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Titel: Elektronischer Wechselst.-|*om-Elektrizitatszähler zur Messung
von Wirk- und BlindvJrbrach Beschreibung Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Wechselstrom-Elektrizitatszähler zur messung von Wirk- oder Blindverbrauch, dessen
Multiplizierer zum Teil aus elektromagnetischen Kreisen besteht, die ohne Zwischenschaltung
von Wandlern mit hohen Meßspannungen und Meßströmen direkt beaufschlagt werden können.
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Durch die Einsparung von Anpassungswandlern und den teilweisen Ersatz
elektronischer Schaltkreise durch elektromagnetische Kreise lassen sich derartige
Elektrizitoåtszähler im Vergleich zu elektronischen Elektrizitätszählern bekannter
Ausführungen wesentlich kostengünstiger und funktionssicherer herstellen.
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Elektronische Wechselstrom-Elektrizitätszähler bestehen im Prinzip
aus den Funktionsgruppen: Anpassungsstufe (Anpassung der Meßgrößen Strom und Spannung
an die Elektronik), elektronischer Multiplizierer (Multiplikator von Strom und Spannung),
Quantisierer (Umwandlung einer der Leistung proportionalen, analogen Information
in Impulse mit leistungsproportionaler Folgefrequenz) und Ausgabestufe (Anzeige,
Zählwerk). Dabei bilden Nultiplizierer und Quantisierer das eigentliche Meßwerk.
Die Anpassungsstufe wird gebraucht, weil die Meßwerke bekannter Ausführungen nicht
in der Lage sind, hohe Meßspannungen von z.B. 500 V und hohe Meßströme von z.B.
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100 A unmittelbar zu verarbeiten. Die Meßgrößen werden vielmehr mit
Hilfe besonderer Mittel auf niedrige Beträge heruntergesetzt, wobei stromseitig
grundsätzlich und spannungsseitig in der Regel mit Wandlern gearbeitet wird. Da
diese Wandler kein Teil des eigentlichen Meßwerk sind, stellen sie einen Aufwand
dar, der die Herstellungskosten für solche meßwerk unnötig erhöht und deshalb als
besonderer Nachteil anzusehen ist. Bisher war es unter anderem aufgrund dieses Nachteils
nicht möglich, elektronische Elektrizitätszähler ebenso kostengünstig zu bauen wie
die weit verbreiteten Elektrizitätszähler mit Ferrarismeßwerk. Letztere kommen bei
Meßgrößen der genannten Größenordnungen ohne Anpassungswandler aus.
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Erfolgt die spannungsseitige Anpassung der Elektronik nicht über einen
Wandler, sondern bei direkter galvanischer Kopplung mit dem Netz uber andere Mittel,
dann sind elektronische Elektrizitätszähler bekannter Ausführungen mit besonderen
Elementen zum Schutz gegen Überspannungen versehen. Ferner ist die gesamte Anpassungsstufe
in diesem Fall spannungsseitig aus besonders spannungsfesten Bauteilen aufgebaut.
Derartige Konzeptionen sparen zwar den Wandler ein, weisen jedoch die wesentlichen
Nachteile
auf, daß die Bauteile keine marktpängigen Produkte de'o serienfertigung und deshalb
aufwendig sind, und ihiH Funktionssicherheit trotz Verwendung solcher Teile bei
den durchaus zu erwartenden Überspannungen von mehr als 10 kV Scheitelwert auf längere
Sicht unbefriedigend ist.
