DE2417274A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der einem wechselstromverbraucher zugefuehrten scheinleistung - Google Patents

Description

9. April 1974

Meine Akte: h 110-j,DT

'Hug Interlizenz AG, Alte Zürcherstrasse 49, 89 03 Birmensdorf

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der einem Wechselstromverbraucher zugeführten Scheinleistung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der einem Wechselstromverbraucher zugeführten Scheinleistung mit einem Wirkleistungsmesser bzw. Zähler. Industrie und Gewerbe verwenden immer mehr Verbraucher mit komplexem Widerstandswert wie insbesondere Motoren, Transformatoren und Fluoreszenzlampen. Dadurch werden die Verteilernetze in zunehmendem Masse mit Blindenergie belastet.

Zwar besteht die Möglichkeit, durch Einsatz eines Blindleistungszählers zusätzlich zum Wirkleistungszähler den echten Leistungsverbrauch zu ermitteln, doch ist eine derartige Lösung für Kleinverbraucher zu aufwendig, da dabei zwei einzelne Zähler installiert, unterhalten und abgelesen werden müssen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche auf optimal einfache Weise die Zählung von Scheinverbrauch unter Verwendung eines WirkleistungsZählers ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in erster Linie dadurch gelöst, dass vom Verbraucherstrom eine mit diesem phasengleiche Hilfsspannung abgeleitet wird, dass die Verbraucherspannung kontinuierlich abgegriffen wird und dass die Hilfsspannung jeweils unabhängig von der Phasenlage der Verbraucherspannung auf deren Augenblicks-Wert eingestellt und sodann an den Spannungspfad des Wirkleistungszählers gelegt wird. Da auf diese Weise am Spannungspfad des Wirkleistungsmessers eine mit dem den Strompfad durchfliessenden Strom phasengleiche Spannung in der Höhe der Verbraucherspannung anliegt, wird im Wirkleistungsmesser ohne Beeinflussung durch Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom das Produkt aus diesen beiden Grossen gemessen und gezählt.

Vorteilhaft lässt sich die Erfindung realisieren, wenn zur Erzeugung der Hilfsspannung in Serie mit dem Strompfad des WirkleistungsZählers ein Stromwandler vorgesehen ist, dessen Sekundärseite derart an den ersten Eingang eines Verstärkers angeschlossen wird, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers

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phasengleich mit dem den Stromwandler primär durchfliessenden Strom ist, und dass eine, Messeinrichtung zur Ermittlung der Verbraucherspannung vorgesehen ist, welche derart mit einem zweiten Eingang des Verstärkers verbunden ist, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers gleiche Amplitude aufweist, wie die Verbraucherspannung. Je nach der Höhe der vom Stromwandler abgegebenen Spannung ist dabei der Verstärkungsfaktor des Verstärkers festzulegen, wobei ersichtlicherweise der Verstärkungsgrad auch kleiner als eins sein kann. Um die Verstärker-Ausgangsspannung nahezu unabhängig von der in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom schwankenden Sekundärspannung des Stromwandlers zu machen, empfiehlt es sich, die Hilfsspannung durch eine Begrenzerschaltung, wie sie in verschiedensten Ausfuhrungsformen bekannt und gebräuchlich ist, auf einem konstanten Wert zu halten.

Die Verstärker-Ausgangsspannung, welche wie ausgeführt in der Phasenlage vom Verbraucherstrom und in der Amplitude von der Verbraucherspannung bestimmt wird, lässt sich besonders einfach erzeugen, wenn der Verstärker eine Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrades aufweist, welche durch die Messeinrichtung angesteuert wird. Die Verbraucherspannung kann in bestimmten Anwendungsfällen direkt zur Ansteuerung des zweiten Verstärkereingangs bzw. der Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrads verwendet werden. Sofern besonders zuverlässig gewährleistet werden soll,

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dass die Verstärker-Ausgangsspannung in der Amplitude mit der Verbraucherspannung übereinstimmt, empfiehlt es sich, eine Vergleichseinrichtung vorzusehen, welche die Grossen der beiden genannten Spannungen miteinander vergleicht und in Abhängigkeit von einer Abweichung der Verstärker-Ausgangsspannung entsprechende Stellsignale an die Messeinrichtung oder direkt an den zweiten Eingang des Verstärkers bzw. die Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrads abgibt.

