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"Richtungslogik für einen elektronischen Elektrizitätszähler" Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung einer Richtunrslogik, vorzugsweise
für einen elektronischen Elektrizitätszähler, zur Messung welieferter und bezozener
Energie, bei der die beiden Meßgrößen Srannung und Strom jeweils über Anpassungszlieder
auf eine Leistunzsmeßeinrichtung geführt sind, an deren Ausgang Impulse mit einer
der elektrischen Leistung proportionalen Frequenz auftreten, die jeweils ein TTND-Gatter
für bezogene und gelieferte Energie Passieren und in entsDrechende getrennte Zählwerke
einzählbar sind.
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Um Kraftwerke und Übertragungsanlagen betriebssicher und wirtschaftlich
zu nutzen, sind die Elektrizitätsnetze großer Wirtschaftsräume zu einem Versorgungssystem
zusammengeschlossen und werden im Verbund betrieben. An den Energieüberzabestellen
zwischen den einzelnen Netzen muß daher die elektrische Energie nicht nur mit hoher
Präzision gemessen werden,
sondern sie muß auch abhangig davon,
ob es sich um gelieferte oder bezogene Energie handelt, getrennt registriert werden.
Unter diesen Gesichtspunkten war es bisher allgemein erforderlich, zwei Geräte bzw.
Meßsysteme der bekannten Elektrizitätszähler nach dem Induktionsprinzip einzusetzen.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen Elektrizitätszähler
bekannt (D?-AS 2 128 883), mittels der die Energiemenge in beiden Energieflußrichtungen
mit nur einem Meßwerk gemessen werden kann. Bei dieser Schaltungsanordnung wird
die Ausgangsgröße eines das Produkt aus Strom und Spannung bildenden Multiplikators
in eine Impulse folge gleicher Wertigkeit umgewandelt. Diese wird über einen Integrator
mit mindestens vier angeschlossenen Grenzwertstufen geführt, denen Kippstufen und
Logikgatter nachgeschaltet sind. Der Integrator hat die Eigenschaft, bei einem Eingangssignal
von Null, d. h. wenn die Meßgröße Null ist, zu driften, bis die Schaltung blockiert
wird. Nachteilig ist die für eine Abhilfe erforderliche zusätzliche logisch gesteuerte
Kompensationsschaltung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache
Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der die elektrische Energie entsprechend ihrer
åeweiligen Flußrichtung mit nur einer elektronischen Meßeinrichtung gemessen werden
kann und die außerdem keine besonderen Anforderungen an die Qualität der Bauelemente
stellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßgröße
Spannung spätestens hinter dem ihr zugeordneten Anrassungsglied zusätzlich auf einem
Komparator geführt ist, dessen Ausgang über ein Differenzierglied auf den Takteingang
einer
bistabilen Kippstufe vorzugsweise eines D-Flip-Flop einwirkt und daß die Meßgröße
Strom ebenfalls spätestens hinter dem ihr zugeordneten Anpassungsglied auf einen
Differentiator geführt ist, an dessen Ausgang ein Komparator angeschlossen ist,
der mit seinem Ausgang wiederum die Kippstufe am Dateneingang vorbereitet, deren
Ausgänge Q und 4 die UND-Gatter entsprechend der Energieflußrichtung freigeben.
