DE2651579A1 - Anordnung und schaltung zur messung elektrischer leistung und energie - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Ka'i 1

FH 76/26

Spa/wö 5. November 1976

"Anordnung und Schaltung zur Messung elektrischer Leistung und Energie"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung elektrischer Leistung und Energie, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler und außerdem auf eine hierfür geeignete Schaltung.

Elektronische Elektrizitätszähler haben im allgemeinen ein Meßwerk, das im wesentlichen aus einem elektronischen Multiplizierer zur Durchführung der Momentanmultiplikation der Meßgrößen Spannung und Strom und einem Quantisierer besteht, der das Produkt der Meßgrößen in eine Impulsfolge umsetzt, deren Frequenz der Wirkleistung bzw. Blindleistung proportional ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DT-OS 2 4-56 94-2 als bekannt vorausgesetzt.

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Der hierbei eingeschlagene meßtechnische Weg gewährleistet eine fehlerfreie Verarbeitung auch oberwellenbehafteter Meßgrößen. Dabei sind jedoch bei den bekannten Anordnungen zur Lösung der Meßaufgabe größtenteils analog arbeitende Schaltungen erforderlich, die sich einer Integration der Bauelemente weitgehend entziehen und eine Verarbeitung mit Mikroprozessoren ausschließen. Andere Anordnungen, die mit einem geringeren Anteil analoger Schaltungsteile auskommen, haben als Nachteil, daß sie bei oberwellenbehafteten Meßgrößen fehlerhaft arbeiten. Das gleiche gilt für Schaltungen, bei denen die Meßgrößen von vornherein digitalisiert und erst dann weiterverarbeitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung von elektrischer Leistung und Energie aufzuzeigen, die auch bei oberwellenbehafteten Meßgrößen fehlerfreie Ergebnisse ermöglicht und sich durch eine Schaltung realisieren läßt, bei der viele Schaltungsbereiche digital aufgebaut sind und Mikroprozessoren zur Anwendung gelangen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Impulsgeneratoren vorgesehen sind, von denen der eine mit der Summe und der andere mit der Differenz zweier von den Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom abgeleiteter Spannungen so ausgesteuert wird, daß die Differenz der Frequenzen der am Ausgang der Generatoren entstehenden Impulsfolgen ein Maß für die elektrische Leistung ist und entweder die Summe der Impulse einer durch die Differenz gebildeten neuen Impulsfolge oder die Summe der Differenzen der durch Einzählen der Ausgangsimpulse der Generatoren in Zählwerke gebildeten Zählerstände ein Maß

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für die elektrische Energie ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist durch eine Schaltung realisiert, bei der die beiden identischen Impulsgeneratoren im wesentlichen jeweils aus einem Integrator und einem nachgeschalteten Komparator bestehen, von dessen Ausgang ein Schalter gesteuert wird, der je nach Schalterstellung eine Referenzspannung über einen Widerstand auf den Summationspunkt des zugehörigen Integrators führt, so daß jeweils eine Oszillatorschleife gebildet ist, die am Ausgang des Integrators Dreiecksignale und am Ausgang des !Comparators Rechtecksignale erzeugt und deren Frequenz in dem einen Generator durch die Summe und in dem anderen Generator durch die Differenz der den Meßgrößen Spannung und Strom proportionalen Spannungen, welche über Widerstände ebenfalls auf den Summationspunkt geführt werden, nach der Beziehung

^f1 - ^f10 - ^k1 K ⁺ V^{2 bzw}· ^f2 - ^f20 - ^k2 ^(uu - ^ui⁾²

ausgesteuert wird. Die an den Ausgängen der Generatoren auftretenden Impulse werden danach in je einen Zähler eingezählt, und von den Zählerständen bildet ein nachfolgender Parallelsubtrahierer in geeigneten Zeitintervallen die Differenzen, welche anschließend von einem Addierer aufsummiert werden, und die auf eine Anzeige gegebene Summe stellt ein Maß für die elektrische Energie dar. Bei einer anderen möglichen Ausführung der Schaltung werden die am Ausgang der Generatoren auftretenden Impulse auf den "Vorwärts- bzw. Rückwärtszähleingang eines Umkehrzählers gegeben und die am Übertrage^sausgang auftretenden neuen Impulse, deren mittlere Frequenz proportional der Wirkleistung ist, werden in einem Zählwerk als Maß für die elektrische Energie aufsummiert.

