DE2520160C3 - Statisches Meßgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselstromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht 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 4 62 953 bekannt. Dieses weist 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 Stromwandlers abgegriffene, dem Netzstrom proportionale Spannung wird im Takt der vom Mark-Space-Modulator erzeugten Pulsspannung umgepolt. Der zeitliche Mittelwert der so erhaltenen Wechselgröße entspricht dem Produkt aus Netzspannung und Netzstrom, d. h. dielektrischen Wech5;elstromleistung.

Spannungswandler und Stromwandler erfordern einen verhältnismäßig großen Magnetkern aus hochwertigem Material und sind dementsprechend teuer. Stromwandler weisen außerdem einen Phasenfehler aul, 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 Spannungstneßkreis auf einen annehmbaren Wert reduziert werden muß.

Ein nach dem Time-Division-Verfahren arbeitendes statisches Gerät zur Messung der Wechselstromleistung der eingangs genannten Gattung ist bereits bekannt (CH-PS 4 91 391). Der von der Sekundärwicklung eines Stromwandlers gesteuerte Mark-Space-Modulator dieses Meßgerätes weist einen Oszillator mit gegenüber der Nelzfrequenz großer Frequenz sowie einen ausgangsseitigen Nullschwellenschalter auf.

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 5 51 013 und 5 38 122) die nach einer statistischen Koinzidenzmethode arbei ten, wobei je ein von der Netzspannung gesteuerter unc ein vom Netzstrom gesteuerter Mark-Space-Modulato¹ zwei Pulsspannungen erzeugen, deren zeitliche Koinzi denz ein Maß für die elektrische Leistung darstellt.

Schließlich ist ein Verfahren zur potentialfreiei Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüs seiung bekannt (DT-OS 2112 315), bei dem eil magnetisierbarer Kern, der wenigstens drei getrennt Wicklungen besitzt, mit Hilfe der einen Wicklung, de Vormagnetisierungswicklung, bis in die Sättigun gesteuert wird, wobei die zweite Wicklung, di Meßwicklung, den zu messenden Strom führt, währen

die dritte Wicklung, die Induktionswicklung, über die Flußdichteänderungen im Kern eine Induktionsspannung liefert. Diese Induktionsspannung wird differenziert und die durch Einwirkung des Meßstromes auf dem Kern auftretende zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung wird als Maß für die Stärke und Richtung des zu messenden Stromci verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein statisches Meßgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselst romnetz 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 zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Meßgerätes mit einem Time-Division-Multiplizierer,

Fi g. 2 ein Diagramm,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Dreieckstromgenerators 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 Dreieekstromgenerator 5, einem Differenzierglied 6 und einem Nullschwellenschalter 7 besteht. Der Netzwechselstrom / durchfließt die Wicklung 3. Vom Wickhingsende 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 10 das Differenzierglied 6 bildet, liegt zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 7 und dem Nullpotential.

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 Differenzierglied 17 ist zur Potentionaltrennung ei forderlich, wenn der Ausgang 19 des Dreieckstromgenerators 5 ein von Nullpotential verschiedenes Potential aufweist, was bei dem in der Fig.3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Dreieckstromgenerators der Fall ist.

Der Ausgang 20 des Nullschwellenschalters 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 Geijentakt angesteuerten Transistorschalter 2Ί, 25 arbeiten als Polaritätsumschalter eines Amplitiidenmodulators 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

ίο fließende Strom gelangt zu einem als; Filter wirkenden, mit einem Widerstand 36 und einem Kondensator 37 gegengekoppelten Verstärker 38. An den Ausgang dieses Verstärkers können zur Anzeige der Wechselstromleistung ein Gleichspannungsrnesser 39 und zur Ermittlung der elektrischen Arbeit ein Spannungs-Frequenzwandler 40, der einen Impulszähler 41 ansteuert, angeschlossen werden. Der Schaltungspunkt 35 kann auch direkt mit dem Eingang eines auf einen Impulszähler arbeilenden Strom-Frequenzwandlers verbunden werden.

