DE2406114B1 - Elektronischer Elektrizitaetszaehler - Google Patents

Description

• Es zeigt F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines elektronischen Elektrizitätszählers, F i g. 2 ein Prinzipschaltbild eines Strom-Impuls-Wandlers und Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Spannungs-Impuls-Wandlers.
• In der F i g. 1 bedeutet 1 einen Strom-Impuls-Wandler, der über einen Widerstand 2 unmittelbar an die Netzspannung U angeschlossen ist und zusammen mit diesem Widerstand einen Spannungs-Impuls-Wandler bildet. Ein Teil des Netzstromes I gelangt über einen Stromwandler 3 zu einem Strom-Impuls-Wandler 4. Der Spannungs-Impuls-Wandler 1, 2 und der Strom-Impuls-Wandler 4 erzeugen eine Impulsfolge Ja bzw. lt, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung U bzw. dem Strom l proportional ist. Die beiden Impulsfolgen Ja und fi werden in einer Koinzidenzschaltung 5 auf Koinzidenz geprüft. Ein Abtastgenerator 6 erzeugt schmale Abtastimpulse mit der Impulsfolgefrequenz f. Diese Abtastimpulse gelangen einerseits zusammen mit dem Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung 5 zu einer Abtastschaltung 7, welche die Abtastimpulse bei Koinzidenz der Impulsfolgen Ja und lt an einem Vorwärtszähleingang 8 eines Impulszählers 9 weiterleitet. Andererseits durchlaufen die Abtastimpulse einen Impulsuntersetzer 10 und gelangen zu einem Rückwärtszähleingang 11 des Impulszählers 9. Der Mittelwert der Ausgangsfrequenz Ja des Impulszählers 9 entspricht der elektrischen Leistung P = U-I und der jeweilige Zählerstand der elektrischen Arbeit.
• Die Anordnung der Bauteile 6, 7, 9 und 10 ist hier als Beispiel angegeben und für das Wesen der Erfindung unerheblich. In bekannter Weise (vergleiche z. B. die CH-PS 538122) kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Referenzimpulse fr bei Koinzidenz der beiden Impulsfolgen Ja und fi in den Impulszähler hineingezählt und anderenfalls aus diesem herausgezählt werden. Ferner kann gemäß einem ebenfalls bekannten Vorschlag zur Kompensation von Symmetriefehlern der Strom-Impuls-Wandler 1 und 4 das Eingangssignal des einen dieser beiden Wandler periodisch umgepolt und synchron hierzu die Zählrichtung des Impulszählers umgeschaltet werden (vergleiche z. B. die CH-PS 551 013).
• Der Stromwandler 3 weist naturgemäß einen nicht vernachlässigbaren Winkelfehler, d. h. ein von Null abweichenden Phasenwinkel zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom auf. Um den Einfluß dieses Winkelfehlers auf das Meßresultat zu kompensieren, ist der Strom-Impuls-Wandler 1 derart aufgebaut, daß bei einer Anderung des Eingangssignals dieses Wandlers das Tastverhältnis der Impulsfolge Ja nicht verzögerungsfrei, sondern mit einer geeignet gewählten Zeitverzögerung verändert wird. Die Zeitverzögerung Tu, mit der der Strom-Impuls-Wandler 1 auf eine Änderung seines Eingangssignals reagiert, kann als Phasenverschiebung dieses Wandlers betrachtet werden. Bezogen auf die Netzfrequenz fN beträgt die Phasenverschiebung au im Bogenmaß au = TuJN2 Auch der Strom-Impuls-Wandler 4 kann eine Zeitverzögerung Tf aufweisen. Für die Phasenverschiebung di dieses Wandlers gilt analog: dl = -fN-2X.
• Der Strom-Impuls-Wandler 1 und der Strom-Impuls-Wandler 4 sind derart dimensioniert, daß die Differenz der Phasenverschiebung dieser beiden Wandler der Phasenverschiebung arndes Stromwandlers 3 entspricht: #m = #u - #1 = 2#(Tu - Ti)fN.
• Falls der Strom-Impuls-Wandler 4 keine Zeitverzögerung aufweist, wird am = au gewählt. In der Regel wird jedoch aus Einfachheitsgründen vorzuziehen sein, die beiden Wandler gleich aufzubauen und auch gleich zu dimensionieren, jedoch derart unterschiedlich abzugleichen, daß am = 8, - oiist.
