DE2408780B2

DE2408780B2 - Einrichtung zur Messung der zeitlichen arithmetischen Mittelwerte von Wirk- und Scheinleistung, sowie der Phasenverschiebung cos <P

Info

Publication number: DE2408780B2
Application number: DE19742408780
Authority: DE
Inventors: Max 8031 Puchheim Ostermeyer; Armin 8080 Fuerstenfeldbruck Riegel; Heinz 8033 Planegg Schiek; Michael 8019 Ebersberg Zeilhofer
Original assignee: DEUTSCHE BUNDESBAHN VERTRETEN DURCH DAS BUNDESBAHN-ZENTRALAMT MINDEN 4950 MINDEN
Current assignee: DEUTSCHE BUNDESBAHN VERTRETEN DURCH DAS BUNDESBAHN-ZENTRALAMT MINDEN 4950 MINDEN
Priority date: 1974-02-23
Filing date: 1974-02-23
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE2408780C3; DE2408780A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der zeitlichen Mittelwerte von Wirk- und Scheinleistung, sowie der Phasenverschiebung cos ψ in Wechselspannungsnetzen, wobei zur Scheinleistungsmessung die Strom- und ipannungswerte in Multiplizierern gebildet werden.

2> Bei vielen Vorgängen beim Betrieb elektrischer Maschinen und Anlagen, beispielsweise bei Anfahrvorgängen von Wechselstrom-Elektrolokomotiven, ändern sich innerhalb kurzer Zeit die Werte von Spannung U, Strom /, Wirkleistung P_m Scheinleistung P₁, Phasenver-

jo Schiebung cos φ und Leistungsfaktor λ. Gemeint sind hierbei nicht die für Wechselstrom typischen Änderungen innerhalb einer Periode der Grundwelle, sondern die Änderungen der zeitlichen arithmetischen Mittelwerte von Periode zu Periode. Zur Beurteilung der

j5 Vorgänge ist es oft wichtig, durch Messung Kenntnis über den Verlauf der zeitlichen arithmetischen Mittelwerte mit jew eils kurzen Meßintervallen zu erlangen.

Besondere Forderungen werden an Einrichtungen zur Messung der zeitlichen arithmetischen Mittelwerte gestellt, die bei Versuchen an elektrischen Schienentriebfahrzeugen mit Phasenanschnittssteuerung verwendet werden. Bei den Messungen können nur geringe Fehler von maximal 0,5% zugelassen werden. Außerdem sollen alle im spektralen Bereich von Null bis 50 kHz liegenden Anteile erfaßt werden. Die Integrationszeiten sollen wahlweise dem einfachen oder ganzzahligen Vielfachen einer Periodendauer der Grundwelle von im allgemeinen 16²/3 Hz entsprechen. Die Integration soll ohne Unterbrechung weiterlaufen, sowie der Integrationswert während des nächsten Integrationsintervalles als Analogspannung am Ausgang anstehen. Das Festhalten des Meßwertes liefert insbesondere für automatische Meßanlagen eine bequeme Methode, mehrere gleichzeitig gewonnene Meßwerte nacheinander abzufragen.

Bekannte Einrichtungen zur fortlaufenden Bestimmung von Mittelwerten sind Thermoumformer sowie Einrichtungen, in denen eine Quadriereinrichtung, ein Mittelwert bildendes Filter und eine Radiziereinrichtung in Reihe geschaltet sind. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Integrationszeiten nur grob den Zeitkor.stanten dieser Einrichtungen entsprechen. Die Meßgenauigkeit ist demzufolge gering. Wegen der unüberschaubaren Einschwingvorgänge ist eine klare Zuordnung zum Verlauf der Augenblickswerte nicht möglich.

Zum kontinuierlichen Messen arithmetischer Mittelwerte von Spannung (DE-AS 19 35 544), Strom (DE-OS

20 56 510) und Leistungsfaktor (DE-OS 23 61 681) sind bereits Anordnungen bzw. Verfahren bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die zeitlichen arithmetischen Mittelwerte von Wirkleistung. Scheinleistung und Phasenverschiebung cos φ innerhalb kürzester Zeit fortlaufend von Periode zu Periode gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Wirkleistung in aufeinanderfolgenden, begrenzten Integrationszeiten, die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, in einem Multiplizierer die Augenblickswerte von Spannung und Strom miteinander multipliziert werden, die Produkte in einem Nachlaufintegrator zunächst um den zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Wirkleistung der vorherigen Integrationszeit gemindert und dann über eine Integrationszeit integriert werden, daß der Integrationswert aus der Integrationszeit in einer Abtast- und Halte-Einrichtung eines Nachlaufintegrators gespeichert und während der folgenden Integrationszeit in einen Dividierer des Nachlaufintegrators durch die Integrationszeit dividiert wird, wobei die am Ausgang anstehende Spannung dem zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Wirkleistung über die Integrationszeit entspricht,

daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Scheinieistung in aufeinanderfolgenden, begrenzten Integrationszeiten, die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, in einem Multiplizierer das Produkt aus dem Effek'.ivwert der Spannung und dem Effektivwert des Stromes gebildet wird, wobei dieses Produkt dem zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Scheinleistung in der betreffenden Integrationszeit entspricht, und

daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Phasenverschiebung cos φ zwischen der Grundweile der Spannung und der Grundwelle des Stromes in aufeinanderfolgenden, begrenzen Integrationszeiten, die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, Filter nur die Grundwellen von Spannung und Strom durchlassen und ein an sich bekannter Phasenverschiebungsmesser den Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Grundwellen mißt, die Werte des Phasenverschiebungswinkels in einem Nachlaufintegrator zunächst um den zeitlichen arithmetischen Mittelwert des Phasenverschiebungswinkels aus der vorherigen Integrationszeit gemindert und dann über eine Integrationszeit integriert werden, der Integrationswert aus der Integrationszeit in einer Abtast- und Halte-Einrichtung eines Nachlaufintegrators gespeichert und während der folgenden Integrationszeit im Dividierer des Nachlaufintegrators durch die Integrationszeit dividiert wird und anschließend in einem an sich bekannten Funktionsbaustein die Umwandlung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes des Phasenverschiebungswinkels in den zeitlichen arithmetischen Mittelwert cos φ der Phasenverschiebung erfolgt.

Die Einrichtung ist so aufgebaut, daß die Integrationszeiten mittels einer Steuereinrichtung mit den Nulldurchgängen der Grundwelle der Spannung synchronisiert werden, wozu die Grundwelle gegebenenfalls durch Filtrierung aus dem Frequenzgemisch der Spannung herausgelöst wird.

Außerdem ist es möglich, daß die eingeleiteten Meßwerte unter Berücksichtigung der gewählten Integrationszeit normiert werden und dafür die Division -, durch die Integrationszeit entfällt.

Der Vorteil dieser Einrichtung liegt im wesentlichen darin, daß bei Messungen an elektrischen Maschinen und Anlagen innerhalb kürzester Zeit die arithmetischen Mittelwerte der Meßgrößen fortlaufend von

ι« Periode zu Periode ermittelt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm der Integrationsintervalle,
Fig.2 eine als Nachlaufintegrator wirkende Schaltungsanordnung,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung für eine Einrichtung zur Messung zeitlicher arithmetischer Mittelwerte elektrischer Größen.

Die zeitliche Mittelwertbildung der Meßgrößen wird mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung — im folgenden als Nachlaufintegrator 12 bezeichnet — erreicht. Die Schaltung besteht aus einem Integrator 4,5 in bekannter Technik, dem zwei Speicherkreise 8 und 9 nachgeschaltet sind. Ein Speicherkreis 9 liegt eingangsseitig am Integrator 4,5, und der andere Speicherkreis 8 ist eingangsseitig offen. Der eingangsseitig offene Speicherkreis 8 wird auf die Ausgangsklemme 10 und auf den Integrationswiderstand 3 geschaltet.

Bei fehlender Eingangsspannung liegen die Ausgänge beider Speicherkreise auf Null. Liegt am Eingang 1 eine Spannung, so wird diese im Integrator 4,5 gemittelt und im Speicherkreis 9 gespeichert. Am Ende des ersten Integrationsintervalles Ti (Fig. 1) hält dann der Speicherkreis 9 den Mittelwert. Nun werden die Speicherkreise 8 und 9 durch die Schalter 6 und 11 umgeschaltet. Der Mittelwert wird dadurch auf den Ausgang 10 sowie auf den Integrationswiderstand 3 geschaltet. Wegen der Polaritätsumkehr im Integrator 4, 5 läuft z. B. bei fehlender Eingangsspannung im Integrationsintervall Ti die Ausgangsspannung des Integrators 4, 5 wieder auf Null zurück. Liegt am Eingang 1 jedoch ein Meßsignal, so wird dieses über den Widerstand 2 aufintegriert, während ebenfalls die vorhin beschriebene Rückintegration aus dem Meß-Intervall T\ abläuft, so daß am Ende des Meßintervalles Ti der Mittelwert des Intervalles Ti im Speicherkreis 8 ansteht und nach erneuter Umschaltung der Speicherkreise am Ausgang 10 ausgegeben wird.