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Ein nach, der Erfindung aufgebauter elektronischer Elektrizitätszähler hat den Vorteil, daß er nahezu vollständig aus digitalen Schaltungsgruppen aufgebaut und daher unabhängig von der Linearität sowie den Drifteigenschaften analog arbeitender Bauelemente ist. Dadurch ist einerseits die Integration der einzelnen !Punktionsblöcke oder die Verarbeitung mit Mikroprozessoren und damit ein preisgünstiger Aufbau leicht möglich, andererseits läßt sich über lange Betriebszeiten Genauigkeitskonstanz erreichen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung und deren Funktion näher erläutert.

Es zeigen

Fig. i ein Blockschaltbild für die erfindungsgemäße Anordnung und

Fig. 2 einen Schaltungsaufbau zur praktischen Durchführung der Anordnung.

Im Blockschaltbild nach Fig. Λ ist ein Impulsgenerator 1 angedeutet, dessen Ausgangsimpulsfolgefrequenz f,- in folgender mathematischer Beziehung zur aussteuernden Spannung 2"u steht:

^{= f}10 " ^k1 * (^2u)^{2 mit}

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Für die Ausgangsimpulsfolgefrequenz fg eines vollkommen identisch aufgebauten zweiten Generators 2 gilt entsprechend die Abhängigkeit von der aussteuernden Spannung Au

^f2 ^{= f}20 ~^k2 * (Au)² mit ^u = u_y - U₁ (2),

wobei auch ^ u = u· - u möglich ist.

In den Gleichungen (1) für f^ bzw. (2) für f₂ bedeuten:

f/|0» fpo^: Maximumfrequenz des Generators; k^, k2*. Konstante, die sich aus der Schaltung ergeben;

u : Momentanwert der Meßgröße Spannung oder ein der Spannung proportionaler Wert, der in bekannter Weise über Spannungswandler oder passive oder elektronische Spannungsteiler, beispielsweise über Operationsverstärker herge- * leitet wird;

u.: eine der Meßgröße Strom proportionale Spannung, die an einem Shunt oder der Bürde eines Stromwandlers aufgebaut wird.

Die Summe bzw. die Differenz der den Meßgrößen Spannung und Strom proportionalen Werte 2Tu bzw. Au kann durch entsprechende Verknüpfung der Sekundärwicklungen der Spannungs- und Stromwandler oder über Addier- und Subtrahierschaltungen mit Operationsverstärkern erzeugt werden.

Von den an den Ausgängen der Generatoren auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen f^ und fg entsprechend den vorgenannten mathematischen Beziehungen nach den Gleichun-

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gen (1) und (2) wird anschließend die Differenz in Block 3 nach folgender Gleichung gebildet:

f₂ - f,, = f₂₀ - f₁₀ + Ic₁ . (u_u + U₁)² - k₂ . (u_u - U₁)² (3)

Die Koeffizienten k^ und k₂ sind bei identischen Generatoren gleich, andernfalls können sie auf k = k,, = kp abgeglichen werden. Ähnliches gilt für die Maximumfrequenzen f^Q und font für die fg = f^Q = foQ anzusetzen ist. Ist diese Bedingung durch die Generatoren nicht gegeben, so besteht neben dem Abgleich weiterhin noch die Möglichkeit, eine konstante Differenzfrequenz A £ ₀ ~ ^f20 ~ ^f10 ^{in der} Schalung ^als Konstantfrequenz abzuziehen.

