DE2610802A1

DE2610802A1 - Elektronischer wirkverbrauchzaehler

Info

Publication number: DE2610802A1
Application number: DE19762610802
Authority: DE
Inventors: Dragoljub Dipl Ing Milicevic; Borislav Dipl Ing D Stojanovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-15
Filing date: 1976-03-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: JPS5442181A; FR2344844A1; CH600345A5; GB1556896A

Description

9 R 1 Π P Π 9 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT ·' Unser Zeichen: ^IUÜUZ

Berlin und München VPA 76 P 8505 BRD

Elektroni scher Wirkverbrauchzähler

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Wirkverbrauchzähler, der eine dem Produkt aus Strom und Spannung proportionale Folge von Impulsen abgibt, wobei eine vom Meßstrora mit Hilfe eines Stromwandlers abgeleitete analoge elektrische Größe einem aus einer Integrationsstufe und einer Grenzwertstufe bestehenden Strom-Frequenz-Wandler zugeführt wird, wobei der Grenzwert der Grenzwertstufe selbsttätig in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit vom Betragswert der Meßspannung veränderbar ist, so daß eine dem Produkt von Strom und Spannung proportionale Auf- und Entladung des Integrationskondensators der Integrationsstufe erfolgt und damit die Frequenz der Auf- und Entladungen proportional dem Produkt dieser beiden Größen ist.

Gegenstand einer älteren Anmeldung (P 25 19 668.3) bildet eine Anordnung zur Erzeugung einer dem Produkt zweier analogen elektrischen Größen proportionalen Folge von Impulsen, insbesondere für die Messung elektrischer Leistung und Energie, wobei eine von der einen zu multiplizierenden Meßgröße abgeleitete analoge elektrische Größe einem aus einer Integrationsstufe, einer monostabilen Kippstufe und einer Referenzspannungsquelle bestehenden Strom-Frequenz-Wandler zugeführt wird. Die Referenzgleichstrom-' größe wird hierbei jeweils für eine von der monostabilen Kippstufe vorgegebene Zeit der analogen elektrischen Größe in der Weise überlagert, daß sie dieser Größe entgegengerichtet ist und zu einer Entladung des Kondensators der Integrationsstufe führt. Dabei wird die Schaltzeit der monostabilen Kippstufe von einer aus der zweiten Meßgröße abgeleiteten analogen elektrischen Größe derart bestimmt, daß die Schaltzeit umgekehrt proportional dem Betrag dieser Größe ist, wodurch eine dem Produkt der beiden analogen elektrischen Größen proportionale Auf- und Entladung des

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Hs 21 Sei, 27. 2. 1976

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Kondensators der Integrationsstufe erfolgt und damit die Frequenz der Auf- und Entladungen proportional dem Produkt der beiden Meßgrößen ist. Zur Messung der elektrischen Leistung und Energie in Einphasen-Wechselstromnetzen wird hierbei vorgeschlagen, daß ein Eingangssignal aus dem Meßstrom mit Hilfe eines Shunts bzw. eines Stromwandlers abgeleitet wird, daß das aus der Meßspannung abgeleitete Eingangssignal direkt in eine dieser proportionale Gleichspannung umgewandelt wird und daß die Phasenbeziehung zwischen den beiden Meßgrößen durch eine der bekannten Schaltungen berücksichtigt wird. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist, daß sie nur mit einer beschränkten Genauigkeit zu arbeiten in der Lage ist.

Durch die DT-AS 23 48 461 ist ein elektronischer Scheinverbrauchzähler bekannt geworden, der ebenfalls nach diesem Prinzip arbeitet, wobei jedoch die dem Verbraucherstrom proportionale Größe derart gleichgerichtet und über einen Umschalter einer Integrationsstufe zugeführt wird, daß anstelle der Referenzgröße zur Umladung des Integrationskondensators eine um 180° in der Phase verschobene stromproportionale Größe verwendet wird. Dies wird bei dem bekannten elektronischen Scheinverbrauchzähler dadurch bewirkt, daß der Ausgang eines zur Gleichrichtung des dem Verbraucherstrom proportionalen Stromes oder Spannung verwendeten Gleichrichters mit zwei gleichen Widerständen abgeschlossen ist und die Anschlußpunkte des Gleichrichters über jeweils einen elektronischen Schalter auf den Eingang des Operationsverstärkers der Integrationsstufe schaltbar sind, wobei die Umschaltung der elektronischen Schalter stets dann erfolgt, wenn die Ausgangsspannung des Integrators einen der beiden Grenzwerte erreicht hat.

