DE2539981A1

DE2539981A1 - Geraet zum messen elektrischer energie

Info

Publication number: DE2539981A1
Application number: DE19752539981
Authority: DE
Inventors: Miran Milkovic
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-13
Filing date: 1975-09-09
Publication date: 1976-04-01
Also published as: GB1519787A; JPS5154470A; FR2284885B1; CH598607A5; FR2284885A1

Description

Dr. Horst Schüler

patentanv.-ait

5. September 1975 _{Schu β /Voβ /he} ^

3716-5D-51o3/5D-51o4

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Gerät zum Messen elektrischer Energie

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Messen elektrischer Energie, beispielsweise in Kilowattstunden, in elektrischen Systemen und im einzelnen auf ein Gerät zum Messen elektrischer. Energie in einem elektrischen Einphasen-WechseIstromsystem mit drei Leitungen.

Der Begriff 'Einphasen-Dreileitersystem¹ ist leicht unter Bezug auf Figur 1 der anliegenden Zeichnungen erklärbar. Im wesentlichen gleich große Netzleitungsspannungen V, und V₂ werden an das elektrische Energie verbrauchende System angeschlossen, das auszumessen ist. Diese Spannungen sind 'einphasig¹ in dem Sinne, daß sich die Spannung von der Klemme 1 zur Klemme 2 in Phase mit der Spannung von der Klemme 2 zur Klemme 3 und ferner in Phase mit der Spannung von der Klemme 1 zur Klemme 3 befindet. Es sind drei mit 11, 12, 13 bezeichnete Leitungen oder Drähte vorgesehen. Bei einer angenommenen Stromrichtung i, in der Leitung 11 ist die Stromrichtung in der Leitung 13 gleich i₂» Die Leitungen 11 und 13 können als die unter Strom stehenden oder leitenden bzw. nicht gemeinsamen Leitungen angesehen werden. Wenn die Belastungen (an die die Spannungen V, und V₂ angelegt werden) ausgeglichen bzw. symmetrisch sind,

6098U/083S

führt die 'gemeinsame' Leitung 12 einen Nullstrom; sonst führt diese Leitung einen Unsymmetriestrom. Es ist zweckmäßig wenn man die Spannungen V. und V~ jeweils als 'Halbphasenspannung' betrachtet.

Elektrische Leistung In Kilowattstunden bzw. in kWh wurde und wird unter Zuhilfenahme des Drehscheibenzählertyps gemessen, der unter anderem in 'Electrical Meterman's Handbook¹, Kapitel 7, 7.Ausgabe, veröffentlicht 1965 vom Edison Electric Institute_/ beschrieben ist. Die nachfolgend erläuterte Erfindung beinhaltet ein Abgehen von dem Verfahren und der Vorrichtung nach dem Zähler vom Drehscheibentyp.

Außerdem kennt der mit der Instrumenten- und Meßtechnik bezüglich elektrischer Leistung und Energie befaßte Fachmann früher vorgeschlagene Systeme, bei denen in Geräten elektronische und Festkörperglieder zum Messen von Leistung und Energie angewendet werden. Bei solchen Geräten ersetzen die elektronischen und Festkörperglieder die herkömmliche Drehscheibe. Jedoch ist ein solches Gerät in erster Linie für Mehrphasensysteme oder für einphasige Zweidrahtsysteme im Gegensatz zu Dreidrahtsystemen gedacht," auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist.

So werden bei bekannten Systemen der durch ein Netz fließende Strom und die Spannung an einer an das Netz angeschalteten Lastimpedanz jeweils erfaßt und diese Parameter repräsentierende Signale an einen Impulsbreiten-Amplitudenmultiplizierer angekoppelt. Der Multiplizierer erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zum Produkt des erfaßten Stroms und der Spannung ist. Dieses Signal wird dann mittels eines Tiefpaßfilters gemittelt, um eine Gleichspannung mit einer Amplitude zu erzeugen, die proportional zur mittleren Gesamtleistung des elektrischen Systems ist. Diese Gleichspannung wird durch einen Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer zu einer Impulsfolge umgesetzt, deren variable Signalwiederholungsrate bzw. Impulsfolgefrequenz f proportional zur mittleren Leistung im System ist, wobei jedes Ausgangsimpulssignal eine konstante, gequantelte Menge an elektrischer Energie reprä-