Bei entsprechend abgeglichenen Generatoren 1 und 2 ergibt sich aus der Gleichung (3) die Beziehung:

u_u - U₁)²J

f₂ - f ₁ = k . [(M_n + U₁)² - (

P 2

Aufgrund des Zusammenhanges (u + U₁) - (u - U₁) folgt:

f₂ - f/| = 4 k . u_u . U₁ und mit ρ = u_u . U₁

ergibt sich für p:

^{P =} 2fk * ^(f2 - ^f1^ ⁼ 2|t * ^f21 ⁽⁵⁾

In dieser Gleichung ist ρ proportional der gemessenen elektrischen Leistung und f₂/| = f« - f^ = Δ f ι also die Differenz der Frequenzen der Ausgangsimpulsfolgen der Generatoren 1 und 2. Die der Leistung proportionale Größe ρ kann in geeigneter Weise auf eine Anzeige 4- oder durch Auf summieren über die Zeit auf ein Zählwerk 5 gegeben werden, das damit die elektrische Energie anzeigt.

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Das Blockschaltbild (Fig. 1) ist im Schaltungsbeispiel (Fig. 2) zum besseren Verständnis der Erfindung genauer ausgeführt. Hierbei entsprechen die Schaltungsgruppen A und B den Impulsgeneratoren 1 bzw. 2 der Fig. 1, -während die Schaltungsgruppen C und D zwei unterschiedliche Lösungswege zur Differenzbildung der Frequenzen gemäß Block 5 in ^ig· 1 enthalten. Bei den Schaltungsgruppen A und B der Fig. 2 handelt es sich um besonders geeignete Anordnungen, die, abgesehen von je einem linear arbeitenden Integrator je Impulsgenerator nur als Schalter arbeitende Bauelemente enthalten. Grundsätzlich kann die Erfindung mit allen Generator- und Oszillatorschaltungen verwirklicht werden, die den mathematischen Zusammenhängen entsprechend den Gleichungen (1) und (2) gehorchen.

In der Schaltungsgruppe A (entspricht Impulsgenerator Λ der Fig. 1) werden unmittelbar auf den Summationspunkt Ί?^ eines als Integrator I/, arbeitenden Operationsverstärkers über Widerstände die Spannungen u und u. und je nach Stellung eines Schalters Sy, eine Referenzspannung +E oder -E geführt. Bei dem Schalter handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Schaltanordnung, beispielsweise um einen Junction-FET, einen MOS-FET als Analogschalter oder um einen Operationsverstärker, der als Schalter betrieben wird. Die Steuerung des Schalters B^ erfolgt von einem den Ausgang des Generators bildenden Komparator K^, durch Rechteckimpulse mit der Frequenz f^. Für JE u = 0 bzw. Au = O arbeitet die Schaltung bei richtiger Phasenlage der Aussteuerimpulse als Oszillatorschleife , so daß am Ausgang des Integrators Dreiecksignale entstehen, deren oberer und unterer Umschaltpunkt durch den Komparator bestimmt wird, dessen Ansprechschwelle

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wiederum von der Referenzspannung +E bzw. -E abgeleitet ist. Auch hier ist der Einsatz anderer Schwellwertschalter, beispielsweise der eines Schmitt-Trigger möglich. Beim Messen von elektrischer Leistung sind dagegen die Werte u und u. φθ, bzw. beim Anliegen von Spannung ist u_u * O und die Ausgangsfrequenz f^ des Generators wird entsprechend Gleichung (1) ausgesteuert.

Der Funktionsablauf in der SchaItungsgruppe B (entspricht Impulsgenerator 2 in Fig. 1) ist der gleiche wie in der Schaltungsgruppe A, lediglich wird für u- das um 180° gedrehte Signal -u. auf den Summationspunkt P« des Integrators Ir, gegeben.