Bei der bekannten Anordnung wird die zur selbsttätigen Veränderung der Ansprechwerte der Grenzstufe erforderliche, dem Betragsmittelwert der Phasenspannung umgekehrt proportionale Spannung mit Hilfe eines Bausteins gewonnen, der aus drei elektrischen Größen x, y, ζ den Wert (x«y)/z bildet, wobei die Größen χ und y konstant gehalten sind und die Größe ζ aus der gleichgerichteten Phasenspannung abgeleitet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Wirkverbrauchzähler der eingangs beschriebenen Art derart zu ver-

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bessern, daß der Fehler dieses Wirkverbrauchzählers praktisch um eine Größenordnung vermindert wird, insbesondere dadurch, daß irgendwelche Driften der Verstärker wie dergleichen keine Rolle mehr spielen können, wodurch mit Sicherheit ein Leerlauf des Zählers vermieden werden kann. Der elektronische Wirkverbrauchzähler ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Stromwandlers zur Bildung von zwei gleichgroßen aber gegeneinander um 180° in der Phase verschobenen analogen elektrischen Größen mit zwei gleichgroßen BUrdenwiderständen abgeschlossen ist, deren Verbindungspunkt zusammen mit einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung auf Bezugspotential gelegt ist, und daß jede der beiden um 180° in der Phase verschobenen analogen elektrischen Größen über je eine die Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung berücksichtigende Schaltungsanordnung sowie über jeweils einen elektronischen Schalter wechselweise auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers der Integrationsstufe in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße der Grenzwertstufe schaltbar ist. Ein besonders einfacher Aufbau der Grenzwertstufe ergibt sich dadurch, daß sie aus einem Komparatorverstärker gebildet ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers des Integrators und an dessen anderen Eingang eine dem Betrag der Meßspannung umgekehrt proportionale analoge Größe anlegbar ist. Vorzugsweise ist zur Bildung einer den Betrag der Meßspannung umgekehrt proportionalen elektrischen Größe eine Referenzspannung verwendet, der eine der zu messenden Spannung proportionale Spannung entgegengeschaltet ist und daß die auf diese Weise gebildete Differenzspannung mit Hilfe eines Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Komparatorverstärkers zur Wirkung gebracht wird. Hierbei ist es zweckmäßig, daß ein Eingang des Komparator-Verstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers der Integrationsstufe verbunden ist, während der andere Eingang des Komparatorverstärkers über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors auf Bezugspotential legbar ist, dessen Basis mit dem Ausgang des Komparatorverstärkers in Verbindung steht.

In einfacher Weise werden die Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung dadurch berücksichtigt, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, bei der in jedem der beiden mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers der Integrationsstu-

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fe in Verbindung stehenden Stromkreisen je zwei in Reihe geschaltete Widerstände vorgesehen sind, deren Verbindungspunkte über die Kollektor-Emitter-Strecke je eines Transistors auf Bezugspotential legbar sind und daß die Basen der beiden Transistoren mittelbar über Widerstände mit der Meßspannung in Verbindung stehen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch

dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. 10

Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltschema des elektronischen Wirkverbrauchzählers und

Figur 2 ein Diagramm der Ströme und Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit.