Relativ einfach lässt sich der Verstärkungsgrad des Verstärkers mit einem veränderlichen Widerstand einstellen, wobei eine vorteilhafte Lösung in der Verwendung eines Potentiometers besteht.

Insbesondere in einem solchen Fall empfiehlt es sich, die Messeinrichtung mit einem elektromechanischen Umformer, vorzugsweise einem Stellmotor zu versehen, welcher an die Vergleichseinrichtung angeschlossen ist und von dieser solange angesteuert wird und eine Justierung des Potentiometers bewirkt, bis die Verstärker-Ausgangsspannung der Verbraucherspannung entspricht. Besonders einfach und exakt lässt sich der Vergleich von Verstärker-Ausgangsspannung und Verbraucherspannung erzielen, wenn die Vergleichseinrichtung eine Gleichstrom-Brückenschaltung ist, bei welcher vorzugsweise die Messeinrichtung im Querpfad der Brücke liegt.

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Vorteilhaft lassen sich zur Einstellung des Verstärkungsgrads des Verstärkers auch Halbleiterbauelemente, wie Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren oder Feldplatten verwenden, wobei im letzteren Fall der Messeinrichtung eine Spule zur Erzeugung eines die Feldplatte beeinflussenden Magnetfelds nachgeschaltet, sein soll.

Die Verstellung des Verstärkungsgrads des Verstärkers lässt sich selbstverständlich auch mit elektronischen Schaltungselementen unter Verwendung von elektromechanischen Umformern realisieren. Besonders eignet sich dafür eine sog. Sample & hold-Schaltung, welche an die Vergleichseinrichtung angeschlossen ist und durch Registrieren der Sollwert-Abweichung und Abgabe entsprechender Signale an den zweiten Eingang des Verstärkers bzw. die Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrads kontinuierliches Nachregeln der Verstärker-Ausgangsspannung auf die Verbraucherspannung sicherstellt.

Ersichtlicherweise lassen sich die einzelnen Bauteile und Schaltungsmerkmale ohne weiteres durch analoge Mittel ersetzen und beliebig untereinander kombinieren und durch den Fachmann ohne Schwierigkeiten an die jeweils geforderte Detaillösung anpassen. Insbesondere kann die beschriebene Schaltungsanordnung auch vorteilhaft als Zusatzgerät ausgebildet werden, welches durch Anbau oder Einbau in installierte Wirkleistungszähler deren Verwendung als Scheinleistungszähler zulässt.

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Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die schematische Darstellung der Schaltungsanordnung eines WirkleistungsZählers zur Verwendung als Scheinleistungszähler,

Fig. 2 die Schaltung gemäss Fig. 1 mit zusätzlicher Vergleichs einrichtung,

Fig. 3 das Schaltbild einer Anordnung gemäss Fig. 2, und

Fig. 4 verschiedene Ausbildungsformen von Einrichtungen zum Verstellen des Verstärkungsgrads des vorgesehenen Verstärkers.

Gemäss Fig. 1 ist ein Wirkleistungszähler 2 mit seinem Strompfad 3 in die Versorgungsleitung eines Verbrauchers 4 mit komplexem Widerstand geschaltet. In Serie zum Strompfad 3 und zum Verbraucher 4 ist die Primärwicklung 5 eines Stromwandlers 6 geschaltet, dessen Sekundärwicklung 7 an den ersten Eingang 8 eines Verstärkers 9 geschaltet ist. Der Eingang 8 des Verstärkers 9 ist dabei in nicht dargestellter Weise als hohe ohmsche Belastung der Sekundärwicklung 7 ausgebildet, so dass eingeprägter Strom vorliegt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass

