DE2704764C2

DE2704764C2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung der einem Drehstromverbraucher zügeführten Grundschwingungswirkleistung

Info

Publication number: DE2704764C2
Application number: DE2704764A
Authority: DE
Inventors: Theodor Dipl.-Ing. Salzmann; Wolfgang Dipl.-Ing. Timpe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1977-02-04
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2704764B1; SE7800547L; CH620999A5; SE424113B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der einem Drehstromverbraucher zugeführten Grundschwingiingswirkleistung mit einer Rechenschaltung, der sowohl mindestens eine vom Verbraucherstrom als auch mindestens eine von der Verbraucherspannung abhängige Eingangsgröße züge führt und an deren Ausgang eine der Wirkleistung proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist.

In vielen Anwendungsgebieten der Elektrotechnik stellt sich die Aufgabe, die Grundschwingungswirkleistung und/oder die Grundschwingungsblindleistung eines mehrphasigen Verbrauchers möglichst trägheitslos nach Möglichkeit auch völlig unabhängig von der Frequenz der Grundschwingung zu messen. Bisher ergaben sich besonders bei der Leistungsmessung bei niedrigen Frequenzen einige Nachteile. Als niedrige

Frequenzen werden in diesem Zusammenhang Frequenzen unterhalb von 50 Wz bezeichnet. Bisher wurden für die Leistungsmessung bei besonders niedrigen Frequenzen entweder elektromechanische Meßgeräte in Sonderausführung oder elektronische Meßgeräte mit besonders empfindlicher Elektronik verwendet. Die üblichen elektromechnanischen Meßgeräte besitzen aber den Nachteil einer relativ langen Einstellzeit, so daß schnelle Leistungsänderungen nicht erfaßt werden können. Die üblichen elektronischen Meßgeräte besitzen demgegenüber zwar eine geringere Einstellzeit; dafür sind sie aber sehr fertigungs- und kostenaufwendig.

Die vorliegende Erfindung geht von einer elektronischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die genannte Schaltungsanordnung so auszugestalten, daß mit verhältnismäßig geringem Aufwand an Bauteilen und Kosten eine weitgehend trägheitslose und frequenzunabhängige Messung der Wirkleistung der Grundschwingung eines Drehstromverbrauchers, und zwar insbesondere auch bei niedrigen Frequenzen, möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rechenschaltung zwei stromabliängige Eingangsgrößen, die den Verbraucherstrom in einem orthogonalen Koordinatensystem festlegen, und auch zwei spannungsabhängige Eingangsgrößen, die die Verbraucherspannung in demselben orthogonalen Koordinatensystem festlegen, zugeführt sind, daß die Rechenschaltung ein erstes Multiplizierglieo enthält, das das Produktsignal aus der Spannungskomponente und der Stromkomponente in Richtung der einen Koordinatenachse bildet, daß die Rechenschaltung ein zweites Multiplizierglied enthalt, das das Produkisignal aus der Spannungskomponente und der Stromkomponente in Richtung der anderen Koordinatenachse bildet, und daß an einem Additionsglied als Ausgangsgröße der Rechenschaltung die Summe der beiden Produktsignale abgegriffen ist.

In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, nicht nur die Wirkleistung, sondern zusätzlich auch die Blindleistung des Drehstromverbrauchers zu ermitteln. Eine weitere Ausbildung zeichnet sicn demgemäß dadurch aus. daß zur zusätzlichen Ermittlung der dem Drehstromverbraucher zugeführten Blindleistung die Rechen'chaltung ein drittes Mu''iplizierglied. das das Produktsignal aus der Spannungskomponente in Rieh tung der einen Koordinatenachse und der Stromkomponente in Richtung der anderen Koordinatenachse bildet, ein viertes Multiplizi'-rglied, das das Produktsignal aus der Spannungskomponente in Richtung der anderen Koordinatenachse und der Strumkomponente in Richtung der einen Koordinatenachse bildet, und ein Subtraktionsglied, an dem als weitere Ausgangsgröße die Differenz dieser beiden Produklsignale abgegriffen ist, enthält.

Als Rechenschaltung zur F.rmittlung der Grund schwingungswirkleistung und der Grundschwingungsblindleistung kann insbesondere ein an sich bekannter Vektordreher vorgesehen sein (Siemens-Zeitschrift 45 (1971), Heft 10, Seiten 761 bis 764, insbesondere Bild 5, und Seiten 575 bis 760, insbesondere Bild 7).