Mit 1 und 2 sind die Eingangsklemmen der Primärwicklung eines Stromwandlers Tr bezeichnet, in der ein Wechselstrom i(t) fließt. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers Tr ist durch zwei gleich große Widerstände Rs abgeschlossen, wobei deren Verbindungspunkt mit einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Stromwandlers Tr auf Bezugspotential (Erde) gelegt ist. Die beiden Enden der Sekundärwicklung sind über Widerstände R1 und R2 bzw. R1' und R2¹ über den Kanal je eines Feldeffekttransistors F1 bzw. F2 mit dem invertierenden Eingang (-) eines Operationsverstärkers A1 einer Integrierstufe zugeführt. Der positive Eingang des Operationsverstärkers A1 ist über einen Widerstand R6 auf das Bezugspotential gelegt. In an sich bekannter Weise ist der Integrierkondensator C1 zwischen dem invertierenden Eingang (-) und dem Ausgang des Operationsverstärkers A1 geschaltet. Durch diese Schaltungsanordnung werden zwei Ströme 11 und 12 erzeugt, die gleich groß aber in der Phase um 180° gedreht sind. Zur Berücksichtigung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung sind zv/ei Transistoren T1 und T2 vorgesehen, deren Kollektoren mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R1 und R2 verbunden sind und deren Emitter auf Bezugspotential gelegt sind. Die Basen der beiden Transistoren T1 und T2 stehen mit der Meßspannung u(t) in Verbindung, die über eine Klemme 3 und Masse zugeführt wird. Die Basen der beiden Transistoren T1 und T2 stehen über Widerstände

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R3, R4 und R5 mit der Klemme 3 in Verbindung. Eine Diode D1 schützt die "beiden Transistoren T1 und T2 gegen Überspannungen.

Durch diese Schaltungsanordnung wird bezweckt, daß stets nur eine Halbwelle des Stromes 11 bzw. 12 durchgelassen wird, wie Figur 2 zeigt. In der ersten Zeile dieser Figur ist der Strom 11 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei, wie zu ersehen ist, in der Zeitspanne T1 nur die positive Halbwelle durchgelassen wird, wenn der Feldeffekttransistor F1 durchlässig ist. Der Feldeffekttransistor F2 ist dann gesperrt. In der folgenden Zeitspanne 12 ist der Feldeffekttransistor F2 durchlässig und der Feldeffekttransistor F1 gesperrt, wie weiter unten noch ausführlich erklärt werden wird.

Der Ausgang des Operationsverstärkers A1 ist mit dem positiven Eingang eines Komparatorverstärkers A2 verbunden. An dem invertierenden Eingang (-) des Komparatorverstärkers A2 ist eine dem Betragsmittelwert der Phasenspannung umgekehrt proportionale Spannung Uc angele'gt, die durch einen Transistor T3 zur Wirkung gebracht werden kann. Zur Gewinnung der Spannung Uc wird die Meßspannung u(t) mit Hilfe einer Diode D2 gleichgerichtet und über ein RC-Glied (Kondensator C2, Widerstand R7) geglättet. Der auf diese Weise gebildeten Spannung Us wird eine Bezugsspannung Uz gegengeschaltet, so daß die Spannung Uc = Uz - K »Us entsteht.

Die Bezugsspannung Uz wird von der positiven Versorgungsspannung Vs mit Hilfe einer Referenzdiode Z1 gebildet, die über einen Widerstand R13 mit der Versorgungsspannung Vs in Verbindung steht. Dieser Referenzspannung Uz wird die Spannung Us über Widerstände R7 und R8 entgegengeschaltet. Dem Widerstand R8 ist ein Potentiometer Pc parallel geschaltet, mit dem der Ansprechwert Vc genau eingestellt werden kann. Diese Spannung Uc ist dann dem Betragsmittelwert der Spannung u(t) umgekehrt proportional.

Der Transistor T3 steht mit seiner Basis über einen Widerstand Rg mit dem Ausgang h des Komparatorverstärkers A2 in Verbindung. Eine Schutzdiode D3 ist gegen Bezugspotential geschaltet. Der Ausgang k des Komparatorverstärkers A2 ist über einen Widerstand R11 mit der Basis eines Transistors T4, dessen Emitter an Bezugs-

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potential liegt, verbunden. Der Kollektor des Transistors T4 ist über eine Diode D6 und über einen Widerstand R12 mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung Vs verbunden. Die Diode D6 ist zweckmäßigerweise als Leuchtdiode ausgebildet, da an dem Punkt 5 die Signalspannung auftritt, die einem Registriergerät R bereitgestellt ist. Der Punkt 5 ist über eine Leitung mit der Basis des Feldeffekttransistors F2 verbunden. Der Punkt 4 des Ausganges des Komparatorverstärkers A2 liegt über eine in Sperrichtung geschaltete Diode D4 und einen Widerstand R1O auf Bezugspotential. Der Verbindungspunkt 6 zwischen Widerstand R10 und Diode D4 ist mit der Basis des Feldeffekttransistors F1 verbunden, über die Punkte 5 und 6 werden also die beiden Feldeffekttransistoren F1 und F2 angesteuert und damit die beiden Ströme 11 und 12 zur Wirkung gebracht.