Das beschriebene Meßgerät arbeitet wie folgt:
Der Dreieckstromgenerator 5 speist die Wicklung 4 mit einem dreieckfönnigen Wechselstrom I\ (F i g. 2a), dessen Frequenz groß ist gegenüber der Netzfrequenz und der den Magnetkern 2 abwechselnd in der einen und in der anderen Magnetisierungsrichtung in die Sättigung steuert. Wenn der Netzwechselstrom / den Wert Null aufweist, wird in der Wicklung 4 eine symmetrische Wechselspannung U\ induziert (F i g. 2b), die im wesentliehen aus positiven und negativen Nadelimpulscn besteht, welche sich mit gleichen zeitlichen Abständen folgen. Am Ausgang des Differenziergliedes 6 bzw. am Eingang des Nullschwellenschalters 7 entsteht eine Spannung U2 (Fig. 2c), die die Zeitachse t jeweils im Zeitpunkt eines Spannungsmaximums oder Spannungsminimums der Spannung U\ schneidet. Bei jedem Nulldurchgang der Spannung U2 wechselt der NuIlschwellcnschalter 7 seine Lage. Die rechteckförmige Pulsspannung LZ₃ (F i g. 2d) an seinem Ausgang weist eine Impulsdauer /,, auf, die gleich groß ist wie die Pausendauer T^.

Ist hingegen der Momentanwert i\ des Netzwechselstromes / größer als Null, so unterstützt dieser die magnetisierende Wirkung des Stromes l\ in dem Sinne.

daß die negativen Spannungsimpulse in der F i g. 2b — wie gestrichelt angedeutet — nach links und die positiven Spannungsimpulse nach rechts verschoben werden. Dies wirkt sich in einer Vergrößerung der Impulsdauer T_a und einer Verkürzung der Pausendauer

so Tb aus, derart, daß

^⁷"-/ k

ist, wobei k\ eine Konstante bedeutet.

Während der Impulsdauer T_a ist der Transistorschalter 21 leitend und der Transistorschalter 25 gesperrt. Im Widerstand 33 fließt ein dem Momentanwert der Nctzwechselspannung U proportionaler Strom — /j. Während der Pausendauer Tb dagegen ist der Transistorschalter 21 gesperrt und der Transistorschalter 25 leitend, so daß im Widerstand 34 ein dem Momentanwert der Nctzwechselspannung proportionaler Strom

hs -t- /2 fließt. Der Mittelwert des Stromes /3 im Schaltungspunkt 35 entspricht dem Produkt /ι · (-/2) und somit der elektrischen Leistung. Der Spannungs-Frequenz-Wandler 40 erzeugt eine der Leistung entsprechende

Pulsfrequenz, so daß der Impulszahler 41 die elektrische Arbeit registriert.

Die Vorteile des beschriebenen Meßgerätes lassen sich nun leicht erkennen. Anstelle eines Präzisionsmeßwandlers ist nunmehr ein einfacher Magnetkern mit zwei Wicklungen erforderlich, der im Sättigungsgebiet arbeitet und einen im Vergleich zu einem Meßwandler sehr geringen Querschnitt aufweisen kann. Durch den Wegfall des Stromwandlers tritt das Problem der bisher erforderlichen Phasenfehler-Kompensation gar nicht auf.

Die besten Meßrcsultate werden erreicht, wenn der vom Dreieckstromgenerator 5 erzeugte Strom I\ ideale symmetrische Dreieckform aufweist. Die Ecken des dreieckförmigen Stromverlaufs sind, wie in der F i g. 2a angedeutet, vorzugsweise abgerundet. Dadurch wird vermieden, daß im Zeitpunkt des Strommaximums und des Stromminimums des Stromes /ι im Magnetkern 2 eine rasche Flußänderung auftritt, was sich in einem Spannungssprung der Spannung U\ und in einem störenden Nadelimpuls der Spannung Ui im genannten Zeitpunkt auswirken würde. Die F i g. 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 Kondensator 44, aus einem dem Miller-Integrator 43, 44 nachgeschalteten Schwellcnschalter 45 und einem von diesem gesteuerten 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 + I_r 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 Schwellenschalters 45 erreicht, kippt dieser um und der Schalter 46 wird umgelegt. An den Eingang des Miller-Integrators 43, 44 gelangt nun ein konstanter Strom - /_r, 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 Widerstand 49 bestehendes Diffcrcnzicrglied 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 Differen/.lergliedes 48, 49 gelangt zu einem Verstärker 50, 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.
s Das Diodennetzwerk 51 weist zwei aus einer Diode 56 bzw. 57 und eine Zenerdiode 58 bzw. 59 bestehende Reihenschaltungen auf, die zwischen den Verbindungspunkt des Widerstandes 52 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 54 und Nullpotential geschaltet