Prinzipiell besteht die Möglichkeit, sämtliche [Eingangsgrößen der Rechenschaltung durch Strom- und Spannungsmessungen und anschließende Koordinatentransformation £U bestimmen. Eine weitere Ausftihrungsform macht von dieser Möglichkeit Gebrauch. Diese besteht darin, daß zur Lieferung der beiden Stromabhängigen Eingangsgrößen ein Koordinatenwandler vorgesehen ist, dem ein Stromwandler in einer ersten und ein Stromwandler in einer zweiten Phasenleitung des Drehstromverbrauchers vorgeschaltet ist, und daß zur Lieferung der beiden spannungsabhängigen Eingangsgrößen ein weiterer Koordinatenwandler vorgesehen ist, der mit je einem Spannungsabgriff am Drehstromverbraucher verbunden ist.
Nach einer weiteren Möglichkeit kann auch so

ίο vorgegangen werden, daß sämtliche oder zumindest einige Eingangsgrößen der Rechenschaltung der Regelschaltung für den Drehstromverbraucher entnommen werden. Insbeondere bei geregelten Drehfeldmaschinen werden Sollwerte verwendet, die einer Darstellung in

ΙΊ kartesischen Koordinaten entsprechen. Ausgehend hiervon zeichnet sich eine weitere Ausführungsform dadurch aus, daß die beiden stromabhängigen und/oder spannungsabhängigen Eingangsgrößen in einer Regelschaltung abgegriffene Sollwerte sind, wobei die

j« Regelschaltung zur Strom- und/oder Spannungsregelung vorgesehen ist.

Die Schaltungsanordnung laßt sie' mit besonderem Vorteil zur Leistungsmessung bei einem geregelten Antrieb mit einer Drehfeldmaschine, die aus einem

r> Stromrichter mit veränderlicher Spannung und Freque' ι gespeist ist. einsetzen.

Die Wirkleistung läßt sich auch aus anderen ^;n einer Regelschaltung, die dem Drehstromverbraucher zugeordnet ist, vorhandenen Größen ermitteln, z. B. aus

in dem Drehmoment, der Drehzahl, dtm Fluß, dem Strom einer Drehfeldmaschine.

Die genannte Aufgabe wird demzufolge gemäß einer weiteren Ausbildung auch dadurch gelöst, daß in einer Regelschaltung abgegriffene Soliwerte für das Drehmo-

r. ment und die Drehzahl einer als Drehstromverbraucher vorgesehenen stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine einem Multipli/ierglied als Rechenschaltung zugeführt sind, und daß am Ausgang dieses Multipliziergliedes die der Wirkleistung proportionale Ausgangsgröße

4Ii abgegriffen ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung wird die Aufgabe schließlich auch dadurch gelöst, daß in einer Regelschaltung abgegriffene Sollwerte für den Fluß und den im Vektordiagramm senkrecht zum Fluß gelegenen Strom

■r> einer als Drehstromverbraucher vorgesehenen stromrichtergespeicherten Drehfeldmaschine einem Multiplizierglied zugeführt sind, daß das Ausgangssignal dieses Multipliziergliedes und ein in der Regelschaltung abgegriffener Sollwert für die Drehzahl der Drehfeld-

Hi maschine einem weiteren Multiplizierglied zugeführt sind, und daß am Ausgang dieses weiteren Multiplizier gliedes die der Wirkleistung proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist.

Aiisführungsbeispiele der Erfindung werden im

v> folgenden anhand von 5 Figuren näher erläutert. Für gleiche Bauteile werden dabei dieselben Oezugs/eichen verwendet. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur l.eistungser mittlung mit zwei Koordinatenwandlern und einem

wi nachgeschalteien Vektordreher.
F i g. L ein Zeigerdiagramm,

Fig.3 ein Blockschaltbild, bd dem die Eingangsgrößen einer Rechenschaltung aus einer Regelschaltung entnommen werden,

6^r> Fig.4 eine Schaltungsanordnung mit Multiplizierglied, dessen Eingangsgrößen einer Regelschaltung entnommen werden, und

Fig.5 eine Schaltungsanordnung mit zwei Multipli-

zierglicdern, deren Eingangsgrößen einer Regelschaltung entnommen werden,

In Fig. I ist eine Schaltungsanordnung Zur Messung der Wirkleistung und gleichzeitig auch zur Messung der Blindleistung eines symmetrischen Drehstromvcrbrauchers 2 dargestellt. Als Drehstromverbraucher 2 kann insbesondere eine dreiphasige Drehfeldmaschine vorgesehen sein. Der Drehstromverbraucher 2 wird über ein dreiphasiges Netz 3 mit den drei Phäsehleitern R₁ S, Tmit veränderlicher Verbraucherspannung und veränderlicher Frequenz gespeist. Die Frequenz kann dabei z.B. im Bereich von Null bis 50 Hz variieren. Die Veränderung von Verbraucherspannung und Frequenz kann mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Stromrichters vorgenommen werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht es. die Leistung der Grundschwingung im gesamten Frequenzbereich sehr genau zu messen. Dazu werden Verbraucherstrom und Verbraucherspannung ermittelt. Zur Messung der Phasenströme /«und /finden Phasenleitern R bzw. 5 sind Stromwandler 4 bzw. 5 vorgesehen. Diese sind ausgangsseitig an Filter oder Glättungsglieder 6 bzw. 7 angeschlossen. Die Glättungsglieder 6, 7 können prinzipiell auch entfallen, wenn der Oberschwingungsgehalt der Phasenströme /« und is nur gering ist.