6098U/0836

sentiert. Die Ausgangsimpulsfolge wird dann an einen Anzeigemechanismus angekoppelt, der beispielsweise einen Zähler oder ein Register enthalten kann, wobei dieser Mechanismus übliche Speicherund Anzeigefunktionen ausführt. Jedoch ist keines der bekannten Meßsysteme zum Messen der in einem Einphasen-Dreidrahtsystem verbrauchten Leistung bestimmt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zum Messen elektrischer Energie (Kilowattstunden =kWh) in einem Einphasen-Dreidrahtwechselstromsystem zu schaffen.

Nach der vorliegenden Erfindung weist das Gerät nach der Ausführungsform aus Figur 1 der Zeichnungen einen Stromwandler mit zwei Primärwicklungen auf, wobei jeweils eine in Reihe mit einer zugeordneten Leitung in dem elektrischen System geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist an einen Impulsbreiten-Amplitudenmultiplizierer angeschlossen. Ein Spannungswandler ist mit seinen Primärwicklungen über die Lastimpedanzen des Systems geschaltet, während die Sekundärwicklungen mit dem Multiplizierer verbunden sind. Der Ausgang des Multiplizierers führt zu einem Tiefpaßfilter, das seinerseits mit einem Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer zum Umsetzen des Produktsignals zu einer Impulsfolge verbunden ist, deren Frequenz proportional zur mittleren Leistung des Systems ist. Der Ausgang des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers ist mit einer Ausgangsanzeige verbunden. Eine allgemeinere Definition der vorliegenden Erfindung und weitere Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Das Messen von Kilowattstunden bzw. kWh in einem Einphasen-Dreidraht-Niederfrequenzwechselstromnetz erfolgt durch Erfassen des Stromflusses in zwei Leitungen des Dreidrahtsystems mittels eines Stromwandlers mit zwei Primärwicklungen und einer einzelnen Sekundärwicklung. Die Spannung im System wird mittels eines Spannungswandlers erfaßt, dessen Primärwicklung über die Lastimpedanzen geschaltet und dessen Sekundärwicklung mit einem bezüglich der impulsbreite amplitudenmodulierten Multiplizierer verbunden sind. Dieser leitet ein Signal ab, das proportional zum Strom im System

6.0 98U/0836

und zur erfaßten Spannung an den Lastimpedanzen ist. Das Ausgangssignal des Multiplizierers wird zu einer Gleichspannung umgewandelt, die proportional zu der von den Lastimpedanzen verbrauchten mittleren¹ Gesamtleistung ist, wobei das mittlere Gleichspannungsleistungssignal von einem Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer zu einer Impulsfolge umgesetzt wird. Somit stellt das Ausgangssignal des Umsetzers eine Reihe von Ausgangsimpulssignalen dar, deren Wiederholungsgeschwindigkeit bzw. Folgefrequenz f proportional zur mittleren Leistung ist. Jedes Impulssignal stellt eine konstante oder gequantelte Menge an/elektrischer Energie dar. Ein Zähler oder Register sorgt für das Durchführen herkömmlicher Speicherungs- und Anzeigefunktionen in. Abhängigkeit von den Ausgangsimpulsreihen des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers.

Andere Ziele, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführung sformen in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 - ein Blockschaltbild eines einphasigen, elektrische Energie messenden Wechselstromsysteme nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 2 - ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Abwandlung von derjenigen aus Figur 1 und

Figur 3 - in einer schematischen Darstellung das Tiefpaßfilter 17 aus Figur 2.

