DE2456942A1 - Elektronischer wechselstrom-elektrizitaetszaehler zur messung von wirkund blindverbrauch - Google Patents

Elektronischer wechselstrom-elektrizitaetszaehler zur messung von wirkund blindverbrauch

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DE2456942A1
DE2456942A1 DE19742456942 DE2456942A DE2456942A1 DE 2456942 A1 DE2456942 A1 DE 2456942A1 DE 19742456942 DE19742456942 DE 19742456942 DE 2456942 A DE2456942 A DE 2456942A DE 2456942 A1 DE2456942 A1 DE 2456942A1
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Otto Dipl Ing Raetsch
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Stepper & Co
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Stepper & Co
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/001Measuring real or reactive component; Measuring apparent energy

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  • Power Engineering (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zu 9 US und UD werden miteinander multipliziert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    (19 Elektronischer Wechselstrom-ElektrizitGtszählsr zur Messung von Wirk- oder Blindverbrauch, dadurch geKennzeichnet, daß der Multiplizierer zur Multiplikation der Spannung U mit dem Strom 5 aus elektromagnetischen, ohne Zwischenschaltung von Wandlern mit hohen Meßspannungen und hohen Meßströmen direkt beaufschlagbaren, eine galvanische Trennung der Elektronik vom Netz bewirkenden Kreisen und elektronischen Funktionsgruppen besteht.
  2. 2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Kreise die funktionelle Gesamtoperation der Produktbildung U . 5 für die elektronischen Funktionsgruppen auf die Multiplikation von Skalaren reduziert.
  3. 3. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierer aus zwei getrennten elektromagnetischen Kreisen und elektronischen Funktionsgruppen besteht.
  4. 4. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Kreise Ringkerne und über den Umfang der Ringe gleichmäßig verteilte Spannungswicklungen besitzen.
  5. 5. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierer aus zwei magnetisch gekoppelten elektromagnetischen Kreisen und elektronischen Funktionsgruppen besteht.
  6. 6. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Kreise des Multiplizierers stromseitig wie Einleiter-Durchsteckwandler aufgebaut sind.
  7. 7. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Funktionsgruppen des Multiplizierers Skalare miteinander multiplizieren.
  8. 8. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Funktionsgruppen des MultipiizierersD-Skalare mit sich selbst multiplizieren.
  9. 9. Elektrizitätszähler nach Ansprüchen 1 und 2 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Kreise des Multiplizierer8 auch die Hilfsspannung zur versorgung der Elektronik liefern.
DE19742456942 1974-12-02 1974-12-02 Elektronischer wechselstrom-elektrizitaetszaehler zur messung von wirkund blindverbrauch Pending DE2456942A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2651579A1 (de) * 1976-11-12 1978-05-18 Licentia Gmbh Anordnung und schaltung zur messung elektrischer leistung und energie
EP0246401A1 (de) * 1986-05-20 1987-11-25 Landis & Gyr Betriebs AG Anordnung am Stromeingang eines Messgerätes, das der gleichzeitigen Messung zweier Messgrössen dient

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2651579A1 (de) * 1976-11-12 1978-05-18 Licentia Gmbh Anordnung und schaltung zur messung elektrischer leistung und energie
EP0246401A1 (de) * 1986-05-20 1987-11-25 Landis & Gyr Betriebs AG Anordnung am Stromeingang eines Messgerätes, das der gleichzeitigen Messung zweier Messgrössen dient

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