Wie bereits ausgeführt, ist in Figur 2, Zeile 1 der Strom 11 und in Zeile 2 der Strom 12 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. In Zeile 3 ist in Abhängigkeit von der Zeit t die Ausgangsspannung V2 des Komparatorverstärkers und in Zeile 4 die Ausgangsspannung V1 am Ausgang des Operationsverstärkers der Integrationsstufe bzw. die Spannung Uc am Integrationskondensator C1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Der Übersicht halber wurde bei der in Figur 2 gezeichneten Darstellung angenommen, daß der Strom i(t) in Phase mit der Spannung u(t) ist. Durch die beiden Transistoren T1 und T2 wird, wie zuvor ausgeführt v/orden ist, die Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung berücksichtigt. Unter der Voraussetzung, daß Strom und Spannung in Phase sind, werden in der Zeitspanne ti, die der Öffnungszeit des Transistors T1 entspricht, nur die positiven Halbwellen des Stromes 11 zur Wirkung gebracht, während in der Zeitspanne t2, die der Öffnungszeit des Transistors T2 entspricht, nur die negativen Halbwellen des Stromes 12 zur Wirkung gebracht werden. Eine Schraffur deutet die zur Wirkung kommenden Halbwellen an. Bei einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung wird nicht die gesamte Halbwelle sondern nur ein Teil, entsprechend einer Anschnittssteuerung, durchgelassen.

Die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist wie folgt:

Es wird angenommen, daß zum Zeitpunkt to der Ausgang 4 des Komparatorverstärkers A2 gerade positives Potential aufweist. Dem-

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zufolge liegt der Punkt 6 auf Bezugspotential, so daß der· Feldeffekttransistor F1 durchlässig ist. Der zuvor auf die Spannung Uc aufgeladene Integrationskondensator C1 wird nun durch den Strom 11 kontinuierlich entladen. Da der Ausgang 4 des Komparatorverstärkers A2 positiv ist, ist der Transistor T4 gesperrt, der Punkt 5 liegt auf Minuspotential, so daß der Feldeffekttransistor F2 gesperrt ist. Durch das positive Potential des Ausgangs 4 des Komparatorverstärkers A2 ist der Transistor T3 leitend, so daß der negative Eingang des Komparatorverstärkers A2 auf Bezugspotential Null gelegt ist, wobei von der Sättigungsspannung Vce dieses Transistors T3 vorerst abgesehen wird.

Ist zum Zeitpunkt ti der Kondensator C1 so weit entladen, daß das Potential V1 gleich der Sättigungsspannung Vce des Transistors T3 ist, kippt der Ausgang 4 des Komparatorverstärkers A2 von Plus auf Minus. Das hat zur Folge, daß der Transistor T3 sperrt, der Punkt 6 in den negativen Bereich wandert und somit der Feldeffekttransistor F1 gesperrt wird. Der Transistor T4 wird nun leitend, was zur Folge hat, daß der Punkt 5 Bezugspotential annimmt. Damit wird der Feldeffekttransistor F2 leitend. Die Potentialänderung des Punktes 5 wird dem Registriergerät R übermittelt. Durch den Strom 12 wird nun der Integrationskondensator C1 wieder stetig aufgeladen, wie die letzte Zeile der Figur 2 zeigt. Damit steigt das Potential am Ausgang des Operationsverstärkers A1 des Integrators an. Dadurch, daß der Transistor T3 gesperrt hat, wird an dem negativen Eingang des Komparatorverstärkers A2 die Spannung Vc wirksam, die, wie zuvor ausgeführt worden ist, in der Weise gebildet ist, daß von der positiven Spannung Uz ein der Netzspannung proportionaler Teil Us abgezogen wird. Die Spannung Uc, die am negativen Eingang des Komparatorverstärkers A2 liegt, hat somit ein definiertes positives Potential. Ist nun das Ausgangspotential V1 des Operationsverstärkers A1 bzw. die Spannung am Integrationskondensator C1 so weit angestiegen, daß sie der Spannung Uc entspricht, so wechselt das Potential V2 am Ausgang 4 des Komparatorverstärkers A2 wiederum von Minus auf Plus und der Vorgang beginnt in der zuvor beschriebenen Weise.