• Strom-Impuls-Wandler bzw. Spannungs-Impuls-Wandler, die eine Zeitverzögerung und somit für die Anwendung in einem elektronischen Elektrizitätszähler nach der Erfindung geeignet sind, sind bekannt. Im folgenden wird daher, ohne auf schaltungstechnische Details einzugehen, lediglich der prinzipielle Aufbau zweier geeigneter Wandler erläutert.
• Die F i g. 2 zeigt einen Strom-Impuls-Wandler 12, dessen Eingang 13 in der Schaltungsanordnung nach der F i g. 1 an den Widerstand 2 oder an die Sekundärwicklung des Stromwandlers 3 angeschlossen werden kann. Der Eingang 13 führt zu einem sogenannten Miller-Integrator, der aus einem Verstärker 14 und einem zu diesem parallelen Kondensator 15 besteht. Der Ausgang des Miller-Integrators 14, 15 ist mit dem Eingang eines Schwellenschalters 16 verbunden, welcher einen Schalter 17 steuert. Dieser Schalter legt in der einen Stellung eine Konstantstromquelle +Ir und in der anderen Stellung eine Konstantstromquellelr an den Eingang des Miller-Integrators 14, 15. Ein Impulsgenerator 18, der symmetrische Rechteckimpulse mit der Impulsfolgefrequenz fS erzeugt, steuert einen Schalter 19. Während der einen Halbperiode des Impulsgenerators 18 schaltet der Schalter eine Konstantstromquelle +l5 und während der anderen Halbperiode eine Konstantstromquelle -Is an den Eingang des Miller-Integrators 14, 15.
• Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Strom-Impuls-Wandlers 12 wird vorerst angenommen, die Konstantstromquellen +Is und -I, seien nicht vorhanden und der Schalter 17 befinde sich in der gezeichneten Stellung, so daß sich dem Eingangs strom le des Wandlers der Strom +lr überlagert. Der Strom le + Ir wird vom Miller-Integrator 14, 15 integriert, und die Spannung am Ausgang des Integrators steigt negativ linear an. Sobald die Ausgangsspannung des Miller-Integrators 14, 15 den unteren Schwellenwert - U5 des Schwellenschalters 16 erreicht, kippt dieser Schwellenschalter um, und der Schalter 17 wird in die andere Lage umgelegt. Jetzt gelangt der Strom leIr an den Eingang des Miller-Integrators 14, 15, so daß die Spannung an dessen Ausgang positiv linear ansteigt. Wenn diese Spannung den oberen Schwellenwert + U5 des Schwellenschalters 16 erreicht, kippt dieser in die ursprüngliche Lage zurück. Am Ausgang des Schwellenschalters 16 entsteht eine Rechteckimpulsfolge Ja bzw. fi, für die die Beziehung gilt, wobei T, die Impulsdauer, T2 die Pausendauer und k eine Konstante bedeutet.
• Ohne die Wirkung der Konstantstromquellen +l5 und -I, ist die Impulsfolgefrequenz Ja bzw. lt des Strom-Impuls-Wandlers 12 vom Eingangsstrom 15 abhängig. Durch die periodische Umschaltung dieser Konstantstromquellen ergibt sich eine Synchronisation der Ausgangsfrequenz des Strom-Impuls-Wandlers mit der Frequenz des Impulsgenerators 18; fU bzw. f, ist gleich f,. Infolge der Synchronisation reagiert der Strom-Impuls-Wandler nicht augenblicklich, sondern mit einer bestimmten Zeitverzögerung T, bzw. Ti auf eine Änderung des Eingangsstromes Je.
• Diese Zeitverzögerung ist zur Synchronis ationsfrequenz f, des Impulsgenerators 18 umgekehrt proportional. Wenn in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 die Strom-Impuls-Wandler 1 und 4 entsprechend der Fig. 2 ausgeführt werden, können somit beide Wandler gleich dimensioniert, die Synchronisationsfrequenz f, des Wandlers 1 jedoch etwas kleiner als diejenige des Wandlers 4 gewählt werden, derart, daß die Bedingung am = 8, - 6i erfüllt ist.
• Die F i g. 3 zeigt einen Spannungs-Impuls-Wandler 20 mit einem Schalter 21, der in seiner ersten Schalterstellung eine Spannungsquelle 22 über einen Ladewiderstand 23 an einen Kondensator 24 legt und in seiner zweiten Schalterstellung den Kondensator 24 an den Eingang eines Schwellenschalters 25 schaltet.
