DE2527392A1 - Elektronischer mehrphasenleistungsmesser - Google Patents

Elektronischer mehrphasenleistungsmesser

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DE2527392A1
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Shoji Kusui
Nobuyasu Yamazaki
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NIHON DENKI KEIKI KENTEISHO
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NIHON DENKI KEIKI KENTEISHO
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Description

  • Elektronischer Mehrphasenleistungsmesser Die Erfindung betrifft einen elektronischen Mehrphasenleistungsmesser. Um die elektrische Leistung in einem n-Phasensystem messen zu können, ist es erforderlich, nach dem Blondelschen Theorem n-1 Wattmeter oder elektrische Leistungsmesseinrichtungen einzusetzen. So ist es beispielsweise bei der Ublichsten Mehrphasenleistungsmessung, der Leistungsmessung in einem Drehstromsystem, erforderlich, die Zweiwattmetermethode einzusetzen oder eine elektronische Leistungsmesseinrichtung zu verwenden, in der mehrere Arbeitsschaltkreise verwendet werden.
  • Die Mehrphasenleistungsmesser sind jedoch kompliziert im Aufbau und in ihrer Arbeitsweise. Besonders die üblichen eingesetzten elektronischen Leistungsmesser bestehen aus einer großen Anzahl von Teilen, weshalb sie weder zuverlässig noch wirtschaftlich sind. Außerdem sind die Charakteristiken der Meßelemente der bekannten Mehrphasenleistungsmesser nicht gleichmäßig, so daß sich daraus Unsymmetriefehler ergeben. Da diese Unsymmetriefehler korrigiert werden müssen, sind umständliche Herstellungsmethoden für die bekannten Mehrphasenleistungsmesser erforderlich, während andererseits die Meßgenauigkeit begrenzt ist.
  • Die Erfindung hat deshalb das Ziel, die Schwierigkeiten und Unannehmlichkeiten, die mit den bekannten elektronischen Mehrphasenleistungsmessern verbunden sind, zu Uberwinden.
  • Genauer gesagt ist es Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Mehrphasenleistungsmesser zu schaffen, der verhältnismäßig einfach aufgebaut ist und eine genaue Leistungsmessung in einem Mehrphasensystem zuläßt. Zu dem Zweck soll der erfindungsgemäße elektronische Mehrphasenleistungsmesser nur einen einzigen Arbeitsschaltkreis aufweisen, der sämtliche Multiplikationsvorgänge der Spannungen und Ströme der einzelnen Phasen in einen Mehrphasenwechselstromkreis durchführt. Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Leistungsmessers sollen gegenüber den bisher vorhandenen gesteigert werden.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, ist der elektronische Mehrphasenleistungsmesser nach der Erfindung mit nur einem Arbeitsschaltkreis ausgestattet, der das Multiplizieren der Spannungen und Ströme der Phasen des Mehrphasensystems ausführt, wobei die Spannungen und Ströme durch entsprechende elektronische Schalter, die den einzelnen Phasen zugeordnet werden, aufeinanderfolgend dem Arbeitsschaltkreis zugeführt werden. Im Arbeitsschaltkreis werden mehrphasige Impulssignale gebildet, die zyklisch die elektronischen Schalter derart betätigen, daß ein Ausgang entsprechend einer Summe der elektrischen Leistungen der Phasen im Mehrphasenwechselstromsystem erhalten wird.
  • Der Mehrphasenleistungsmesser nach der Erfindung benutzt die Arbeit der elektronischen Schalter so, daß nur ein einziger Arbeitskreis alle Multiplikationsvorgänge der Spannungen und Ströme der Phasen durchführen kann, wodurch die Anzahl der Komponenten des Leistungsmessers viel niedriger als die bei herkömmlichen Mehrphasenleistungsmessern ist. Daraus ergibt sich, daß der Leistungsmesser einfacher, wirtschaftlicher und genauer und außerdem zuverlässiger ist als die bekannten.
  • Zwar sind in der Meßtechnik Vielstellenmeßsysteme bekannt, z.B. bei schreibenden Thermometern mit zahlreichen Meßpunkten. Das technische Konzept der Erfindung unterscheidet sich jedoch von derartigen Vielstellenmeßsystemen grundlegend, denn es soll kombinierte Analogausgangsgrößen abgeben, indem die Eingangszeitspanne als gleich vorgegeben wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung eingehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1: ein Schaltbild eines Leistungsmessers in einem Dreiphasensystem mit Null-Leiter als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2: ein Schwingungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Leistungsmessers aus Fig. 1; Fig. 3: eine abgewandelte Schaltung fllr die Erzeugung eines im Leistungsmesser nach Fig. 1 eingesetzten Impulsbreitenmodulationskreises.
