DE2520160A1 - Statisches messgeraet zur messung der leistung oder der arbeit in einem wechselstromnetz - Google Patents

Description

(ΐ.ΑΝΒίϋά GYiTj LANDiS & GYR AG CH-8301 Zug, Schweiz

Statisches Messgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselst romnetz

Die Erfindung bervieht sich auf ein statisches Messgerät der im Oberbegriff des Hauptanspruches genannten Art.

Statische Messgeräte zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselstromnetz arbeiten meistens nach dem sogenannten Time-Division-Messverfahren. Ein solches Messgerät ist beispielsweise aus der CH-PS 462 953 bekannt. Dieses v/eist zur potentialfreien Einspeisung der Netzspannung und des Netzstromes einen Spannungswandler und einen Stromwandler auf. Die sekundärseitig am Spannungswandler abgegriffene Messspannung steuert einen sog. Mark-Space-Modulator, der eine Pulsspannung erzeugt, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer dem Momentanwert der Messspannung und damit der Netzspannung proportional ist. Eine an der Bürde des St rorrwandlers abgegriffene , dem Netzstrom proportionale

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Spannung wird im Takt der vorn Mark-Space-Modulator erzeugten Pulsspannung umgepolt. Der zeitliche Mittelwert dar so erhaltenen Wechselgrösse entspricht dem Produkt aus Netzspannung und Metzstrom, d.h. der elektrischen l/echselstromleistung.

Spannungswandler und Stromwandler erfordern einen verhältnismässig grossen Magnetkern aus hochwertigem Material und sind dementsprechend teuer. Stromwandler weisen ausserdem einen Phasenfehler auf, der sich auf die Messgenauigkeit des Messgerätes ungünstig auswirkt und z.B. durch eine elektronische Fehlerkompensation im Strommesskreis oder durch ein gegenläufig wirkendes Phasendrehglied im Spannungsmesskreis auf einen annehmbaren Wert reduziert werden muss.

Es ist auch ein Messgerät mit einem Time-Division-Multiplizierer bekannt, der ohne Spannungswandler im Spannungsmesskreis auskommt, jedoch einen elektronisch fehlerkompensierten Stromwandler erfordert.

Ferner sind statische Messgeräte der hier in Rede stehenden Art bekannt (CH-PS 551 O13 und 538 122), die nach einer statistischen Koinzidenzmethode arbeiten, wobei ein von der Netzspannung gesteuerter und ein vom Netzstrom gesteuerter Mark-Space-Modulator zwei Pulsspannungen erzeugen, deren zeitliche Koinzidenz ein Mass für die elektrische Leistung darstellt.

Schliesslich ist ein Verfahren zur potentialfreien Messung

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von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung bekannt (DT-OS 2 112 315), bei dem ein magnetisierbarer Kern, der wenigstens drei getrennte Wicklungen besitzt, mit Hilfe der einen Wicklung, der Vormagnetisierungswicklung, bis in die Sättigung gesteuert wird, wobei die zweite Wicklung, die Messwicklung, den zu messenden Strom führt, während die dritte Wicklung, die Induktionswicklung, über die Flussdichteänderungen im Kern eine Induktionsspannung liefert. Diese Induktionsspannung wird differenziert und die durch Einwirkung des Messstroms auf den Kern auftretende zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung wird als Mass für die Stärke und Richtung des zu messenden Stromes verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein statisches Messgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselstromnetz zu schaffen, das ohne teure Spannungswandler und Stromwandler auskommt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches bezeichneten Merkmale.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der'Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Messgerätes mit einem Time-Division-Multiplizierer,

Fig. 2 ein Diagramm,

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Fig. 3 ein Schaltbild eines Dreieckstromgensrators und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Messgerätes mit einem nach der statistischen Koinzidenzmethode arbeitenden Multiplizierer .