In Figur 1 ist ein elektrisches Einphasen-Dreidraht-Wechselstromsystem mit jeweils einer ersten und zweiten elektrischen Spannungsoder Energiequelle V, und V₂ dargestellt. An die Energiequelle V₁ ist eine Lastimpedanz Z. mittels eines ersten nicht gemeinsamen Leiters 11 und eines gemeinsamen oder 'neutralen¹ Leiters 12 angeschlossen. Eine zweite Lastimpedanz Z₂ ist mit der zweiten Energiequelle V₂ mittels eines zweiten nicht gemeinsamen Leiters 13 und des gemeinsamen Leiters 12 verbünden.

Ein Stromwandler 17 mit zwei Primärwicklungen 21 und 22 sowie einer

6098U/0836

einzigen Sekundärwicklung 2 3 wird dazu benutzt, den Pegel des Stromflusses in den Lastimpedanzen Z, und Z₂ zu erfassen. Daher sind die Primärwicklung 21 gemäß Darstellung in Reihe mit dem Leiter 11 und die Primärwicklung 22 in Reihe mit dem Leiter 13 geschaltet, was ebenfalls in der Figur dargestellt ist. Die Sekundärwicklung 23 des Stromwandlers 17 ist mit einem Impulsbreiten-Amplitudenmultiplizierer 25 verbunden. Ein Spannungswandler 27 hat eine Primärwicklung 29, die über beide Lastimpedanzen Z, und Z₂ gemäß Darstellung geschaltet ist. Die Sekundärwicklung 3o des Spannungswandlers 27 ist direkt mit dem Multiplizierer 25 verbunden. Die gesamte Primärspannung V , und V „ wird in die Sekundärspannung V umgewandelt, so daß der Wert dieser Spannung proportional zu einer Hälfte der Summe der Spannungen V , und V - ist. Daher ist die Spannung V proportional zur halben Gesamtspannung an den Lastimpedanzen multipliziert mit dem passenden Wandlerverhältnis. Der Multiplizierer hat damit nur einen Stromeingang und einen Spannungseingang, obwohl die elektrische Energie in einem Dreidrahtsystem gemessen wird.

Wie es bekannt ist, stellt das Ausgangssignal V"_M des Multiplizierers 25, der irgendeinen bekannten Aufbau haben kann (siehe beispielsweise die US-Patente 3 794 917; 3 875 5o9; 3 875 5o8)\ ein in ein amplitudenmodeliertes Impulsbreitensignal dar, wobei die Ausgangsspannung der folgenden Gleichung genügt:

V_M = k,i χ V_o , wobei (1)

ist und wobei k, und k₂ Dimensionskonstanten sind. Dieses Ausgangs signal wird dann gemittelt und zu einem Gleichspannungssignal umge setzt, und zwar in einem Tiefpaßfilter 33, das ein übliches passives oder aktives Filter sein kann. Eine Type eines Tiefpaßfilters, das sich für eine Verwendung als Filter 33 eignet, ist eine modifizierte Version aus Figur 3, die nachfolgend erläutert wird. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 33 ist ein Gleichspannungssignal Vp, dessen Amplitude proportional zur mittleren Gesamtleistung in den Lastimpedanzen Z, und Z₂ ist. Dementsprechend ergibt sich die Spannung V_p am Ausgang des Tiefpaßfilters 33 nach der folgenden Gleichung

^VF ^{= k}3^(Vpl^Ipl^COSei^{) + k4}(^Vp2^Ip

609814/0838

"" D —

wobei ko und k. Dimensionskonstanten, V und I Effektivspannungen und -ströme und Θ.. und θ_? Lastimpedanzphasenwinkel der Impedanzen Z, und Z₂ sind. Dieses Gleichspannungssignal wird dann an den Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer 35 angekoppelt, der von dem in den US-Patenten 3 818 34o, 3 875 5o9 und 3 875 5o8 beschriebenen Typ sein kann. Der Umsetzer 35 setzt das Gleichspannungssignal in eine Impulsfolge um, deren Wiederholungsgeschwindigkeit bzw. Impulsfolgefrequenz proportional zu der im elektrischen System verbrauchten mittleren Leistung ist. Jeder Ausgangsimpuls repräsentiert eine konstante oder gequantelte Energiemenge, die einer vorbestimmten Wattstundenzahl pro Impuls entspricht. Die Impulsfolge wird zu einer Ausgangsanzeige 37 geführt, die vorzugsweise ein Register oder einen Zähler zum Durchführen herkömmlicher Speicherungsund Anzeigefunktionen in Abhängigkeit von den empfangenen Ausgangsimpulsreihen des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers 35 hat. So führt das Ausgangsanzeigeglied 37 zu einer Integration des Ausgangssignals des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzers 35, um hierdurch ein Ausgangssignal abzuleiten, das der elektrischen Energie des Einphasen-Dreidrahtsystems entspricht.