Die am Ausgang der Generatoren auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen f^ bzw. f^ können zur Bildung der Differenz der Frequenzen in einer Anordnung weiterverarbeitet werden, wie die Schaltungsgruppe O der Fig. 2 zeigt. Hierbei werden die Impulsfolgen getrennt in Zähler 6 bzw. 7 eingezählt und die Zählerstände anschließend in einem Parallelsubtrahierer 8 voneinander abgezogen. Die in Zeiteinheiten gemessenen Differenzen werden in einem nachgeschalteten Addierer 9 aufsummiert, wobei die Summe ein Maß für die elektrische Energie darstellt und in dem Anzeigegerät 10 registriert wird. Dabei wird die Leistung

ρ = -jr, . fo/i entsprechend Gleichung (5) als Zwischenergebnis nicht mehr dargestellt.

Soll auch die Leistung angezeigt werden, so kann man einen anderen Lösungsweg beschreiten, wie er in der Schaltungsgruppe D der Fig. 2 als Alternative dargestellt ist. Hierbei werden die Impulsfolgen mit den Frequenzen Ϊ£ und

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über eine Antikoinzidenzschaltung 11, welche prinzipiell nicht erforderlich ist und lediglich der Flankendiskriminierung dient, auf den Vorwärts- bzw. Rückwärtszähleingang eines Umkehr zähl er s 12 gegeben. An dessen Übertrapegsausgang erscheint eine neue Impulsfolge, deren Frequenz proportional der Leistung ρ ist. Die mittlere Frequenz f entspricht der Wirkleistung P . Die Impulse können über bekannte Ansteuerschaltungen auf elektronische oder mechanische Zählwerke 13 gegeben werden, so daß der Zählerstand die gemessene elektrische Energie ausweist. Es ist auch eine direkte Anzeige des Zählerstandes an dem Anzeigegerät 14 möglich.

Die vorgeschlagene Schaltung erlaubt auch die Erfassung des Blindverbrauchs, wenn das Signal u_u zunächst noch um 90° in der Phasenlage gedreht wird oder wenn im Drehstromsystem die senkrecht zur Phasenspannung u gelegene Leiterspannung verwendet wird, die sich wiederum als Differenz der übrigen beiden Phasenspannungen erzeugen läßt. Auch zur Erfassung des Scheinverbrauchs ist die Schaltung geeignet, wenn die Meßgrößen zuvor in Effektivwerte umgeformt werden.

Zur Messung der Leistung bzw, des Energieverbrauchs in Mehrphasensystemen sind bei der vorgeschlagenen Schaltung lediglich für jede Phase die beiden Impulsgeneratoren 1,2 (Schaltungsgruppe A und B) vorzusehen und die Impulsfolgen der von Z u bzw. Δ u ausgesteuerten Generatoren zunächst additiv oder über koinzidenzunterdrückende Schaltungen auf ►je einer gemeinsamen Impulsleitung zusammenzufassen und diese der Schaltungegruppe C oder alternativ der Schaltungsgruppe D, wie bereits ausgeführt, aufzugeben,

9 Seiten Beschreibung 9 Patentansprüche

1 Bl«tt Zeichnung mit 2 Pig.

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Leerseite

Claims (9)

1. Licentia Patent-Yerwaltungs-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main. Theodor-Stern-Kai 1

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   Patentansprüche:

   ( 1.1 Anordnung zur Messung von elektrischer Leistung und Energie, insbesondere für einen elektronischen Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Impulsgeneratoren (1, 2) vorgesehen sind, von denen der eine mit der Summe und der andere mit der Differenz zweier von den Meßgrößen Netzspannung und Verbraucherstrom abgeleiteter Spannungen (u_u, u^) so ausgesteuert wird, daß die Differenz der Frequenzen (f^, fg) der am Ausgang der Generatoren (1, 2) entstehenden Impulsfolgen ein Mtß für die elektrische Leistung ist und entweder die Summe der Impulse einer durch die Differenz gebildeten neuen Impulsfolge oder die Summe der Differenzen der durch Einzahlen der Ausgangsimpulse der Generatoren in Zählwerk· gebildeten Zählerstände ein Maß für die elektrisch· Inergie ist.