Vorzugsweise sind die vom Komparator im Nulldurchgang der Meßgröße Spannung von
negativen zu positiven Werten erzeugten positiven Rechteckimpulse im nachgeschalteten
Differenzierglied in Nadelimpulse umgewandelt, von denen die positiven Nadelimpulse
über eine Diode auf den Takteingang der bistabilen Kippstufe gelangen. Der Differentiator
läßt sich sowohl in invertierender als auch in nichtinvertierender Arbeitsweise
betreiben. Es müssen jedoch die Eingänge des nachfolgenden Komparators entsprechend
gewählt oder die Zuordnung der Ausgänge Q und % der bistabilen Kippstufe zu den
UND-Gattern muß entsprechend getroffen werden. Die geringfügige Phasendrehung des
Differentiators aufgrund seines Hiasenganges kann zweckmäßigerweise durch Verändern
der Ansprechschwelle des nachfolgenden Komparators z. B. mittels eines Potentiometers
kompensiert werden. Gemäß einem Weiterbildungsmerkmal der Erfindung ist der Differentiator
durch kapazitive Gegenkopplung und mittels eines ohmschen Eingangswiderstandes gegen
Rauschen bedämpft. Zur Erhöhung seines Eingangswiderstandes ist ihm ein Impedanzwandler
vorgeschaltet. Die Schaltungsanordnung kann auch so getroffen werden, daß im Nulldurchgang
der Meßgröße Spannung von positiven zu negativen Werten vom Komparator Rechteckimpulse
erzeugt werden, wodurch sich lediglich die Zuordnung der Ausgänge der Kippstufe
zu den UND-Gattern ändert. Die Schaltungsanordnung kann auch
mit
vertauschten Eingangsgrößen betrieben werden, so daß die Meßgröße Strom über den
Komparator und das Differenzierglied geführt ist, während andererseits die Meßgröße
Spannung von dem Differentiator differenziert wird und über den nachgeschalteten
Komparator den Dateneingang der bistabilen Kippstufe vorbereitet.
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Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an
einem Ausführungsbeisniel näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 die Schaltungsanordnung mit dem Prinzip eines elektronischen
Elektrizitätszählers in Verbindung mit einer Richtungslogik zur Messung der beiden
Energieflußrichtungen und Fig. 2 verschiedene Diagramme mit dem zeitlichen Verlauf
der beiden Meßgrößen bei Lieferung sowie Bezug für verschiedene Lastfälle und die
zugeordneten Signalkurven an verschiedenen Stufen der erfindungsgemäßen Richtungslogik.
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In dem Blockschaltbild nach Fig. 1 stellen die beiden Eingangsgrößen
U und I die Meßgrößen Spannung bzw. Strom dar.
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Diese werden zunächst über Anpassungsglieder 1 und 2, welche z. B.
Meßwandler sein können, auf eine Leistungsmeßeinrich tung 3 geführt, an deren Ausgang
Impulse auftreten, deren Frequenz proportional der elektrischen Leistung der Meßgrößen
ist. Von der Leistungsmeßeinrichtung gelangen die Impulse auf zwei UND-Gatter 4
und 5, wobei die Impulse das UND-Gatter 4 passieren sollen, wenn Energie bezogen
wird und umgedreht das Gatter 5, wenn Energie geliefert wird, damit die Impulse
in getrennte Zählwerke E bzw. F einzählbar sind.
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Damit die Impulse nun je e nach Energieflußrichtung entweder das Gatter
4 oder 5 passieren, werden die Eingangsgröße U am Punkt A. und die Eingansröße T
am Punkt B spätestens hinter den Anpassungsgliedern abzezweigt. Vom Punkt A wird
die abgezweigte Eingangsgröße U auf einen Komparator 6 geführt, dessen Ausgang über
ein Differenzierglied 7 und eine Diode 12 auf den Takteinzang einer bistabilen Kippstufe
8, vorzuzsweise eines D-Plip-Flon einwirkt. Die Eingangsgröße I wird zusätzlich
vom Punkt B auf einen Differentiator 9 geführt, an dessen Ausgang ein Komparator
10 angeschlossen ist. Dieser bereitet durch seinen Ausgang die Kippstufe 8 am Dateneingang
D vor, so daß die jeweils mit dem zweiten Eingang der UND-Gatter 4 bzw. 5 verbundenen
Ausgänge Q und Q der Kippstufe die UND-Gatter entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung
freigeben können. Die Ansprechschwelle des Komtarators 10 kann mittels eines Potentiometers
11 verändert werden, so daß die Phasendrehung des Differentiators 9 kompensierbar
ist. Der Differentiator 9 kann zusätzlich mit einem ohmschen Eingangswiderstand
bedämpft werden und zur Erhöhung seines Eingangswiderstandes kann ihm ein Impedanzwandler
vorgeschaltet sein.