In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Mark-Space-Modulator, der aus einem Magnetkern 2 mit einer ersten Wicklung 3 und einer zweiten Wicklung 4, aus einem Dreieckstromgenerator 5, einem Differenzierglied 6 und einem Nullschwellenschalter 7 besteht. Der Netzwechselstrom I durchfliesst die Wicklung 3. Vom Wicklungsende 8 der Wicklung 4 führt eine Leitung 9 über einen Kondensator 10 zu einem nichtinvertierenden Eingang eines als Nullschwellenschalter 7 arbeitenden Verstärkers. Ein invertierender Eingang dieses Verstärkers ist über eine Leitung 11 an Nullpotential und über eine Leitung 12 an das Wicklungsende 13 der Wicklung 4 geschaltet. Ein Widerstand 14, der zusammen mit dem Kondensator 1O das Differenzierglied 6 bildet, ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 7 und mit Nullpotential verbunden.

In die Leitung 11 kann ein Widerstand 15 und in die Leitung 12 ein Kondensator 16 geschaltet sein, die ein zweites Differenzierglied 17 bilden. Die beiden Ausgänge 18, 19 des Dreieckstromgenerators 5 sind im dargestellten Beispiel mit den Wicklungsenden 8, 13 der Wicklung 4 verbunden. Es ist jedoch auch möglich,den Dreieckstromgenerator 5 an eine dritte Wicklung des Magnetkerns 2 anzuschliessen. Das zweite Diffe-

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ron:; itrgl ied 17 ist zur Po tentialtrennung erforderlich, wenn dor Ausgang 19 des Dreieckst rorngenerato rs 5 ein von Nullpotential verschiedenes Potential aufweist, was bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Dreieckstromgenerators der Fall ist.

Der Ausgang 2O des Nullschv/ellenschalters 7 stellt den Ausgang des Mark-Space-Modulators 1 dar und ist einerseits an die Steuerelektrode eines Transistorschalters 21 und andererseits über einen Invertierverstärker 22, der einen im Verstärkereingang liegenden Widerstand 23 und einen im Rückkopplungszweig angeordneten Widerstand 24 aufweist, an die Steuerelektrode eines Transistorschalters 25 angeschlossen. Die im Gegentakt angesteuerten Transistorschalter 21, 25 arbeiten als Polaritätsumschalter eines Amplitudenmodulators 26.

Die Netzwechselspannung U ist über einen Widerstand 27 an einen Verstärker 28 angeschlossen, der im Rückkopplungszweig einen Widerstand 29 aufweist. Dem Verstärker 28 ist ein Invertierverstärker 30 mit einem eingangsseitigen Widerstand 31 und einem Widerstand 32 im Rückkopplungszweig nachgeschaltet. Die Ausgänge des Verstärkers 28 und des Invertierverstärkers 30 sind jeweils über einen Widerstand 33 bzw. 34 und den Transistorschalter 21 bzw. 25 an einen Schaltungspunkt 35 angeschlossen, der den Ausgang des Multiplizierers darstellt. Der im Schaltungspunkt 35 fliessende Strom gelangt zu oinern als Filter wirkenden, mit einem Widerstand 36 und '.·;!·.<·.·", Kondensator 37 gegengekoppelten Verstärker 38. An den

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Ausgang dieses Verstärkers können zur Anzeige der Wechselstromleistung ein Gleichspannungsrnesser 39 und zur Ermittlung der elektrischen /"-rbeit ein Spannungs-Frequenzwandler 40, der einen Impulszähler 41 ansteuert, angeschlossen werden. Der" Schaltungspunkt 35 kann auch direkt mit dem Eingang eines auf einen Impulszähler arbeitenden Strom-Frequenzwandlers verbunden werden.