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Schließlich haben elektronische Wechselstrom-Elektrizitätszähler der
bekannten Ausführungen den Nachteil, daß ihre elektronischen Multiplizierer das
Vektorprodukt aus Spannung U und Strom 3 bilden müssen. Als Beispiele solcher Multiplizierer
seien der Time-Division-Multiplizierer (Impulsbreiten - Impulspausen- Impulsamplituden
- Multiplizierer), der Hall-Multiplizierer und vom Prinzip des thermischen Wattmeters
abgeleitete Multiplizierer genannt. Diese Multiplizierer arbeiten nach komplizierten
Schaltungen oder mit sehr speziellen Bauteilen (Hall-Generatoren, Thermoumformer),
die wiederum keine marktgängigen Produkte der Großserienfertigung sind. Der Aufwand
zu ihrer Realisierung ist deshalb ebenfalls hoch, und es ist auch die Funktionssicherheit
unbefriedigend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Wechselstrom-Elektrizitätszähler
zur Messung von Wirk- oder Blindverbrauch zu bauen, der die beschriebenen Nachteile
der bekannten Ausführungen vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Multiplikation
der Vektoren U und J mittels elektromagnetischer, mit hohen Meßspannungen und hohen
Meßströmen direkt beaufschlagbarer, eine galvanische Trennung der Elektronik vom
Netz bewirkender Kreise für die Elektronik auf die wesentlich einfachere Multiplikation
von Skalaren reduziert wird. Dem System liegt folgende mathematische Ableitung zugrunde:
Für die Wirkleistung gilt 1. U . J = U J cos UJ und es gilt 2. 4 . U . J = (5 +
J)2 - (5 -Aus 1. und 2. folgt A 2 - -2 3. 4 # U # 3 # cos UJ = (5 + 3) - (U - a)
Setzt man 4. (U + 3) U u und 5. (U - 3) = U2' dann ist
Setzt man weiter 7. (U1 + U2) = Us und #. (U1 - U2) = UO.
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dann gilt schließlich 9. # # # = U # J # cos ## = 1/4 Us # UD Die
einzelnen Schritte dieser Ableitung werden von dem erfindungsgemäß aufgebauten System
z.B. folgendermaßen vollzogen: Zu 4 Die Vektoren U und 3 erzeugen über Spulen in
einem Eisenkern (Spulen und Kern: ein elektromagnetischer Kreis A) die Flußvektoren
#U und in der Weise, daß sich ein Summenvektor ¢ U + #J) bilden kann. Dieser Summenvektor
induziert in zwei galvanisch getrennte, gleich beschaffsne Wicklungen jeweils die
Spannung #1 = k . 01 = k . (§U + Zu 5 Die Vektoren U und 5 erzeugen über Spulen
in einem zweiten Eisenkern (Spulen und Kern: ein elektromagnetischer Kreis B) die
Flußvektoren und #J in der Weise, daß sich ein Differenzvektor #2 = (#U - #J) bilden
kann. Dieser Differenzvektor induziert in zwei galvanisch getrennt, gleich beschaffene
Wicklungen jeweils die Spannung U2 = k .k #2 = k # (#U -Eisenkerne und Spulen sind
so bemessen, daß für U = D oder #J = 0 die Beträge der Spannungen #1 und #2 gleich
groß sind.
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Zu 7 und 8 Die je zweimal zur Verfügung stehenden Vektoren #1 und
#2 werden durch Gleichrichten zu Skalaren U1 und U2 gemacht, und es werden die Summe
Us = (U1 + U2) durch Reihenschaltung und die Differenz UD = (U1 - U2) durch Gegeneinanderschaltung
gebildet.
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Zu 9 US und UD werden miteinander multipliziert.
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Bild 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für gemäß der
Erfindung aufgebaute elektromagnetische Kreise. Die beiden völlig gleichen Kreise
A und B bestehen aus einem Eisenkern 1, einer an der Meßspannung U liegenden Wicklung
WU, einer vom Meßstrom 3 durchflossenen Wicklung W3 und je zwei gleich beschaffenen
Wicklungen Wui bzw. WU2 Die Wicklung WU erregt den Fluß ##, die Wicklung WJ den
Fluß J. Die Wicklungen der Kreise
sind so beschaltet, daß U und
sich im Kreis r. addieren und im Kreis B subtrahieren. Somit elltsteht in den Wicllurijsn
W des Kreises A die Spannung U1 = k (§U + J) und in den Wicklungen WU2 des Kreises
B die Spannung °2 = k (§U - ÇJ) Schließlich sorgen die Abgleichmittel 2 dafür, daß
die Flüsse U und J bei Wirkverbrauchmessungen den Winkel UJ und bei Blindverbrauchmessungen
den Winkel (90 - UJ) abbilden. Die Schritte entsprechend Gleichungen 4 und 5 sind
vollzogen.