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beim Abgriff eines geringen Teilbetrags der Spannung an der Sekundärwicklung 7 diese Spannung tatsächlich in Phase mit dem durch die Primärwicklung fliessenden Strom ist. Sofern noch eine geringfügige Phasendrehung vorhanden ist, kann diese mit Kompensationsgliedern bzw. RC-Anordnungen restlos korrigiert werden.' Durch die am Eingang 8 anliegende Spannung, welche also in Phase mit dem durch Primärwicklung 5 und Verbraucher 4 fliessenden Strom ist, wird die Ausgangsspannung Ua phasengleich mit dem Verbraucherstrom Iv ausgesteuert. Durch eine parallel zum Verbraucher 4 geschaltete Messeinrichtung 9a wird die Verbrau-; cherspannung Uv gemessen und in Abhängigkeit vom jeweiligen Augenblicks-Wert der Verstärker 9 über einen zweiten Eingang derart angesteuert, dass die Verstärker-Ausgangsspannung Ua in der Amplitude mit der Verbraucherspannung Uv übereinstimmt. Da die Verstärker-Ausgangsspannung Ua im übrigen wie ausgeführt durch Ansteuerung mit der Hilfsspannung Uh der Sekundärwicklung phasengleich mit dem Verbraucherstrom Iv ist, wird an Spannungspfad 11 des Wirkleistungszählers 2 eine Spannung gelegt, die in Verbindung mit dem durch Strompfad 3 fliessenden Strom Iv die Produktbildung aus Verbraucherstrom Iv und Verbraucherspannung Uv ohne jede Beeinflussung durch die jeweilige Phasenlage erlaubt und somit die Messung der Scheinleistung ermöglicht.

Der im Blockschaltbild dargestellte Verstärker 9 sowie die Messeinrichtung 9a sind durch den Fachmann ohne weiteres in den verschiedensten Ausführungen auslegbar und unschwer realisierbar, so dass auf detaillierte Darlegung hier verzichtet wird.

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Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung eines Scheinleistungsmessers mit einer speziellen Vergleichseinrichtung 12 und einer Verstelleinrichtung 13, der jedoch in den übrigen Bauteilen mit der Anordnung gemäss Fig. 1 übereinstimmt. Wie dargestellt ist dabei die Vergleichseinrichtung 12 derart an den Ausgang des Verstärkers 9 einerseits und den Verbraucher 4 andererseits geschaltet, dass die Differenz zwischen der Spannung Uv und der Spannung Ua ermittelt werden kann. Dadurch wird die Genauigkeit der Schaltungsanordnung noch wesentlich erhöht, da beim geringsten Abweichen der miteinander verglichenen Spannungen die Messeinrichtung 9a ein entsprechendes Signal empfängt und eine Verstelleinrichtung 13 zum Verstellen des Verstärkungsgrads den Verstärker 9 entsprechend ansteuert, bis die Spannung Ua wieder mit der Spannung Uv übereinstimmt. Auf diese Weise wird genaueste Produktbildung auch bei stark schwankender Verbraucherspannung Uv und beim Auftreten von Störeinflüssen auf den Verstärker 9 sichergestellt.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Anordnung, bei welcher der Verstärkungsgrad des Verstärkers 9 durch den veränderlichen Widerstand 14 einstellbar ist. Der Widerstand 14 ist mechanisch mi't einem Stellmotor 15 gekoppelt, welcher im Querpfad einer als Brückenschaltung mit Widerständen 16, 17, 18 und 19 ausgebildeten Vergleichseinrichtung liegt. Wie dargestellt, wird dabei über den Widerstand 16 die Verbraucherspannung Uv eingespeist, während über den Widerstand 17 die Verstärker-Ausgangs-

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spannung Ua angelegt wird. Sobald die beiden miteinander verglichenen Spannungen voneinander abweichen, gerät die Brücke aus dem Gleichgewicht und, gesteuert durch Dioden 20 und 21, fliesst durch den Stellmotor 15 ein Strom solcher Dauer und Qualität, bis nach entsprechender Einstellung von Widerstand der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 so verstellt ist, dass die Ausgangsspannung Ua der Verbraucherspannung Uv entspricht.