• Ein Schalter 26 legt in seiner ersten Schalterstellung einen Kondensator 27 an den Eingang des Schwellenschalters 25 und in seiner zweiten Schalterstellung über einen Ladewiderstand 28 an eine Spannungsquelle 29. Die Spannungsquelle 22 besteht aus einer Referenzspannungsquelle U, und einem Widerstand 30 und die Spannungsquelle 29 ebenfalls aus einer Referenzspannungsquelle U, und einem Widerstand 31, wobei die Verbindungspunkte der beiden Spannungsquellen Ur mit ihren zugehörigen Widerständen 30 bzw. 31 an die Netzspannung U angeschlossen sind, so daß die Spannungsquelle 22 die Spannung Ur + und die Spannungsquelle 29 die Spannung Ur - 2u abgibt. Der Eingang des Schwellenschalters 25 ist an eine Stromquelle 1a und der Ausgang an den Triggereingang eines Flipflops 32 angeschlossen, das die beiden Schalter 21, 26 steuert.
• Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Spannungs-Impuls-Wandlers 20 wird angenommen, daß sich die Schalter 21, 26 in der gezeichneten Stellung befinden und und der Kondensator 27 auf die Spannung Ur 2 aufgeladen ist. In der nun folgenden Halbperiode des Spannungs-Impuls-Wandlers wird der Kondensator U 24 auf den Wert Ur + 2 aufgeladen. Gleichzeitig wird der Kondensator 27 mit einem konstanten Strom 15 entladen. Sobald die Spannung am Kondensator 27 auf den Wert Null gesunken ist, spricht der Schwellenschalter 25 an. Dadurch wird das Flipflop 32 gekippt, und die Schalter 21, 26 schalten ebenfalls um. In der folgenden Halbperiode wird der Kondensator 24 mit dem konstanten Strom 15 entladen und der der Kondensator 27 wieder auf den Wert Ur - 2 aufgeladen. Am Ausgang des Flipflops 32 entsteht somit eine Impulsfolge fa bzw. fi, für die die Beziehung gilt.
• Auf eine Änderung des Eingangssignals reagiert der Spannungs-Impuls-Wandler 20 nicht augenblicklich, sondern mit einer Verzögerungszeit wobei C die Kapazität der Kondensatoren 24 und 27 bedeutet. Dieser Spannungs-Impuls-Wandler eignet sich daher ebenfalls vorzüglich zur Anwendung in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1, und zwar sowohl zur Erzeugung der Impulsfolge fu als auch der Impulsfolge fi.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Elektronischer Elektrizitätszähler mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung proportional ist, mit einem einem Stromwandler nachgeschalteten Strom-Impuls-Wandler zur Bildung einer weiteren Impulsfolge, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer dem Strom proportional ist, mit einer Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Impulszähler, der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung zählt, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Spannungs-Impuls-Wandler (1, 2) und der Strom-Impuls-Wandler (4) derart aufgebaut und dimensioniert sind, daß die Differenz der Phasenverschiebung dieser beiden Wandler der Phasenverschiebung des Stromwandlers (3) entspricht.
2. 2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Impuls-Wandler (1, 2) und der Strom-Impuls-Wandler (4) im wesentlichen gleich aufgebaut und dimensioniert, jedoch derart unterschiedlich abgeglichen sind, daß die Differenz der Phasenverschiebung dieser beiden Wandler der Phasenverschiebung des Stromwandlers (3) entspricht.
3. 3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Impuls-Wandler (1, 2) und der Strom-Impuls-Wandler (4) jeweils aus einem Miller-Integrator (14, 15) und einem diesem nachgeschalteten Schwellenschalter (16) bestehen, welcher über einen Schalter (17) die Polarität einer an den Eingang des Miller-Integrators (14, 15) angeschlossenen Stromquelle (lr) steuert, daß ein Impulsgenerator (18) über einen weiteren Schalter (19) die Polarität einer weiteren an den Eingang des Miller-Integrators (14, 15) angeschlossenen Stromquelle (lS) steuert und daß die Impulsfolgefrequenz (fs) des Impulsgenerators (18) des Spannungs-Impuls-Wandlers (1, 2) kleiner ist als diejenige des Strom-Impuls-Wandlers (4).