  • Das Dreiphasenwechselstromnetz mit Null-Leiter, das in der-Fig. 1 dargestellt ist, hat die dreiEhasenleiter 1, 2 und 3 sowie den Null-Leiter N, Spannungswandler PT1, PT2 und PT3 und Stromwandler CT1, CT2 und CT3. Diese Spannungs- und Stromwandler dienen lediglich dazu, einen Zugang zu den Spannungs- bzw. Stromwerten der Phasenleiter zu erhalten, und die Spannungs- und Stromwerte, die von den Wandlern festgestellt werden, werden zyklisch auf einen Arbeitskreis (der im einzelnen später noch beschrieben wird) über elektronische Schalter S1, S2 und S3 bzw. S1a, S2a und S3a gegeben; diese können Schalttransistoren sein, die an die Sekundärwicklungen der Wandler angeschlossen sind.
  • Der Arbeitskreis ist so bemessen, daß er das Produkt aus Spannung und Strom einer jeden Phase bildet und einen Stromausgangswert I erzeugt, der proportional der Summe der elektrischen Leistungen in den drei Phasen zusammen ist.
  • Der Stromausgangswert I wird durch einen Strom-Impulswandler A in einzelne Impulse umgewandelt. Diese Impulse kommen in einen Zähler F und werden von diesen integriert. Die Anzahl der im Zähler F innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gezählten Impulse ist dann ein Maß für die gesamte Leistung.
  • Der Arbeitskreis weist einen Impulsgenerator Q auf, der ein Impulssignal q0 erzeugt, und einen Impuls verteiler B, der z.B. durch ein Schieberegister gebildet wird und mehrphasige Steuerimpulse (bei dem vorliegenden Beispiel dreiphasige Steuerimpulse) erzeugt mit Hilfe des Impulssignals q0 und die mehrphasigen Steuerimpulse an die entsprechenden elektronischen Schalter verteilt. Die Ausgangsströme der Sekundärwicklungen der Stromwandler werden in wechselnder Folge dem Arbeitskreis durch die elektronischen Schalter S1a, S2a und S3a zugeführt, die durch die dreiphasigen Steuerimpulse geschaltet werden, so daß ein Mittelwert der sekundären Ausgangsströme der Stromwandler proportional der elektrischen Leistung erhalten wird.
  • In den Sekundärkreis eines jeden Stromwandlers ist ein Kondensator C eingeschaltet, damit in diesen Sekundärkreis kein Gleichstrom fließt und dieser als Stromausgangsquelle dienen kann.
  • Der Arbeitskreis weist außerdem einen impulsbreiten Modulationskreis PWM auf, der in Fig. 1 eingerahmt gezeichnet ist, welcher einen Schalttransistor Trl enthält, der vom Impulssignal q0 des Impulsgenerators Q gesteuert wird, wobei ein Kondensator Co zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors Trl eingeschaltet ist, während ein Transistor Tr2 einen Emitterwiderstand R0 hat und durch eine Bezugsspannung Eo vorgespannt ist, um einen Bezugsstrom 10 zuzuführen; eine Triggerdiode D ist durch ihren Lastwiderstand R paralle zum Kondensator C0 geschaltet, eine Gleichspannungsquelle E liegt an der gemeinsamen Klemme der Sekundärwicklungen der Spannungswandler PT1, PT2 und PT3, und ferner ist eine Gatterschaltung mit den Dioden d1 und d2 vorhanden.
  • Während der Zeitspanne, in der der Schalttransistor Trl durch das Impulssignal q0 des Impulsgenerators Q gesperrt ist, lädt der über den Transistor Tr2 zugeführte Bezugsstrom 10 den Kondensator C0 auf, so daß die Spannung am Kondensator C0 linear ansteigt. Wenn dann die Spannung des Kondensators C0 einen Wert (E + e) übersteigt, wird die Triggerdiode D, die parallel zum Kondensator C0 liegt, leitend, was zur Folge hat, daß eine Spannung (Io . R) am Lastwiderstand R der Triggerdiode D erzeugt wird. Dieser Zustand hält solange an, bis der Transistor Trl leitend wird. Folglich ist eine Nullpegelimpulsbreite eines Eingangsimpulssignals, das dem Impuls verteiler B durch den Gatterkreis d1, d2 zugeführt wird, gleich einer Zeitspanne, die für das Laden des Kondensators C0 benötigt wird; mit anderen Worten, sie kann durch folgende Gleichung festgelegt werden: = C0 (E + e) / I0 Die Impulsbreite # wird mithin durch die Eingangsspannung e moduliert. Das so modulierte Eingangsimpulssignal wird durch den Impulsverteiler B in die oben beschriebenen Dreiphasenimpulse bl, b2 und b5 geformt, und die so geformten Dreiphasenimpulse werden auf die zugehörigen elektronischen Schalter S1, S1a; S2, S2a und S3, S3a verteilt, was mit Hilfe des Impulsverteilers B geschieht. Die Arbeitsfrequenzen dieser elektronischen Schalter werden weit höher gewählt als die Frequenz des Dreiphasenwechselstroms, der gemessen werden soll.
