DE2632192C2 - Zweiparabelmultiplizierer zur Messung elektrischer Leistung oder Arbeit - Google Patents

Description

30

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweiparabelmultiplizierer zur Messung elektrischer Leistung oder Arbeit der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Es sind viele Methoden bekannt, um die elektrische Leistung oder Arbeit mit statischen Mitteln zu messen. Die hierzu erforderliche Produktbildung aus Spannung und Strom kann mit einem Zweiparabelmultiplizierer erfolgen; der die mathematische Beziehung

(u-i)² = 4ui beachtlichen Meßfehler verursachen; insbesondere bewirken Asymmetrien der Dioden einen Nullpunktfehler. Außerdem werden Oberwellen in der Netzspannung und im Netzstrom bei der Messung nicht richtig erfaßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweiparabelmultiplizierer der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art zu schaffen, der keinen Nullpunktfehler aufweist.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Zweiparabelmultiplizierer mit einem Spannungsausgang und

Fig.2 einen Zweiparabelmultiplizierer mit einem Frequenzausgang.

In der F i g. 1 bedeutet 1 einen Stromwandler, dessen Primärwicklung vom Strom / eines Verbrauchers durchflossen wird und dessen Sekundärwicklung über Leitungen 2,3 an Eingänge 4' und 4" von Quadriergliedern 5' und 5" angeschlossen ist. Die Eingänge 4' und 4" sind über Widerstände 6' und 6" an eine Netzspannung Ugeschaltet. Ausgänge T und 7" der Quadrierglieder 5' und 5" sind über Leitungen 8, 9 mit Eingängen 10, 11 eines Subtrahiergliedes 12 verbunden. In die Leitungen 2,3 ist ein Umpolschalter 13 und in die Leitungen 8,9 ein Umpolschalter 14 geschaltet. Diese Umpolschalter, die z. B. aus CMOS-Analogschaltern aufgebaut sein können, sind von einem Taktgenerator 15 synchron gesteuert. Der Taktgenerator 15 erzeugt eine symmetrische Rechteckimpulsfolge mit der Taktfrequenz f, und der gleich langen Halbperioden T^und 7/>

Die Anordnung des Stromwandlers 1 und der Widerstände 6' und 6" stellt ein Addierglied und ein Subtrahierglied dar.

Während der Halbperiode T₃ gilt für den Eingangsstrom /ei am Eingang 4' des Quadriergliedes 5' und für den Eingangsstrom Id am Eingang 4" des Quadriergliedes 5":

ausnützt, wobei u den Momentanwert der Spannung und /' den Momentanwert des Stromes bedeutet. Zur Bildung des Quadrates der Summe und der Differenz der Variablen υ und /können Quadrierglieder eingesetzt werden, bei denen die erforderliche quadratische Kennlinie durch einen Polygonzug angenähert ist. Es ist auch bekannt, die annähernd quadratische Kennlinie von Halbleiterelementen auszunützen. Ferner können Thermoumformer und Effektivwertumformer als Quadrierglieder eingesetzt werden.

Ein Nachteil grundsätzlicher Art des Zweiparabelverfahrens besteht darin, daß das Multiplikationsergebnis aus der Differenz zweier Werte gebildet wird. Wenn beispielsweise die Netzspannung einen endlichen Wert aufweist und der Verbraucherstrom Null ist, bildet der Zweiparabelmultiplizierer die Differenz tß—iß = O; da jedoch die Parabelfunktionen der beiden Quadrierglieder praktisch nie identisch sind, kann ein erheblicher Nullpunktfehler auftreten.

Es sind auch Parabeimultiplizierer bekannt, die nur ein Quadrierglied aufweisen, an das mittels eines Diodennetzwerkes abwechslungsweise die Summe und die Differenz der Variablen angelegt wird, und zwar die Summe jeweils während den positiven Haibweiien der Netzspannung und die Differenz während den negativen Halbwellen. Hierbei kann der Spannungsabfall an den Dioden des Diodennetzwerkes ebenfalls einen wobei /„den Strom im Widerstand 6' bzw.6" und /,den Strom in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 1 bedeutet.

Die Quadrierglieder 5' und 5" erzeugen einen Ausgangsstrom I_a\ bzw. /._i2, der zum Quadrat des Eingangsstromes l_e\ bzw. I_c2 proportional ist:

da= ^kl ' Λ-2,1 = ^kl\'u- 'i> ·

wobei k] und £2 Konstanten bedeuten.