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Bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Richtungslogik wird davon
ausgegangen, daß die Funktion der diskreten Schaltungsteile entsprechend der vorerwähnten
Schaltungsanordnung als bekannt vorausgesetzt werden kann. Die Wirkungaweise der
Schaltirngsanordrnrn für die Richtungslogik geht von dem Kriterium aus, daß während
des Nulldurchganges der Meßgröße u(t) bei einem Wechsel von negativen zu positiven
Werten der Differentialquotient der Meßgröße i(t) bei der einen Energieflußrichtung,
z. B. bei t'Lieferung" F positiv oder gleich Null ist, d. h. di/dt # 0. Für die
entgegengesetzte
Energieflußrichtung ist dagegen der Differentialquotient
der Meßgröße i(t) entsprechend "Bezug" E negativ oder gleich Null, d. h. di/dt #
0. Diese Zusammenhänge sind in den Diagrammen nach Fig. 2a und 2b näher erläutert.
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Die Fig. 2a zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf der Meßgrößen für
den Fall "I.ieferung" F, wobei neben der Kurve für die Spannung u zwei Kurven der
Meßgröße i, und zwar für einen kapazitiven Lastfall Fkap sowie für einen induktiven
Lastfall sind, dargestellt sind. In Fig. 2b sind die Zusammenhänge des zeitlichen
Verlaufes von Spannung und Strom für die Energieflußrichtung "Bezug" E ebenfalls
für einen kapazitiven und einen induktiven Itastfall dargestellt. In Fig. 2c ist
der zeitliche Verlauf der Differentialquotienten di/dt der beiden induktiven Lastfälle
der Meßgröße Strom nach Fig. 2a entsprechend "I,ieferung" und Fig. 2b entsprechend
"Bezug" aufgetragen. Es sind die Kurven
für induktive "Lieferung" und
für induktiven "Bezug" dargestellt, wobei das negative Vorzeichen durch den Betrieb
des Differentiators 9 als invertierender Differentiator bedingt ist. Durch eine
entsprechende Wahl der Eingänge des nachgeschalteten Komparators 10 oder durch die
Zuordnung der Ausgänge Q und Q der Kippstufe 8 zu den UND-Gattern 4 und 5 läßt sich
das negative Vorzeichen wieder aufheben. In Fig. 2d sind für den Fall "Lieferung"
F und in Fig. 2e für den Fall "Bezug" E die Rechteckimpulse aufgezeigt, die am Komparator
10 für die Kurven nach Fig. 2c auftreten, sowie die Nadelimpulse am Ausgang des
Differenziergliedes 7 beim Nulldurchgang der Spannung von negativen zu positiven
Werten.
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Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Wechselt die Meßgröße
u(t) von negativen zu positiven Werten (Fig. 2a, 2b),so spricht der Komparator 6
im Nulldurchgang an und erzeugt an seinem Ausgang einen positiven Rechteckimpuls,
der im nachfolgenden Nulldurchgang wieder beendet wird. Beim weiteren Nulldurchgang
wechselt die Spannung wieder von negativen zu positiven Werten, so daß der Komparator
6 wiederum von L (Low) - Potential auf H (High) -Potential springt. Die Rechteckimpulse
am Ausgang des Komparators 6 werden durch das Differenzierglied 7, das im einfachsten
Fall aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, differenziert. Hierdurch
entstehen Nadelimpulse, von denen lediglich die positiven, d. h. die während der
LH-Flanken der Rechteckimpulse entstehenden Nadelimpulse (Fig. 2d, 2e) über die
Diode 12 auf den Takteingang der bistabilen Kippstufe 8 gelangen. Die Dauer der
Nadelimpulse wird dabei so klein gewählt, wie es die verwendete Logikfamilie der
bistabilen Kippstufe 8 erlaubt, wodurch bei den vorhandenen Techniken auch extremste
Phasenlagen der Meßgrößen U und I zueinander auftreten dürfen.
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Die bistabile Kippstufe 8 hat außerdem einen Dateneingang D.
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Bei jedem Nadelimpuls, der von der Diode auf den Takteingang gelangt,
wird die am Dateneingang anstehende Information in den Q-Ausgang der Kippstufe 8
übernommen. Hat sich die Information auf den Dateneingang seit dem vorhergehenden
Nadelimpuls nicht verändert, so bleibt auch der logische Zustand der Ausgänge Q
und % unverändert. Dies bedeutet, im Fall eines L-Signals am Dateneingang während
des Nadelimpulses auf den Takteingang führt Ausgang Q ebenfalls t-Signal, während
der Ausgang T dann H-Signal führt. Für die
am Ausgang C der Beistungsmeßeinrichtung
3 auftretenden Impulse ist damit das mit dem Ausgang Q verbundene UND-Gatter 4 gesperrt,
während sie das mit dem Ausgang % verbundene UND-Gatter 5 passieren können und auf
den Ausgang F für gelieferte Energie gelangen.