6 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

M J Elektronischer Wirkverbrauchzähler, der eine dem Produkt aus Strom und Spannung proportionale Folge von Impulsen abgibt, wobei eine vom Meßstrom mit Hilfe eines Stromwandlers abgeleitete analoge elektrische Größe einem aus einer Integrationsstufe und einer Grenzwertstufe bestehenden Strom-Frequenz-Wandler zugeführt wird, wobei der Grenzwert der Grenzwertstufe selbsttätig in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit vom Betragswert der Meßspannung veränderbar ist, so daß eine dem Produkt von Strom und Spannung proportionale Auf- und Entladung des Integrationskondensators der Integrationsstufe erfolgt und damit die Frequenz der Auf- und Entladungen proportional dem Produkt dieser beiden Größen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Stromwandlers (Tr) zur Bildung von zwei gleichgroßen aber gegeneinander um 180° in der Phase verschobenen analogen elektrischen Größen (11 bzw. 12) mit zwei gleichgroßen Bürdenwiderständen (Rs) abgeschlossen ist, deren Verbindungspunkt zusammen mit einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung auf Bezugspotential gelegt ist, und daß jede der beiden um 180° in der Phase verschobenen analogen elektrischen Größen (Ii bzw. 12) über je eine die Phasenbeziehungen zwischen Strom und Spannung berücksichtigende Schaltungsanordnung (T1, T2, R3, R4, R5, D1) sowie über jeweils einen elektronischen Schalter (F1, F2) wechselweise auf den invertierenden Eingang (-) eines Operationsverstärkers (A1) der Integrationsstufe in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße (V2) der Grenzwertstufe schaltbar ist.
2. Elektronischer Wirkverbrauchzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwertstufe aus einem Komparatorverstärker (A2) gebildet ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (A1) des Integrators und an dessen anderen Eingang eine dem Betrag der Meßspannung umgekehrt proportionale analoge Größe (Uc) anlegbar ist.
3. Elektronischer Wirkverbrauchzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer den Betrag der Meßspannung (u) umgekehrt proportionalen elektrischen Größe

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(Uc) eine Referenzspannung (Uz) verwendet ist, der eine der zu messenden Spannung (u) proportionale Spannung (k-Us) entgegengeschaltet ist und daß die auf diese Weise gebildete Differenz spannung (Uc) mit Hilfe eines Transistors (T3) in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße (V2) des Komparatorverstärkers (A2) zur Wirkung gebracht wird.
4. Elektronischer Wirkverbrauchzähler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang des Komparatorverstärkers (A2) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (Al) der Integrationsstufe verbunden ist, während der andere Eingang des Komparatorverstärkers (A2).über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (T3) auf Bezugspotential legbar ist, dessen Basis mit dem Ausgang des Komparatorverstärkers (A2) in Verbindung steht.
5. Elektronischer Wirkverbrauchzähler nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparatorverstärkers (A2) mit der Basis eines weiteren Transistors (T4) in Verbindung steht, und daß die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors (T4) über eine Leuchtdiode (D6) und einen Widerstand (R12) mit der negativen Versorgungsspannung (-Vs) in Verbindung steht, und daß am Kollektor des weiteren Transistors (T4) dem Produkt aus Strom (i) und Spannung (u) proportionale Signale abnehmbar sind.
6. Elektronischer Wirkverbrauchzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der beiden um 180° in der Phase verschobenen elektrischen Größen (11 bzw. 12) in jedem der beiden mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (A1) der Integrationsstufe in Verbindung stehenden Stromkreisen je zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R1, R2 bzw. R'1, R'2) vorgesehen sind, deren Verbindungspunkte über die Kollektor-Emitter-Strecke je eines Transistors (T1, T2) auf Bezugspotential legbar sind und daß die Basen der beiden Transistoren (T1, T2) mittelbar über Widerstände (R3, R4, R5) mit der Meßspannung (u) in Verbindung stehen.

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