Für die Spannung U₃ am Ausgang des Subtrahiergliedes 12 gilt dann:

= k₃

/,)² - k₂ (I₁, -

wobei ÄT3 wiederum eine Konstante ist.

Während der Halbperiode Tb sind die beiden Quadrierglieder 5' und 5" funktionell untereinander vertauscht, so daß gilt:

= fc,

= 2

Die Ströme l_u und /,entsprechen dem Momentanwert der Netzspannung U und dem Verbraucherstrom /. Somit wird

li-i- cos (

wobei ö das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers 1, /f den Widerstandswert der Widerstände 6' und 6" und cos φ den Phasenwinkel bedeutet.

Es ist leicht ersichtlich, daß durch die periodische Vertauschung der Quadrierglieder 5' und 5" das Meßergebnis mit keinem Nullpunktfehler behaftet ist. An die Wahl der Taktfrequenz F, sind keine besonderen Bedingungen gestellt; sie kann größer oder kleiner sein als die Netzfrequenz. Netzoberwellen werden bei der Messung richtig erfaßt, weil in jedem Zeitpunkt das Quadrat der Summe und das Quadrat der Differenz der Variablen gebildet wird.

In der F i g. 2 weisen gleiche Bezugszahlen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Als Quadrierglieder sind hier steuerbare Oszillatoren 16' und 16" mit Steuereingangen 17' und 17" und Ausgängen 18' und 18" angeordnet. Diese Ausgänge sind über den Umpolschalter 14 an einen Rückwärtszähleingang 19 und einen Vorwärtszähleingang 20 eines als Subtrahierglied arbeitenden Vorwärts-Rückwärts-Zählers 21 ange-

schlossen.

Die steuerbaren Oszillatoren 16' uMd 16" erzeugen eine Impulsfolge, deren Pulsfrequenz (^ bzw. ί_Λ vom Quadrat des Steuersignals /_C| bzw. /_e2 abhängig ist. Solche Oszillatoren sind bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Beispielsweise können Oszillatoren verwendet werden, die oft als Mark-Space-Modulatoren in Time-Divmon-Mütiplizierern eingesetzt werden und die Beziehung

Der zeitliche Mittelwert 6'_u der Spannung (,/,beträgt:

erfüllen, wobei/„ die Pulsfrequenz bei /_t.-0 und l_r eine Konstante bedeutet.

Bei Verwendung von Oszillatoren dieser Art gilt dann während der Halbperiode T₃

_und

/· - / Γι ^(/u-^i

.'«2.1- Λ121 /^ J-

Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 21 bildet die Differenz der beiden Pulsfrequenzen /^ und /"_ai. ciividiert durch das Teilerverhältnis N. Er gibt an seinem Ausgang eine Impulsfolge ab mit der Impulsfrequenz Λ, für die während der Halbperiode T₃ gill:

f —

Während der Halbperiode T_b sind die beiden Oszillatoren 16' und 16" funktionell untereinander vertauscht, so daß jetzt gilt:

Γ. _ If,, — _/,■)*Ί
\_ I² _rl J

μ^ J

_
Der Mittelwert/,.der PulsfrequenzJ\.beträgt:

7" /vu+.'sfi

- ( JOl , JO2\ ι ι

= -^ ( ψ- + γ j ■ /„· ', ^rl

und stellt ein Maß dar für die elektrische Wirkleistung, während der jeweilige Zählerstand des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 21 der elektrischen Arbeit entspricht. Das Meßresultat ist auch hier mit keinem Nullpunktfehler behaftet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zweiparabelmultiplizierer zur Messung elektrischer Leistung oder Arbeit, mit einer¹ \ddierglied und einem Subtrahierglied zur Bildui er Summe und der Differenz zweier zur Netzspannung bzw. zum Verbraucherstrom proportionaler Variablen, mit zwei Quadriergliedern zur Bildung des Quadrates der Summe und des Quadrates der Differenz der Variablen und mit einem weiteren Subtraliierglied zur Bildung der Differenz aus dem Quadrat der Summe und dem Quadrat der Differenz der Variablen, gekennzeichnet durch von einem Taktgenerator (15) gesteuerte Schalter (13; 14) zur periodischen funktioneilen Vertauschung der beiden Quadrierglieder(5';5"; 16'; 16").

2. Multiplizierer nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die SchaJler (13; 14) an die Eingänge (4'; 4"; 17'; 17") und an die Ausgänge (7'; 7"; 18'; 18") der Quadrierglieder (5'; 5"; 16'; 16") angeschlossene Umpolschalter sind.