Die Umschaltung der Speicherkreise 8 und 9 des Nachlaufintegrators 12 wird dabei erfindungsgemäß mit den Nulldurchgängen der Grundwelle der Eingangsspannung synchronisiert, indem durch Filterung die Grundwelle der Eingangsspannung, die aus einem Frequenzgemisch bestehen kann, gewonnen wird und diese Grundwelle eine Steuereinrichtung, die irn wesentlichen aus einem Komparator in Verbindung mit einer Zähleinrichtung für die Nulldurchgänge besteht, über die Klemme 7 die Schalter 6 und 11 im Nachlauf integrator 12 steuert.

bo Diese Anordnung umgeht das sonst mit Schwierigkeiten verbundene schnelle Entladen der Integrationskapazität 5 am Beginn eines jeden Meßintervalles. Diese Umschaltung gestattet die pausenlose Mittelwertbildung einer Meßgröße bei hoher Genauigkeit.

Der Verlauf der Mittelwerte steht am Ausgang 10 als Treppenkurve an. Der Mittelwert im Meßintervall T_n wird während des gesamten Meßintervalles T_n+ 1 als Konstantspannung angegeben.

Mit diesem Nachlaufintegrator 12 lassen sich die gestellten Aufgaben bei der Messung von Wirk- und Scheinleistung, sowie Phasenverschiebung auf einfache Weise lösen.

Aus F i g. 3 ist die Anordnung der Nachlaufintegratoren 12 in der Meßeinrichtung zu ersehen. In diese Darstellung wurden auch die an sich bekannten Schaltungsanordnungen für die Messung der Effektivwerte von Strom und Spannung sowie des Leistungsfaktors aufgenommen, da diese Werte zur weiteren Leistungsmessung benötigt werden bzw. sich zwangsläufig ergeben.

Der zeitliche arithmetische Mittelwert P„. einer elektrischen Wirkleistung wird dadurch ermittelt, daß in dem Multiplizierer 13a die an den Eingängen E1 und £2 anstehenden Augenblickswerte von Spannung u (t) und Strom i(t) miteinander multipliziert werden und das Produkt in dem Nachlaufintegrator 12c integriert wird, wobei dann am Ausgang 4 3 die zeitlichen arithmetischen Mittelwerte der elektrischen Wirkleistung P„ über die konstanten Integrationsintervalle T als Treppenstufenkurvc anstehen. Die Umschaltung der Speicherkreise im Nachlaufintegralor 12c wird zentral für alle Nachlaufintegratoren 12 von der Steuereinrichtung 17 übernommen, wobei die Grundwelle der Eingangsspannung aus einem möglichen Frequenzgemisch durch das Tiefpaßfilter 18ί> herausgefiltert wird.

Der zeitliche arithmetische Mittelwert P₁₁ einer elektrischen Wirkleistung mit den Augenblickswerten P_u{t) über die Integrationszeit T ist allgemein folgendermaßen definiert:

P₁, =

= j j uU) ■ i(t) ■ dt.

Der zeitliche arithmetische Mittelwert P₅ einer elektrischen Scheinleistung wird dadurch ermittelt, daß in an sich bekannter Weise in den Quadrierern 14a und 14£>, den Nachlaufintegratoren 12a und 12i> und den Radizierern 15a und \5b zunächst die Effektivwerte von Spannung und Strom, die dann auch an den Ausgängen A 1 und A 2 anstehen, bestimmt werden. Von diesen beiden Werten wird dann in dem Multiplizierer 13£>das Produkt gebildet. _

Der zeitliche arithmetische Mittelwert P_s einer

.'ο

elektrischen Scheinleistung ist allgemein folgendermaßen definiert:

Pt ⁼ UcIl ■ IcII-

Sind die Effektivwerte von Spannung und Strom über die Integrationszeit T_n ermittelt, so ist in derselben Integrationszeit T_n der zeitliche arithmetische Mittelwert der Scheinleistung:

Pin= UcIIn ■ IcII_n-

Dieser zeitliche arithmetische Mittelwert P_1n steht während der Integrationszeit T_n+ 1 am Ausgang A 4 an und kann dort zur Weiterverarbeitung abgenommen werden. Auch hier bilden alle zeitlichen Mittelwerte bei graphischer Registrierung eine Treppenstufenkurve.

Aus den beiden zeitlichen arithmetischen Mittelwerten der Wirkleistung und der Scheinleistung läßt sich dann in bekannter Weise durch den Dividierer 16 der Leistungsfaktor λ ermitteln.

Der Leistungsfaktor λ ist allgemein folgendermaßen

definiert:

P,

Sind die zeitlichen arithmetischen Mittelwerte von Wirkleistung und Scheinleistung über die Integrationszeit T_n ermittelt, so ist in derselben Integrationszeit T_n der zeitliche arithmetische Mittelwert des Leistungsfaktors:

" K ■

Dieser Wert von X_n steht während der Integrationszeit T_n+ 1 am Ausgang A 5 an und kann dort zur Weiterverarbeitung abgenommen werden.