Die Ausführungsform aus Figur 2 ist im wesentlichen aus sich heraus verständlich, was insbesondere deshalb gilt, da entsprechende Teile aus Figuren 1 und 2 mit ähnlichen Hinweiszahlen belegt sind. Die Unterschiede zwischen den Figuren 1 und 2 bestehen in folgendem: Die Stromwandler 17A und ITB sind getrennt und individuell für die zwei Halbphasen (die den Spannungen V₁ und V₂ entsprechen) angeordnet, weshalb einzelne und mit 23A sowie 23B bezeichnete Stromwandler-Sekundärwicklungen vorgesehen sind. Dementsprechend empfängt der Multiplizierer 2 5 von den Wicklungen 2 3A und 23B separate Eingangsströme i.g und i_2s· ^Der Multiplizierer 25 muß zwei getrennte Eingangsabschnitte haben. Solche Multiplizierer mit mehrfachen Abschnitten sind in den zuvor genannten US-Patenten beschrieben, die in Verbindung mit der Erläuterung des Multiplizierers 25 aus Figur

1 erwähnt wurden. Jedoch wird auch in der Ausfuhrungsform aus Figur

2 nur ein einziges Spannungssignal V abgeleitet (von der Wicklung 3o) und jedem Abschnitt im Multiplizierer 25 zugeführt. Ferner liefert der Multiplizierer 25 aus Figur 2 zwei für die beiden Halbpha-

6098U/0836

sen zuständige ProduktausgangsSigna le V und V „, und nicht ein einzelnes Ausgangssignal V„ wie nach Figur 1. Daher muß das Tiefpaßfilter 33 aus Figur 2 zusätzlich zu seiner Filterfunktion auch eine Summierfunktion haben, was unter Bezug auf Figur 3 erläutert ist.

In Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Tiefpaßfilters 33 aus Figur 2 dargestellt, und zwar mit einer Abwandlung gegenüber dem Tiefpaßfilter 33 aus Figur 1. Gemäß der schematischen Darstellung sind an den Multiplizierer 2 5 die Spannung V„ vom Spannungswandler 27 und die Spannungen V₃₃ und V₃₃ angekoppelt, die von den Sekundärwicklungen 23A und 2 3B der entsprechenden Stromwandler 17A und 17B abgeleitet sind. Die Ausgangssignale V_M1 und V_u~ des Multiplizierers 25 sind an ein Paar von Widerständen 53 sowie 55 angekoppelt, die ihrerseits über entsprechenden Kondensatoren 54 sowie 56 mit einer Referenzpotentialquelle verbunden sind, wie Erde bzw. Masse. Die Kondensatoren 54 und 56 bilden in Verbindung mit den Widerständen 53 und 55 ein Tiefpaßfilter, wodurch die Ausgangssignate des Multiplizierers in Gleichspannungssignale umgewandelt werden, deren Werte proportional zu den Teilleistungen sind, welche von den Produkten der Spannung V„ und den strombezogenen Spannungen V-_3A und V~~_R gebildet werden. Diese Gleichspannungssignale werden dann über Widerstände 99 und lol zu einem Summierverstärker Io2 üblichen Aufbaus geleitet. Die Anordnung aus Figur 3 kann auch für die Ausführungsform aus Figur 1 benutzt werden, wobei jedoch die Widerstände 55 und 99 sowie der Kondensator 56 als überflüssig entfallen können.

