunktion ist, jedoch nicht äquivalent ist zum herkömmlichen Leistungsfaktor cos φ. Der Energiefaktor und der Leistungsfaktor sind nur bei 0 und 1 gleich. Sie weichen jedoch bei den Zwi- 30 schenwerten voneinander ab. Dies resultiert daraus, daß der Leistungsfaktor von Effektivwerten abgeleitet ist während der Energiefaktor von Momentanwerten abgeleitet wird. Es wurde gefunden, daß eine bedeutsame Erklärung für den Energiefaktor bei transienten und subtransienten Vorgängen bzw. Bedingungen gefunden werden kann, was beim Leistungsfaktor jedoch nicht der Fall ist.

Um eine Ablesung des Energiefaktors zu erhalten, kann ein Drehspulinstrument mit dem Ausgang, der von der Dividiereinrichtung 9 an den Klemmen 10 und 13 gewonnen werden kann, angeschlossen werden In gleicher Weise kann man eine Ablesung der eigentlichen Leistung A-B erhalten, wenn man ein Drehspulinstrument an den Ausgang der ersten Summiereinrichtung hier, und zwar an die Klemmen 12 und 13 legt. Eine Ablesung der Gesamtleistung kann man erhalten, indem man ein Drehspulinstrument an den Ausgang der zweiten Summiereinrichtung 5 d. h. an die Klemmen U und 13, legt.

Die einzelnen Einrichtungen und Bestandteile des Meßumformers, der in der Figur dargestellt ist, können aus herkömmlichen Geräten bestehen, die dem Fachmann bekannt sind.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß auch noch Änderungsmöglichkeiten der Meßvorrichtung möglich sind, wobei diese jedoch ebenfalls in den Bereich der Erfindung fallen.

Beispielsweise können anzeigende und/oder integrierende und/oder aufzeichnende Meßinstrumente und/oder Relais die Vorlauf- und Rücklaufleistung abtasten. Diese können hierzu einzeln oder gemeinsam parallel zum Ausgang von einem oder mehreren der drei Einheiten, welche die Div.diereinnchtung 9 und die beiden Summiereinrichtungen 4 und 5 umfassen, gelegt sein. Es kann ein spannungsabhangiger, von einem Gleichstrommotor angetriebener Zahler verwendet werden, um den Ausgang einer derartigen

a) Die erfindungsgemäße Anwendung des Konzeptes der Vorlauf(positive)- und Rücklauf(negative)-Leistung gibt eine neue Erklärung der momentanen Leistungsbedingungen in einem elektrischen Schaltkreis und ermöglicht ein Verständnis des durch die Bezeichnung ^{> >Ener}8^ie" faktor« wiedergegebenen Ausdruckes. Die MeB-vorrichtung gemäß der Erfindung wandelt die Grundparameter, nämlich Spannung und Strom, in ein proportionales Leistungssignal um una steht hierdurch im Gegensatz zu den bisher verwendeten herkömmlichen Verfahren, beispielsweise wie es bei dem TDM-Verfahren (Zeit-Division-Multiplikation-Verfahren) oder bei den Hall-Multiplizierern der Fall ist. Unter Vorlaufleistung ist die gesamte Momentanleistung zu verstehen, welche vom Erzeuger zum Verbraucher fließt und welche die Uberschußleistung beinhaltet, die durch induktive una kapazitive Speicherung des Stromkreises nicht m Arbeit umgewandelt werden kann und daher als Rücklaufleistung an den Erzeuger zurückfließen muß. Zweckmäßigerweise betrachtet man die Vorlaufleistung daher mathematisch als positiv und die Rücklaufleistung als negativ, b) Das endgültige Ausgangssignal, das von der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung gewonnen wird, kann unverzögert gewonnen werden, so daß kein Meßzeitverlust vorhanden ist, wie er bei den oben bezeichneten TDM- oder Haü-Multiplizier-Verfahren auftritt. Die Meßvorncntung gemäß der Erfindung ist daher insbesondere geeignet zur Erforschung von transienten una subtransienten Leistungsänderungen, welche bei Schalt- und Einschaltvorgängen auftreten können.

) c) Bei der Verwendung zur Leistungsanzeige odei Leistungsaufzeichnung kann ein Grundtyp eines Meßwerkes verwendet werden, um alle Parameter aufzeichnen zu können. Für Aufzeicn nungszwecke kann eine Umschaltanordnunj verwendet werden, welche es erlaubt, daß all» Bildspuren von einem Instrument aufgezeichne werden. . ^

d> Wenn man annimmt, daß ein herkömmliche Dynamometer-Meßwerk als Anzeigeinstrumer oder ein Kilowattstunden-Zähler vom Ferrant: Typ verwendet wird, das etwa 3 VA pro Phas im Strompfad und zusätzlich etwa 1,5VA « Spannungspfad benötigt, wird von der Quell· die gemessen werden soll, eine Leistung von ctw 4,5 VA entnommen. Dies kann zu fehlerhatte Resultaten bei Messungen kleiner Leistung darbietung führen, da die Quelle durch das MeI instrument beeinflußt werden kann. Bei d

Meßvorrichtung gemäß der Erfindung tritt dieses Problem nicht auf, da elektronische Schaltkreise mit extrem hohen oder extrem niedrigen Impedanzen die Eingangsstufen bilden. Die Leistung, welche bei der Messung der Quelle entnommen wird, beträgt daher lediglich einen Bruchteil %'on einem VA. Zusätzlich können Meßwandler verwendet werden, welche eine niedrige Leistung aufweisen. Bei einem Hochspannungs- oder Höchstspannungssystem ist dies ein großer wirtschaftlicher Vorteil.

Die Richtkraft bzw. das Drehmoment bei einem herkömmlichen Dynamometer und Ferranti-

Leistungsmesser ist direkt proportional zum Leistungsfaktor des zu messenden Schaltkreises. Wenn demzufolge der Leistungsfaktor niedrig ist, ist die Richtkraft, welche entwickelt wird, ebenfalls sehr gering, auch dann, wenn ein sehr hoher Strom fließt. Hierdurch wird eine genaue Messung bei geringen Leistungsfaktoren ersichtlich unmöglich. Die Richtkraft bzw. das Drehmoment ist immer direkt proportional zum Produkt von Volt · Ampere und wird in keinei Weise beeinflußt durch irgendwelche Phasenwinkel oder gerade vorkommende Wellenstörungen (Oberwellen) der Grundparameter.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

ι „ 2 Λ Spannungs- und Strommomentanwerten proportio- Patentansprüche: ° nate Produktsignale mit positiver und negativer PoIa- ntät he e^^ ^ ^ π oar t-reft ?ηϊ s s<;n κ;ς

1. Verfahren zur Messung von Wechselstrom- aus ium», j*»· ^ >;~~^ΪΓ~

leistung, bei dem erste Eingangssignale, welche ^^£^S