Das beschriebene Messgerät arbeitet v/ie folgt:

Der Dreieckstromgenerator 5 speist die Wicklung 4 mit einem dreieckförmigen Wechselstrom I. (Fig. 2a), dessen Frequenz gross ist gegenüber der Netzfrequenz und der den Magnetkern 2 abwechselnd in der ainen und in der anderen Magnetisierungsrichtung in die Sättigung steuert. Wenn der Netzwechselstrom I den Wert null aufweist, wird in der Wicklung 4 eine symmetrische Wechselspannung U₁ induziert (Fig. 2b), die im wesentlichen aus positiven und negativen Nadelimpulsen besteht, welche sich mit gleichen zeitlichen Abständen folgen. Am Ausgang des Differenziergliedes 6 bzw. am Eingang des Nullschwellenschalters 7 entsteht eine Spannung IL (Fig. 2c), die die Zeitachse t jeweils im Zeitpunkt eines Spannungsmaximums oder Spannungsminimums der Spannung U₁ schneidet. Bei jedem Nulldurchgang der Spannung U^ wechselt der Nullschwellenschalter 7 seine Lage. Die rechteckförmige Pulsspannung U_^ (Fig. 2d) an seinem Ausgang weist eine Impulsdauer T auf, die gleich gross ist wie die Pausendauer T. .

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— ι —

Ist hingegen der Momentanwert i. des Netzwechselstromes I grosser als null, so unterstützt dieser die magnetisierende Wirkung des Stromes I₁ in dem Sinne, dass die negativen Spannungsimpulse in der Fig. 2b - wie gestrichelt angedeutet nach links und die positiven Spannungsimpulse nach rechts verschoben werden. Dies wirkt sich in einer Vergrösserung der Impulsdauer T und einer Verkürzung der Pausendauer T. aus, derart, dass

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α b . .

I Γ"= ¹I -^ki

^Ta ^{+ T}b
ist, wobei k₁ eine Konstante bedeutet.

Während der Impulsdauer T ist der Transistorschalter 21 leitend und der Transistorschalter 25 gesperrt. Im Widerstand 33 fliesst ein dem Momentanwert der Netzwechselspannung U proportionaler Strom - i . Während der Pausendauer T, dagegen ist der Transistorschalter 21 gesperrt und der Transistorschalter 25 leitend, so dass im Widerstand 34 ein dem Momentanwsrt der Netzwechselspannung proportionaler Strom + x_o fliesst. Der Mittelwert des Stromes i-, im Schaltungspunkt 35 entspricht dem Produkt i,. . .(-ip)und somit der elektrischen Leistung. Der Spannungs-Frequenzwandler 40 erzeugt eine der Leistung entsprechende Pulsfrequenz, so dass der Impulszähler 41 die elektrische Arbeit registriert.

Die Vorteile des beschriebenen Messgerätes lassen sich nun leicht erkennen. Anstelle eines Präzisionsmesswandlers ist nunmshr ein einfacher Magnetkern

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mit zv/ei Wicklungen erfo rdarlich, der im Sättigungsgebiet arbeitet -und einen im Vergleich zu einem i'esswandier sehr geringen Querschnitt aufweisen kann. Durch den Wegfall des Stromwandlers tritt das Problem der bisher erforderlichen Phasenfehler-Kompensation gar nicht auf.

Die besten Messresultate werden erreicht, wenn der vom Dreieckstromgenerator 5 erzeugte Strom I„ ideale symmetrische Dreieckform aufweist. Die Ecken des dreieckförmigen Stromverlaufs sind, wie in der Fig. 2a angedeutet, vorzugsweise abgerundet. Dadurch wird vermieden, dass im Zeitpunkt des Strommaximums und des Stromminimums des Stromes I₁ im Magnetkern 2 eine rasche Flussänderung auftritt, was sich in einem Spannungssprung der Spannung U₁ und in einem störenden Nadelimpuls der Spannung U~ im genannten Zeitpunkt auswirken würde. Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines Dreieckstromgenerators, der diese Forderungen auf einfache Weise erfüllt.

In der Fig. 3 bedeutet 42 einen Oszillator, der aus einem sog. Miller-Integrator mit einem Verstärker 43 und einem zu diesem parallelen Kondensator44, aus einem dem Miller-Integrator 43, 44 nachgeschclteten Schwellenschalter 45 und einem von diesem g3stsuerten Schalter 46 besteht, welcher die Polarität einer an den Eingang des Miller-Integrators angeschlossenen Stromquelle 47 steuert. In der gezeichneten Stellung des Schalters 46 fliesst ein konstanter Strom +1 von der Stromquelle 47 zum Miller-Integrator 43, 44, und die Spannung am Ausgang des Integrators steigt negativ linear an. Sobald diese Spannung den unteren Schwellenwert des Schwellenschal-

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,,_{A 1ίν}ο ι. .