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Es ist also Voraussetzung, daß bei Spannungsnulldurchgang von negativen
zu positiven Werten bei "Lieferung", d. h.
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Impulse am Ausgang Fs während des Nadelimpulses am Takteingang L-Signal
am Dateneingang der Kippstufe 8 ansteht, während bei "Bezug", d. h. Impulse am Ausgang
E, umgedreht H-Signal am Dateneingang anstehen muß. Da nun bei Spannungsnulldurchgang
von negativen zu positiven Werten bei gelieferter Energie die Steigung der Meßgröße
i positiv ist (Fig. 2a) und für den Fall bezogener Energie negativ (Fig. 2b), wird
die Meßgröße i auf einen invertierenden Differentiator 9 geführt, um die Meßgröße
i nach der Zeit zu differenzieren (Fig. 2c). Der nachgeschaltete Komparator 10 gibt
für negative Werte der differenzierten Größe - di/dt ein L-Signal und für positive
Werte dieser Größe ein H-Signal ab und bereitet damit den Dateneingang D der Kippstufe
8 entsprechend vor. Diese Rechteckimpulsdiagramme sind in der Fig. 2d für gelieferte
Energie und in Fig. 2e für bezogene Energie entsprechend den beiden Kurven
nach Fig. 2c gezeigt.
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Der Differentiator 9 ist so ausgelegt, daß er für die Frequenz der
Meßgröße I eine minimale Phasendrehung aufgrund seines Phasenganges aufweist. Falls
die Meßgrößen U und I im Extremfall eine Phasenverschiebung von nahezu 900 haben,
ist es möglich, den geringen Fehlwinkel durch Veränderung der Ansprechschwelle des
Komparators 10 mittels eines Potentiometers 11 zu kompensieren.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist der Innenwiderstand der
Quelle der Meßgröße T für den vorgenannten Anwendungsfall meist klein genug. Ist
dies nicht gewährleistet, kann dem Differentiator 9 ein Impedanzwandler vorgeschaltet
werden. Außerdem kann der Differentiator 9 erforderlichenfalls durch geringfügige
Maßnahmen, z. B. mittels eines ohmschen Eingangswiderstandes und durch kapazitive
Gemenkopplung gegen Rauschen bedämnft werden.
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Als Kriterium für die Arbeitsweise der Schaltung ist es natürlich
auch möglich, den Nulldurchgang der Meßgröße Spannung beim Wechsel von Dositiven
zu negativen Werten zu wählen. Wie die Fig. 2a bzw. 2b zeigen, ist dann di/dt #
0 bei zelieferter und di/dt# 0 bei bezogener Energie. Für diesen Fall werden lediglich
die Eingänge der Komparatoren 6 bzw.
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10 zur Erzeugung der Rechteckimnulse entsnrechend gewählt.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Richtung des Energieflusses
zu erkennen, wenn die Punkte A und B in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 gegeneinander
vertauscht werden. Die Arbeitsweise der Schaltung ist hierbei die gleiche, wie sie
im Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Es wird lediglich der Wert du/dt der Meßgröße
u(t) während des Nulldurchganges der anderen Meßgröße i(t) von der Schaltungsanordung
festgestellt, so daß die Impulse von der Leistungsmeßeinrichtung 3 auf die entsprechenden
UND-Glieder 4 und 5 für gelieferte bzw. bezogene Energie gelangen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß mit einem elektronischen Elektrizitätszähler
mit nur einer Meßeinrichtung und der verhältnismäßig einfach aufgebauten Schaltungsanordnung
für die Richtungslogik in beiden Energieflußrichtungen gemessen
werden
kann. Zudem werden an die Qualität der Bauelemente keine besonderen Anforderungen
gestellt.
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10 Seiten Beschreibung 7 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 2
Fig.