ίο sind. Vom gemeinsamen Anschluß der Diode 56 und der Zenerdiode 58 führt ein Widerstand 60 zu einer Spannungsquelle — LZ₁-und vom gemeinsamen Anschluß der Diode 57 und der Zenerdiode 59 ein Widerstand 61 zu einer Spannungsquelle + U₀ Wenn die Dreieckspannung am Eingang des Verstärkers 54 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 59 überschreitet, 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

:o Spannung an der Zenerdiode 58 unterschreitet.

In der Fig.4 bedeuten 1' und t" zwei Mark-Space-Modulatoren, deren innerer Aufbau dem Mark-Space-Modulator 1 der F i g, 1 entspricht. Der Netzwechselstrom / ist in die Wicklung 3' des Modulators 1'

;₅ eingespeist und die Netzwechselspannung LZüber einen hochohmigen Widerstand 60 an die Wicklung 3" des Modulators 1" angeschlossen. Die Ausgänge 20' 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_r erzeugt. Ein Ausgang der Abtastschaltung 62 ist mit einem Vorwärtszähleingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zäh-

is lers 64 verbunden. Ein Rückwärtszähleingang 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 Dreieckstromgeneratorcn 5' und 5" der beiden Mark-Space-Modulatoren Γ und 1" dafür gesorgt wird daß deren Pulsspannungen voneinander verschiedene Pulsfrequenzen aufweisen, registriert der Vorwärts Rückwärls-Zählcr 64 die elektrische Arbeit, währcnc

so der Mittelwert seiner Ausgangsfrcqucnz f_a der elcktri sehen Leistung entspricht.

Blatt /eidnumgen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Statisches Meßgerät zur Messung der Leistung oder der Arbeit in einem Wechselstromnetz, mit s einem Multiplizierer zur Bildung des Produktes aus der Nctzwechselspannung 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 Multiplizieren steuert, der einen Oszillator mit gegenüber der Netzfrequenz großer Frequenz sowie einen ausgangsseitigen Nullschwellenschalter aufweist und 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 der Oszilla- >o tor (5; 5'; 5"; 42) den Magnetkern (2) in die Sättigung steuert und daß die zweite Wicklung (4) des Magnetkerns (2) über ein Differenzierglied (6) mit dem Nullschweltenschalter (7) verbunden ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (42) eine Stromquelle (53) steuert, die unmittelbar an die zweite Wicklung (4) des Magnetkerns (2) angeschlossen ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den eine Dreieckspannung erzeugenden Oszillator (42) und die Stromquelle (53) ein Diodennetzwerk (51) zur Abrundung der Ecken der Dreieckspannung geschaltet ist.

4. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Miller-Integrators (43, 44) an ein Differenzierglied (48, 49) zur Symmetrierung; der Dreieckspannung angeschlossen ist.

ο Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (20) des Nullschwellenschalters (7) ein Polaritätsumschalter (21, 25) eines Amplitudenmodulators (26) eines Time-Divisions-Multiplizierers angeschlossen ist.

7. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwechselspannung (trüber einen Widerstand (27) an den Eingang eines Verstärkers (28) angeschlossen ist, dem ein Invertierverstärker (30) nachgeschaltet ist, und daß der Ausgang des Verstärkers (28) und des Invertierverstärkers (30) über je einen Widerstand (3.3, 34) und einen Transistorschalter (21, 25) mit einem den Ausgang des Multiplizierers bildenden Schaltung:spunkt(35) verbunden ist.

8. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus- (>s gang (20') des Nullschwellenschalters (7') eines vom Netzwechselstrom (I) gesteuerten Mark-Space-Modulators (1') und der Ausgang (20") des Nullschwellenschalters (7") eines von der Netzwechselspannung (U) gesteuerten Mark-Space-Moduiators (1") an eine Koinzidenzschaltung (61) eines statistischen Koinzidenzmultiplizierers angeschlossen sind.