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t&rs 45 erreicht, kippt dieser um und der Schalter 46 wird umgelegt. An den Eingang des Miller-Integrators 43, 44 gelangt nun ein konstanter Strom -I ,, so dass die Spannung an dessen Ausgang positiv linear ansteigt.

Der Ausgang des Miller-Integrators 43, 44 ist an ein aus einem Kondensator 48 und einem V/iderstand 49 bestehendes Differenzierglied angeschlossen, dem die Aufgabe zufällt, die vom Oszillator 42 erzeugte Dreieckspannung zu symmetrieren, d.h. eine allenfalls vorhandene Gleichstromkomponente zu sperren. Die Spannung am Ausgang des Differenziergliedes 48, 49 gelangt zu einem Verstärker 5O, der über einen zu einem Diodennetzwerk 51 gehörenden Widerstand 52 eine Stromquelle 53 steuert. Diese Stromquelle besteht aus einem Verstärker 54, dessen Ausgang den Ausgang 18 und dessen über einen Widerstand 55 an Nullpotential geschalteter invertierender Eingang den Ausgang 19 des Dreieckstromgenerators 5 darstellt.

Das Diodennetzwerk 51 weist zwei aus einer Diode 56 bzw. 57 und eine Zenerdiode 58 bzw. 59 bestehende Reihenschaltungan auf, die zwischen den Verbindungspunkt des Widerstandes 52 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 54 und Nullpotential geschaltet sind. Vom gemeinsamen Anschluss der Diode 56 und der Zenerdiode 58 führt ein Widerstand 6O zu einer Spannungsquelle -U und vom gemeinsamen Anschluss der Diode 57 und der Zenerdiode 59 ein Widerstand 61 zu einer Spannungsquelle +U . Wenn die Dreieckspannung am Eingang des Verstärkers 54 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 59 über-

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schreitet, wird die Diode 57 leitend und die Spannung dadurch begrenzt. Analog wird die zur Diode 57 entgegengesetzt gepolte Diode 56 leitend, wenn die Dreieckspannung die Spannung an der Zenerdiode 58 unterschreitet.

In der Fig. 4 bedeuten 1' und 1" zwei Mark-Space-Modulatoren, deren innerer Aufbau dem Mark-Space-Modulator 1 der Fig. 1 entspricht. Der Netzwechselstrom I ist in die Wicklung 3' des Modulators 1' eingespeist und die Netzwechselspannung U über einen hochohmigen Widerstand 6O an die Wicklung 3" des Modulators 1" angeschlossen. Die Ausgänge 2O' und 20" der beiden Modulatoren sind an eine Koinzidenzschaltung 61 angeschlossen. Eine Abtastschaltung 62 ist mit dem Ausgang der Koinzidenzschaltung 61 und mit einem Abtastgenerator 63 verbunden, welcher schmale Abtastimpulse mit der Impulsfolgefrequenz f erzeugt. Ein Ausgang der Abtastschaltung 62 ist mit einem Vorwärtszähleingang eines Vorwärts-Rückwärtszählers 64 verbunden. Ein RUckwärtszähleingang desselben ist über einen Frequenzuntersetzer 65 an den Abtastgenerator 63 gekoppelt. Das Untersetzungsverhältnis des Frequenzuntersetzers 65 ist 4:1 oder 2:1, je nachdem ob die Koinzidenzschaltung 61 nur zur Feststellung der Koinzidenz der Impulse oder auch der Koinzidenz der Impulslücken der an ihren beiden Eingängen anliegenden Pulsspannungen eingerichtet ist.

Wenn durch entsprechende Dimensionierung der Dreieckstromgeneratoren 5' und 5" der beiden Mark-Space-Modulatoren 1¹ und 1" dafür gesorgt wird, dass deren Pulsspannungen voneinander

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verschiedene Pulsfrequenzen aufweisen, registriert der Vorwärts-Rückwärtszähler 64 die elektrische Arbeit, während der Mittelwort seiner Ausgangsfrequenz f der elektrischen Leistung entspricht.