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2. 2. Schaltung der Impulsgeneratoren (1, 2) für die Anordnung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Impulsgeneratoren (Schaltungsgruppe A bzw. B) im wesentlichen jeweils aus einem Integrator (I^ bzw. Io) und einem nachgeschalteten Komparator (K,. bzw. K~) bestehen, von dessen Ausgang ein Schalter (S^ bzw. So) gesteuert wird, der je nach Schalterstellung eine Referenzspannung (+E oder -E) über einen Widerstand auf den Summationspunkt (P^ bzw. P2) des zugehörigen Integrators führt, so daß jeweils eine Oszillatorschleife gebildet ist, die am Ausgang des Integrators Dreiecksignale und am Ausgang des Komparators Rechtecksignale erzeugt und deren Frequenz (f/| bzw. Z^) in dem einen Generator durch die Summe (2u = u + u·) und in dem anderen Generator die Differenz (Au = u - Uj) der den Meßgrößen Spannung und Strom proportionalen Spannungen (u , u·), welche über Widerstände ebenfalls auf den jeweiligen Summationspunkt (P^ bzw. P«) geführt werden, nach der Beziehung f^ = f^_Q - k^ (J u) bzw. fp = fog - kp (A^u) ausgesteuert wird.
3. 3. Schaltung zur Weiterverarbeitung der an den Ausgängen der Schaltung nach Anspruch 2 auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen f.« bzw. f^ bei der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse in je einen Zähler (6 basw. 7) eingezählt werden und von den Zählerständen ein nachfolgender Parallel-Subtrahierer (8) in geeigneten Zeitintervallen die Differenzen bildet, welche anschließend von eintm Addierer (9) *ufsummiert werden, und die auf eine Anzeige (10) gegebene Summe ein Maß für die elektrische Energie darstellt·

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4. 4. Schaltung zur Weiterverarbeitung der an den Ausgängen der Schaltung nach Anspruch 2 auftretenden Impulsfolgen mit den Frequenzen f^ bzw. f^ bei ^der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse auf den Vorwärts- bzw. Rückwärtszähleingang eines Umkehrzählers (12) gegeben werden und die am Übertragsausgang auftretenden neuen Impulse, deren mittlere Frequenz proportional der Wirkleistung ist, in einem Zählwerk (13) als Maß für die elektrische Energie aufsummiert werden.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen Spannung und Strom über Wandler reduziert und die Signale Σ u bzw. A υ durch Reihen- bzw. Gegenreihenschaltung der Sekundärwicklungen erzeugt werden.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße Spannung unmittelbar, die Meßgröße Strom jedoch über einen Shunt oder Wandler in die elektronische Schaltung eingeführt werden und die Signale X u und A u durch Benutzung des Einganges von Operationsverstärkern als Summationspunkt gebildet werden.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Blindleistung bzw. des BlindVerbrauchs die Meßgröße Spannung zuvor in der Phasenlage um 90° gedreht ist oder durch vektorielle Addition aus anderen Spannungen, beispielsweise aus Leiterspannungen im Drehstromsystem abgeleitet ist.

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8. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Scheinleistung bzw. des Scheinverbrauchs die Meßgrößen zuvor in Effektivwerte (bei Sinusform auch, in Gleichrichtwerte) umgeformt sind.
9. 9. Anordnung nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Wirk-, Blind- oder Scheinleistung bzw. des Wirk-, Blind- und Scheinverbrauchs auch, im Mehrphasensystem lediglich für jede Phase die beiden Impulsgeneratoren erneut auszuführen sind und die Impulsfolgen der von der Summe (Ju) bzw. Differenz (Λυ) der Meßgrößen ausgesteuerten Generatoren zunächst additiv oder über koinzidenzunterdrückende Schaltungen auf je einer gemeinsamen Impulsleitung zusammengefaßt sind.

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