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Um das Entstehen von Störspannungen zu vermeiden, sind die in Bild
1 schematisch dargestellten elektromagnetischen Kreise vorzugsweise mit Ringkernen
und gleichmäßig über den Ringumfang verteilten Spannungswicklungen auszuführen.
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Bild 2 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Beispiel für
gemäß der Erfindung aufgebaute elektromagnetische Kreise. Der Unterschied zum ersten
Beispiel besteht darin, daß die Kreise A'und B magnetisch nicht getrennt, sondern
gekoppelt sind, und deshalb für beide Kreise nur eine an der Meßspannung U liegende
Wicklung WU gebraucht wird.
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Eine Vereinfachung der Kreise kann ferner dadurch erreicht werden,
daß statt einer vom Meßstrom 5 durchflossenen Wicklung WJ jeweils nur ein durch
die Kernfenster hindurchgeführter stromführender Leiter vorhanden ist, die Kreise
stromseitig also Einleiter-Durchsteckwandlern gleichen.
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Eine weitere Vereinfachung gemäß der Erfindung aufgebauter elektronischer
Elektrizitätszähler kann dadurch erzielt werden, daß über im Prinzip Bild 2 entsprechende
elektromagnetische Kreise auch eine Hilfsspannung zur Versorgung der Elektronik
zur Verfügung gestellt wird. Zu diesem Zweck würde dann auf dem mittleren Schenkel
des Eisens außer der Wicklung WU noch eine Hilfswicklung angebracht sein. Ein solches
Verfahren ist deshalb ohne weiteres möglich, weil in die Hilfswicklung lediglich
eine der Netzspannung U proportionale Spannung induziert wird: die Summe der im
mittleren Schenkel des Eisens auftretenden Stromflußvektoren #J und - #J ist nämlich
gleich Null.
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Bild 3 zeigt als Beispiel das Prinzipschaltbild eines gemäß der Erfindung
konzipierten Elektrizitätszählers mit über den Eisenkern 1 magnetisch gekoppelten
elektromagnetischen Kreisen A und B. Die Wicklungen WJ werden vom Strom 5 durchflossen,
und die Wicklung Wu liegt über Abgleichmittel 2 zur Einstellung der richtigen Phasenlage
zwischen dem Spannungsfluß einerseits und den Stromflüssen anderseite an der Spannung
U. Sekundärwicklungen
liefern die Spannungen #1 = k# (#U + #J),
J2 = k # (#U - #J) sowie die Hilfsspannung UH = k . #U Letztere dient der Speisung
des Netzteils 3 zur Versorgung der Elektronik, während °1 und #2 gleichgerichtet
und schaltungsmäßig so verknüpft werden, daß die Summenspannung US und die Differenzspannung
UD entsteht. Zwecks Multiplikation von Us und U D miteinander werden die Spannungen
dann den Quantisierern 4 zugeleitet, deren spannungsproprotionals Ausgangsfrequenzen
fS und fD anschließend in der Funktionsgruppe 5 multipliziert werden. Das Zählwerk
6 zählt die von 5 abgegebenen Impulse, deren Frequenz f dem Produkt fD FS f5 proportional
ist.
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Bild 4 zeigt als zweites Beispiel das Prinzipschaltbild eines weiteren
gemäß der Erfindung konzipierten Elektrizitätszählers mit über den Eisenkern 1 magnetisch
gekoppelten elektromagnetischen Kreisen A und B.
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Der Unterschied zur Schaltung nach Bild 3 besteht darin, daß die Skalare
U und UD gar nicht erst gebildet werden, sondern entsprechend Gleichung 6 (siehe
oben) direkt mit den Spannungen U1 und °2 gearbeitet wird. Damit entfallen die funktionellen
Dperationen (U1 + U2) und (U1 - U2), und es genügt die einmalige Erzeugung von 51
und #2. Die Quadrierer 4 multiplizieren diese Spannungen mit sich selbst. Da 5 .
U 1 1-U1 . U1 ist, werden also wieder Skalare miteinander multipliziert. In der
Funktionsgruppe 5 enabshen dann schließlich Impulse mit der Frequenz f, die der
Differenz U1² - U2² proportional ist. Das Zählwerk 6 zählt die Impulse.