   Die Erfindung betrifft einen elektronischen Elektrizitätszähler mit einem Spannungs-Impuls-Wandler zur Bildung einer Impulsfolge, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer der Spannung proportional ist, mit einem einem Stromwandler nachgeschalteten Strom-Impuls-Wandler zur Bildung einer weiteren Impulsfolge, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer dem Strom proportional ist, mit einer Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der beiden Impulsfolgen und mit einem Impulszähler, der die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung zählt.

   Bei einem durch die CH-PS 538 122 bekannten Elektrizitätszähler dieser Art werden die Netzspannung und der Netzstrom mit Hilfe eines Spannungswandlers und eines Stromwandlers in proportionale Spannungen mit solchen Werten umgeformt, die für eine elektronische Verarbeitung geeignet sind. Ein Komparator vergleicht diese Spannungen jeweils mit einer Sägezahnspannung. Am Ausgang des Komparators entsteht eine Impulsfolge, bei der das Verhältnis der Differenz von Impulsdauer und Pausendauer zur Summe dieser beiden Größen der Netzspannung bzw. dem Netzstrom proportional ist. Eine Koinzidenzschaltung spricht jeweils dann an, wenn zwei Impulse oder zwei Impulslücken der beiden Impulsfolgen miteinander koinzidieren, und steuert einen Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler derart, daß die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse in den Impulszähler hineingezählt oder aus diesem herausgezählt werden, je nachdem, ob Koinzidenz der beiden Impulsfolgen vorliegt oder nicht.

   Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers entspricht dann der bezogenen elektrischen Energie, während der zeitliche Mittelwert der Ausgangsfrequenz ein Maß für die elektrische Leistung darstellt.

   Bei einem anderen bekannten Elektrizitätszähler der eingangs genannten Art werden die von einem Impulsgenerator erzeugten Referenzimpulse jeweils dann gezählt, wenn zwei von einem Strom-Impuls-Wandler und einem Spannungs-Impuls-Wandler erzeugte Impulsfolgen miteinander koinzidieren. Aus dem Impulszähler werden außerdem Impulse mit konstanter Impulsfolgefrequenz herausgezählt. Der jeweilige Zählerstand des Impulszählers entspricht wiederum der elektrischen Energie.

   Bei elektronischen Elektrizitätszählern stellt sich das Problem, den Einfluß des Winkelfehlers des im Eingangskreis erforderlichen Stromwandlers auf die Meßgenauigkeit des Elektrizitätszählers zu kompensieren. Eine bekannte Möglichkeit hierzu besteht darin, den Winkelfehler des Stromwandlers mit Hilfe eines Verstärkers und einer Hilfswicklung elektronisch zu kompensieren, was mit einem beträchtlichen technischen Aufwand verbunden ist. Eine einfachere bekannte Methode besteht in der Reihenschaltung eines Vorwiderstandes mit der Primärwicklung eines im Eingangskreis angeordneten Spannungswandlers, wobei dieser Vorwiderstand derart dimensioniert ist, daß die Winkelfehler des Spannungsmeßkreises und des Strommeßkreises gleich groß sind und sich somit auf das Meßresultat nicht auswirken. Die Tendenz in der Entwicklung elektronischer Elektrizitätszähler geht jedoch dahin, auf einen Spannungswandler im Eingangskreis überhaupt zu verzichten, so daß der letztgenannte Weg oft außer Betracht fällt.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektronischen Elektrizitätszähler der eingangs genannten Art den Einfluß des Winkelfehlers des Stromwandlers ohne zusätzlichen technischen Aufwand zu kompensieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spannungs-Impuls-Wandler und der Strom-Impuls-Wandler derart aufgebaut und dimensioniert sind, daß die Differenz der Phasenverschiebung dieser beiden Wandler der Phasenverschiebung des Stromwandlers entspricht.

   Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.