Der zeitliche arithmetische Mittelwert der Phasenverschiebung cos φ zwischen der Grundwelle der Spannung und der Grundwelle des Stromes wird dadurch ermittelt, daß die Filter 18 nur die Grundwellen von Spannung und Strom durchlassen, ein bekannter Phasenverschiebungsmesser 19 den Phasenverschiebungswinkel φ zwischen den beiden Grundwellen mißt, die Werte des Phasenverschiebungswinkels in dem Nachlaufintegrator 12c/gemittelt werden und während des folgenden Integrationsintervalles in dem an sich bekannten Funktionsbaustein 20 die Umwandlung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes φ des Phasenverschiebungswinkels in den zeitlichen arithmetischen Mittelwert cos φ der Phasenverschiebung erfolgt. Am Ausgang A 6 steht der Verlauf der zeitlichen arithmetisehen Mittelwerte cöslp der Phasenverschiebung als Treppenstufenkurve an, wobei wieder jede Stufe dem Mittelwert des vorhergehenden Integrationsintervalles entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der zeitlichen arithmetischen Mittelwerte von Wirk- und Scheinleistung, sowie der Phasenverschiebung cos φ in Wechselspannungsnetzen, wobei zur Scheinleistungsmessung die Strom- und Spannungswerte in Multiplizierern gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Wirkleistung in aufeinanderfolgenden, begrenzten Integrationszeiten (T), die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, in einem Multiplizierer (13a) die Augenblickswerte von Spannung [u(tj\ und Strom [i(tj\ miteinander multipliziert werden, die Produkte in einem Nachlaufintegrator (12c) zunächst um den zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Wirkleistung der vorherigen Integrationszeit (T_n-1) gemindert und dann über eine Integrationszeit (T_n) integriert werden, daß der Integrationswert aus der Integrationszeit (T_n) in einer Abtast- und Halte-Einrichtung eines Nachlaufintegrators (12c) gespeichert und während der folgenden Integrationszeit (T_n+ 1) in einem Dividierer des Nachlaufintegrators durch die Integrationszeit (T) dividiert wird, wobei die am Ausgang (A 3) anstehende Spannung dem zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Wirkleistung über die Integrationszeit (T_n) entspricht,

daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Scheinleistung in aufeinanderfolgenden, begrenzten Integrationszeiten (T), die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, in einem Multiplizierer (136) das Produkt aus dem Effektivwert der Spannung und dem Effektivwert des Stromes gebildet wird, wobei dieses Produkt dem zeitlichen arithmetischen Mittelwert der Scheinleistung in der betreffenden Integrationszeit entspricht, und
daß zur Messung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes der Phasenverschiebung cos φ zwischen der Grundwelle der Spannung und der Grundwelle des Stromes in aufeinanderfolgenden, begrenzten Integrationszeiten (T), die jeweils entweder der Dauer einer oder mehrerer Grundwellen eines Frequenzgemisches gleichen und vorwählbar sind, Filter (18) nur die Grundwellen von Spannung und Strom durchlassen und ein an sich bekannter Phasenverschiebungsmesser (19) den Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Grundwellen mißt, die Werte des Phasenverschiebungswinkels in einem Nachlaufintegrator (12c/) zunächst um den zeitlichen arithmetischen Mittelwert des Phasenverschiebungswinkels aus der vorherigen Integrationszeit (Γ_π_,) gemindert und dann über eine Integrationszeit (T_n) integriert werden, der Integrationswert aus der Integrationszeit T_n in einer Abtast- und Halte-Einrichtung eines Nachlaufintegrators (12d) gespeichert und während der folgenden Integrationszeit (T_n+\) im Dividierer des Nachlaufintegrators durch die Integrationszeit (T) dividiert wird und anschließend in einem an sich bekannten Funktionsbaustein (20) die Umwandlung des zeitlichen arithmetischen Mittelwertes des Phasenverschiebungswinkels in den zeitlichen arith-

metischen Mittelwert cos ψ der Phasenverschiebung erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationszeiten f7]) mittels einer Steuereinrichtung (17) mit den Nulldurchgängen der Grundwelle der Spannung synchronisiert werden, wozu die Grundwelle gegebenenfalls durch Filtrierung aus dem Frequeiizgemisch der Spannung herausgelöst wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeleiteten Meßwerte unter Berücksichtigung der gewählten Integrationszeit (T) normiert werden und dafür die Division durch die Integrationszeit (T)entfällt.