Zur Konstanthaltung der an der Sekundärwicklung 7 des Stromwandlers 6 anliegenden Hilfsspannung Uh, welche lediglich zur Steuerung der Ausgangsspannung Ua hinsichtlich ihrer Phase benötigt wird, ist die Sekundärwicklung 7 durch eine Begrenzerschaltung überbrückt, welche aus einer Zenerdiode 22 und einem Widerstand 23 besteht.

Bei geeigneter Wahl der Schaltmittel, d.h. entsprechend dimensioniertem Stromwandler 6, einem genügend grossen Widerstand und einem genügend gegengekoppelten Verstärker 9 wirken sich Veränderungen von Verstärkerelementen nur innerhalb eines Bruchteils der geforderten Genauigkeit aus, dies umso mehr, als der Verstärker 9 praktisch als Regler arbeitet und Veränderungen des Verstärkungsgrads, z.B. durch Alterung, durch entsprechende Korrektur des Widerstands 14 ausgeglichen werden. Der Stellmotor 15, der vorzugsweise als Kleinst-Gleichstrommotor ausgebildet

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ist, stellt ein absolut zuverlässig arbeitendes Bauteil dar, welches Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Zusatzeinrichtung im geforderten Ausmass gewährleistet.

Fig. 4 zeigt im Ausschnitt die Verwendung eines Transistors als veränderlichen Widerstand, der zur Einstellung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 9 vorgesehen ist und der durch die Verbraucherspannung Uv über einen Spannungsteiler 25 angesteuert wird.

Fig. 5 zeigt die Verwendung einer Feldplatte 26 als veränderlichen Widerstand zum Einstellen des Verstärkungsgrads des Verstärkers 9. Zur Kopplung des vom Vergleicher 12 bei Regelabweichung abgegebenen Signals und zur Speicherung dieses Signals ist der Vergleichseinrichtung 12 eine sog. Sample & hold-Schaltung 27 nachgeschaltet, welche jeweils bei einer Sollwert-Abweichung entsprechende Signale addiert bzw. subtrahiert und speichert. Die gespeicherten Signale werden dann auf eine Spule 28 gelegt, deren elektromagnetisches Feld die Feldplatte 26 und deren Widerstand beeinflusst, so dass die geforderte Verstellung des Verstellungsgrads von Verstärker 9 erreicht wird.

Fig. 6 zeigt im Ausschnitt eine Schaltungsanordnung, bei welcher der Verstärkungsgrad des Verstärkers 9 durch einen Feldeffekttransistor 29 geregelt wird. Der Feldeffekttransistor

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wird wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 durch eine Sample & hold-Schaltung 27 mit einem Steuersignal beauf^ schlagt, wobei die Sample & hold-Schaltung statt des Stellmotors 15 im Querpfad einer aus den Widerständen 16, 17, 18 und 19 bestehenden Brücke angeordnet ist. Auf diese Weise wird zuverlässige und schnelle Regelung der Spannung Ua auf den Wert der Verbraucherspannung Uv gewährleistet.

Insgesamt schafft die Erfindung unter Verwendung einfachster und bekannter Schaltmittel, deren Dimensionierung und Auswahl dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind, die Möglichkeit, mit herkömmlichen Wirkleistungszählern auch Scheinleistungen zu messen. Die dargestellten und beschriebenen Schaltungsanordnungen lassen sich selbstverständlich auch analog und äquivalent zur Leistungsmessung oder Leistungsregelung anstatt zur reinen Leistungszählung einsetzen, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Ersichtlicherweise ist es auch ohne weiteres möglich, den Wert der Verbraucherspannung und/oder den Wert der Verstärker-Ausgangsspannung digital zu erfassen und zu vergleichen. In diesem Fall müsste lediglich die Verbraucherspannung über einen Analog-Digital-Umwandler umgeformt werden, einem Zähler eingegeben und nach Vergleich mit einem ebenfalls digitalen Sollwert wieder durch einen Digital-Analog-Umwandler zu Analog-Signalen umgeformt werden, so dass der Verstärker entsprechend ausgesteuert werden kann.