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0RI3INAL 1NSPECTiO

Claims (9)

- -12 - PATENTANSPRUCH Statisches Messgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselstromnetz, mit einem Multiplizierer zur Bildung des Produktes aus der Netzwechselspannung und dem Netzwechselstrom und mit mindestens einem Magnetkern, an dessen erste Wicklung der Netzwechselstrom oder über einen Widerstand die Netzwechselspannung angelegt ist und dessen zweite Wicklung einen Mark-Space-Modulator des Multiplizierers derart steuert, dass dieser eine Pulsspannung erzeugt, bei der das Verhältnis der Differenz zur Summe von Impulsdauer und Pausendauer dem Momentanwert des Netzwechselstromes bzw. der Netzwechselspannung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillator (42) vorgesehen ist, dessen Frequenz gross ist gegenüber der Netzfrequenz und der den Magnetkern (2) in die Sättigung steuert, und dass die zv/eite Wicklung (4) des Magnetkerns (2) über ein Differenzierglied (6) mit einem die Pulsspannung (U_) erzeugenden Nullschwellen^chalter (7) verbunden ist. ORIGINAL INSPECTED - 13 U ?! TERA M S P RUECHE

1. i-Li33garcit nach Pa Ion^anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dor Oszillator (42) eine Stromquelle (53) steuert, die unmittelbar an die zv/eite Wicklung (4) des Magnetkerns (.2) angeschlossen ist.

2. Messgerät nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (42) zur Erzeugung einer Dreieckspannung eingerichtet ist.

3. Messgerät nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Oszillator (42) und die Stromquelle (53) ein Diodennetzwerk (51) zur Abrundung der Ecken der Dreieckspannung geschaltet ist.

4. Messgerät nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (42) aus einem Miller-Integrator (43,44) und einem diesem nachgeschalteten Schwellenschalter (45) besteht, welcher über einen Schalter (46) die Polarität einer an den Eingang des Miller-Integrators (43,44) angeschlossenen Stromquelle (47) steuert.

5. Messgerät nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Miller-Integrators (43,44) an ein Differenzierglied (48,49) zur Symmetrierung der Dreieckspannung angeschlossen ist.

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6. Messgerät nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an. den Ausgang (2O) des Nullschwellenschcilters (7) ein Polaritätsumschalter (21,25) eines Amplitudenmodulators (26) eines Time-Divisions-MuItiplizierers angeschlossen ist.

7. Messgerät nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwechselspannung (u) über einen Widerstand (27) an den Eingang eines Verstärkers (28) angeschlossen ist, dem ein Invertierverstärker (3O) nachgeschaltet ist, und dass der Ausgang des Verstärkers (28) und des Invertierverstörkers (3O) über je einen Widerstand (33,34) und einen Transistorschalter (21,25) mit einem den Ausgang des Multiplizierers bildenden Schaltungspunkt (35)^:verbunden ist.

8. Messgerät nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass· der Ausgang (2O')des Nullschwellenschalters (7') eines vom Netzwechselstrom (i) gesteuerten Mark-Space-Modulators (1') und der Ausgang (2O") des Nullschwellenschalters (7") eines von der Netzwechselspannung (U) gesteuerten Mark-Space-Modulators (1") an eine Koinzidenzschaltung (61) eines statistischen Koinzidenz-Multiplizierers angeschlossen sind.

LANDIS & GYR AG Patentabteilung

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9. Messgerät nach Anspruch 1 oder einem der Anspruchs 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dor Ausgang (2.0') des '.'ullschwellenschalters (7¹) eines von Netzwechselstrom (i) gesteuerten Mark-Space-Modulator:-, (1¹) und dar Ausgang (20'') des Nullschwellenschalters (7") eines von der Metzwechselspannung (U) gesteuerten Kcrk-Space-Modulators (1") an eine Koinzidenzschaltung (61) eines statistischen Koinzidenzmultiplizierers angeschlossen sind.

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