Die Ausfuhrungsformen aus Figuren 1 und 2 haben jeweils ihre eigenen Vorteile. Während die Ausführungsform aus Figur 1 einfacher ist, erfordert sie einen Stromwandler mit drei Wicklungen. Ferner muß hierbei der Multiplizierer 25 nur einen einzelnen Abschnitt haben (wie es im zuvor genannten US-Patent 3 875 5o8 beschrieben ist), und das Tiefpaßfilter 33 ist einfacher. Im Gegensatz hierzu erfordert die Ausführungsform aus Figur 2 für den Stromwandler vier Wicklungen. Der Multiplizierer 25 muß mehrere Abschnitte haben (wie es in den zuvor genannten US-Patenten 3 794 917 oder 3 875 5o9

609814/0836

_₈_ 2539381

beschrieben ist), und das Tiefpaßfilter 33 muß eine Summierfunktion ausüben. Jedoch hat die Anordnung aus Figur 2 den Vorteil, daß sie leicht an eine möglicherweise zukünftige Umwandlung von einem Einphasen-Dreidraht-Wechselstromsystem zu einem Dreiphasen-Wechselstromsystem mit einem Minimum an Änderungen anpaßbar ist.

Beide Ausführungsformen (Figuren 1 und 2) sind für einen in den USA üblichen 6o Hz Netzbetrieb geeignet und aber auch leicht an andere, vergleichsweise niederfrequente Netzbetriebsarten anpaßbar. Beide Ausführungsformen ermöglichen einen Aufbau aus Festkörperkreisen in den Blöcken 25, 33, 35 und 37.

- Patentansprüche -

609814/0836

Claims

Patentansprüche

(W Gerät zum Messen von in einem Einphasen-Dreidraht-Wechselstromsystem verbrauchter elektrischer Energie, wobei die drei Netzleitungen eine erste sowie eine zweite nicht gemeinsame Leitung und eine gemeinsame Leitung aufweisen, wobei in dem System erste und zweite Lasten entsprechend von den ersten und zweiten nicht gemeinsamen Leitungen zur gemeinsamen Leitung geschaltet sind, wobei ferner ein Impulsbreiten-Amplitudenmultiplizierer, ein an dessen Ausgang angekoppeltes Tiefpaßfilterglied, ein an dessen Ausgang angekoppelter Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-Umsetzer, ein eine Speicherfunktion in Abhängigkeit von den empfangenen Ausgangsimpulsreihen des Analogwert-Impulsgeschwindigkeit-ümsetzers ausübendes Anzeigeglied und Spannungswandlersowie Stromwandlermittel zum Ankoppeln von Signalen an den Multiplizierer vorliegen, wobei diese Signale entsprechend repräsentativ für die den Halbphasen des Systems zugeführten Spannungen und die von den nicht gemeinsamen Drähten geführten

Ströme sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswandlereinzige

mittel (27) eine/über aie nicht gemeinsamen Drähte bzw. Leitungen (11, 13) geschaltete einzelne Spannungswandler-Primärwick-

einzige
lung (29) und eine/mit einem Eingang des Multiplizierers (25) verbundene einzelne Spannungswandler-Sekundärwicklung (3o) aufweisen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwandlermittel (17) einzelne Stromwandler-Primärwicklungen (21, 22), die jeweils in Reihe mit jeder nicht gemeinsamen Leitung (11, 13) geschaltet sind, und eine mit einem Eingang des Multiplizierers (25) verbundene einzelne Stromwandler-Sekundärwicklung (2 3) aufweisen.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwandlermittel (17A, 17B) einzelne Stromwandler-Primärwicklungen (21, 22), die jeweils in Reihe mit jeder nicht gemeinsamen Leitung (11, 13) geschaltet sind, und entsprechende einzelne Stromwandler-Sekundärwicklungen (23A, 23B) aufweisen, von de-

609814/0838

nen jede an einen einzelnen Eingang des Multiplizierers (25) angekoppelt ist, wobei das Tiefpaßfilterglied (33) zusätzlich zu seiner Filterfunktion eine Summierfunktion ausübt.

6098U/0836

Leerseite