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Claims (20)

.· 12 - Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der einem Wechselstromverbraucher·

zugeführten Scheinleistung mit einem Wirkleistungsmesser bzw. -zähler, dessen Strompfad in Serie mit dem Verbraucher geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Verbraucherstrom eine mit diesem phasengleiche Hilfsspannung abgeleitet wird, dass die Verbraucherspannung kontinuierlich abgegriffen wird, und dass die Hilfsspannung jeweils auf den Augenblicks-Wert der Verbraucherspannung eingestellt und sodann an den Spannungspfad des Wirkleistungszählers gelegt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hilfsspannung (Uh) in Serie zum Strompfad (3) des Wirkleistungs— zählers (2) ein Stromwandler (6) vorgesehen ist, dessen Sekundärseite (7) derart an den ersten Eingang (8) eines Verstärkers (9) angeschlossen ist, dass die Ausgangsspannung (Ua) des Verstärkers phasengleich mit dem den
Stromwandler primär durchfliessenden Strom ist, und dass eine Messeinrichtung (9a) zum Ermitteln der Verbraucherspannung vorgesehen ist, welche derart mit einem zweiten Eingang (10) des Verstärkers verbunden ist, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers gleiche Amplitude aufweist, wie die Verbraucherspannung.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (9) eine Einrichtung (13, 14, 24, 26) zum Verstellen des Verstärkungsgrads aufweist, an welche die Messeinrichtung (9a) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Verstärker-Ausgangsspannung (Ua) auf die Amplitude der Verbraucherspannung (Uv) eine Vergleichseinrichtung (12, 16, 17, 18, 19) vorgesehen ist, die einerseits an die Verstärker-Ausgangsspannung als Ist-Wert angeschlossen ist, und dass der Ausgang der Vergleichseinrichtung an den Eingang der Messeinrichtung (9a; Stellmotor 15; 27) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (9a; Stellmotor 15; 27) an die Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrads (13, 14, 24, 26, 29) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Verstellen des Verstärkungsgrads (13, 14, 24, 26, 29) ein veränderlicher Widerstand ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (14) ein Potentiometer ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (Stellmotor 15) ein elektromechanischen Umwandler ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (15) ein Stellmotor ist.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (15) zur Verstellung des Potentiometers (14) bei Spannungsunterschieden zwischen Verstärker-Ausgangs spannung (Ua) und Verbraucherspannung (Uv) mit diesem mechanisch verbunden ist.

1.1. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (16, 17, 18, 19) eine Brückenschaltung ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltang (16, 17, 18, 19) wenigstens in zwei parallelen Zweigen jeweils einen Gleichrichter (20, 21) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (9a, Stellmotor 15, 27) im Querpfad der Brückenschaltung (16, 17, 18, 19) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Widerstand (24, 29) ein Halbleiter-Bauelement ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Widerstand (24) ein Transistor ist. ,

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16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Widerstand ein Feldeffekttransistor ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Widerstand (26) eine Feldplatte aufweist, welche im elektromagnetischen Feld einer Spule (28) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (27) eine Sample & hold-Schaltung aufweist, welche im Querpfad der Brücke (16, 17, 18, 19) liegt.

19. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sample & hold—Schaltung (27) und dem Verstärker (9) im Signalfluss die Einrichtung (26, 29) zum Verstellen des Verstärkungsgrads liegt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stromwandler (6) ein Begrenzer (22, 23) zur Konstanthaltung der an den ersten Eingang (8) des Verstärkers (9) geigten Hilfsspannung (Uh) bei Aenderungen der Stomaufnahme des Verbrauchers (4) nachgeschaltet ist. .

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