  • In der Figur 2 sind Ausgangswellen I1, I2 und I3 dargestellt, die bei Arbeit der elektronischen Schalter S1, S S1a; S2, S2a; S3, S3a erhalten werden. Die Ausgangswellformen sind Arbeitsausgangswellenformen der ersten, der zweiten und der dritten Phasenkomponente. Der zusammengefaßte Arbeitsausgang I dieser drei Ausgänge I1, I2 und 15 wird mit Hilfe eines Glättungskondensators Cf in einen Gleichstrom geglättet, dessen Gleichstrommittelwert proportional der Summe der elektrischen Leistung in den drei Phasen ist. Dieser Gleichstrom wird durch einen Strom-Impuls-Wandler A in Impulse umgeformt, die dann von dem Zähler F über eine bestimmte Zeitspanne gezählt werden, und das Ergebnis wird dann als Leistungswert angezeigt.
  • Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel sind die Schalter S1a, S2a und S3a strombetätigte Schalter, so daß der Einfluß ihres Innenwiderstandes geringfügig zu spüren ist.
  • Außerdem ist der Arbeitsausgangswert ein Stromausgangswert, so daß der Einfluß einer Spannungsdrift, der durch den Strom-Impuls-Wandler hervorgerufen wird, ebenfalls geringfügig zu spüren ist.
  • Eine Abwandlung des Impulsbreitenmodulationskreises ist in der Fig. 5 dargestellt. Wenn ein Transistor Tr11 in diesem Schaltkreis durch ein Impulssignal vom Impulsgenerator Q in gesperrtem Zustand gehalten wird, dann lädt ein Strom Ic proportional einer Spannung (E0 + e) einen Kondensator C0 mit Hilfe eines Eingangstransistors Trl3 über eine bestimmte Zeitspanne T0 auf. Danach wird dann der Transistor Tr11 wieder leitend, woraufhin ein Schalttransistor Trl4 in gesperrten Zustand kommt, und ein konstanter Strom I0, der durch einen aus einem Transistor Trl2, einem Widerstand R0 und einer Bezugsspannung Eo bestehenden Kreis erhalten wird, fängt an, den Kondensator C in umgekehrter Richtung zu laden (d.h. zu entladen).
  • Damit nimmt das Basispotential des Transistors Trl4 in einem Maße ab, das Proportional den Strom 10 ist, und schließlich wird der Transistor Trl4 wieder leitend. Es muß jedoch vermerkt werden, daß der Transistor Tr14 für die Zeitspanne # gesperrt gehalten wird, in der der Kondensator C0 entladen ist. Da die Ladungsmenge IcT0 des Kondensators C0 gleich der Entladungsmenge I0# ist, kann die Zeitspanne # auch durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: = IcTc / I0 # (E0 + e) Die Zeitspanne # wird also durch die Eingangsspannung e moduliert. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 wird der AusgangsimpulS der Schaltung aus Fig. 5 dann dem Impulsverteiler B zugeleitet.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Kombination aus Impulsbreitenmodulationskreis und elektrischen Schaltern und speziell die Verwendung des Kondensators, der die Stromwandler miteinander verbindet, dazu beitragen, die mehrphasige Leistungs-Strom-Umwandlung wirksam zu machen und die für die elektrische Leistungsmessung benötigten Einzelteile ihrer Zahl nach zu verringern. Da außerdem der Impulsbreitenmodulationskreis für sämtliche Phasen gemeinsam benutzt wird, ist auch die Symmetrie zwischen den Phasen nicht gestört, so daß auch die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung beträchtlich verbessert ist.
  • Wie bereits beschrieben, ist der Ausgangswert des Arbeitskreises ein Stromausgangswert, so daß es ein Leichtes ist, den Ausgangswert mit Hilfe eines Kondensators zu integrieren, was zu einem elektrischen Leistungsmesser hoher Genauigkeit führt.

Claims (3)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e
    Elektronischer Mehrphasenleistungsmesser mit einem die Spannung und den Strom jeder Phase eines Mehrphasensystems miteinander multiplizierenden Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis in Aufeinanderfolge die Spannungen und Ströme der Phasen durch die Wirkungen zahlreicher Schaltelemente, die für jede Phase vorgesehen sind, aufnimmt, wobei die Schaltelemente durch entsprechend der Phasenzahl mehrphasige Impulssignale zyklisch betätigt werden und der Schaltkreis einen Stromausgangswert erzeugt, der der Summe der Phasenleistungen entspricht.
  2. 2. Leistungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis einen Stromwandler auf seiner Eingangsseite für jede Phase und in der Sekundärwicklung der Wandler je einen Reihenkondensator hat, der verhindert, daß ein durch die Schaltelemente und eine Belastung bedingter Gleichstrom im Sekundärkreis in umgekehrter Richtung fließt, so daß der Schaltkreis als Multiplikationskreis in einem Stromausgangssystem arbeitet, das die Ausgangswerte der Stromwandler als Stromquellen benutzt, und diese Ausgangswerte integriert.
  3. 3. Leistungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Mehrphasenimpulsgenerator zur Erzeugung eines Impulssignals, welches impulsbreitenmoduliert ist in Abhängigkeit von den Eingangsspannungen der Phasen, wobei das so modulierte Impulssignal zum zyklischen Ein- und Ausschalten der Ströme der Phasen eingesetzt ist, worauf sich ein Stromausgangswert ergibt, der der Summe der elektrischen Leistungen in den Phasen entspricht.
    L e e r s e i t e
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