Den beiden Glättungsgliedern 6, 7 ist ein Koordinatenwandler 8 nachgeschaltet. Dieser Koordina'cnvvand-1er 8 hat die Aufgabe, die beiden in einem 120°-Koordinatensystem gelegenen Größen ig, is in zwei in einem 90°-Koordinatensystem gelegene Größen /-,, /j? umzuformen. Ein solcher Koordinatenwandler 8 ist bei der feldorientierten Regelung von Drehfeldmaschinen in anderem Zusammenhang gebräuchlich (Siemens-Zeitschrift 45 [1971], Heft 10, Seiten 761 bis 764, insbesondere Bild 2). Die Funktion des Koordinatenwandlers 8 wird später anhand von F i g. 2 noch näher verdeutlicht werden.

Der dargestellte Koordinatenwandler 8 enthält ein fest eingestelltes Potentiometer 10, an dem der halbe Wert des Signals für den Phasenstrom ig abgegriffen ist. Das ist durch die Zahl Ui kenntlich gemacht. Dieser abgegriffene halbe Wert ist zusammen mit dem Signal für den Phasenstrom is einem Additionsglied 11 zugeleitet. Dessen Ausgangssignal ist auf einen Verstärker 12 gegeben, der als Operationsverstärker ausgebildet sein kann. Er gibt ein um den Faktor 2/j/3 vergrößertes Ausgangssignal ab. Dieses Ausgangssignal ist bereits die Größe iß. Die Größe /, ist das im Koordinatenwandler 8 unveränderte Signal für den Phasenstrom ig. Beide Größen /„ iß sind zeitlich veränderlich. Sie stellen Stromkomponenten in einem orthogonalen Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen α. β dar.

Die beiden Größen 4 und iß werden als stromabhängige Eingangsgrößen einer Rechenschaltung 13 zugeleitet.

Zur Messung der Sternspannungen ur und Us am Drehstromverbraucher 2 ist ein Transformator 14 in Sparschaltung vorgesehen. Die hier abgegriffenen Sternspannungen ur und us sind diejenigen, die den gemessenen Phasenströmen ig und is zugeordnet sind. Der Spannungsabgriff für die Sternspannung ur ist mit 15 bezeichnet Prinzipiell können statt der Sternspannungen auch zwei verkettete Spannungen gemessen werden. Die beiden Sternspannungen ur, u$ werden über Filter oder Glättungsglieder 16 bzw. 17, die prinzipiell bei kleinen oder keinen Oberschwingungen auch fehlen können, einem Koordinatenwandler 18 zugeleitet.

Dieser Koordinatenwandlc· 18 hat die Aufgabe, die beiden in einem I20°-Koonlinatensyslem gelegenen Größen Ur, u.?in zwei in einem 90°-Koordirialensyslem gelegene Größen «,„ Uß umzuformen. Er besitzt denselben Aufbau wie der Koordinatenwandler 8 und enthält ebenfalls ein Potentiometer 20, ein Additionsglied 21 und einen Verstärker 22. Am Potentiometer 20 i" wird der halbe Wert des Signals für die Sternspannung Ur abgegriffen. Das ist durch die Zahl Ui verdeutlicht. Dieser halbe Wert wird zusammen mit dem Signal für die Sternspannung u_s dem Additionsglied 21 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird mittels des Verstärkers 22 r> um den Faktor 2//3" verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 ist die Größe Uß. Die Größe u„ ist gleich dem unveränderten Signal für die Sternspannung u_R. Beide Größen U_x, Uß sind zeitlich veränderlich. Sie stellen Spannungskomponenten in demselben orthogonalen ^ii Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen α, β dar, in dem auch die Größen /,, iß durch den Koordinatenwandler 8 festgelegt sind.

Die beiden Größen U_x und up werden als spannungs-■ abhängige Eingangsgrößen ebenialls der Rechenschal-2-i lung 13 zugeleitet.

Die Rechenschaltung 13 ist als sogenannter Vektordrehcr ausgeführt. Dieser Vektordreher hat die Aufgabe,aie vier Eingangsgrößen /,, iß, U_x, Uß\n gewisser Weise miteinander zu verknüpfen und dabei die Wirkii) und Blindleistung aus den kartesischen Koordinaten des umlaufenden Strom- und Spannungsvektors zu ermitteln. Ein solcher Vektordreher ist bei der feldorientierten Regelung von Drehfeldmaschinen an sich bekannt (Siemens-Zeitschrift 45 [1971], Heft 10, Seiten 761 bis μ 764. insbesondere Bild 5). Er wird dort allerdings für einen anderen Zweck benutzt, nämlich zur Transformation von Größen aus dem Feldkoordinatensystem in das Ständerkoordinatensystem. Vorliegend bildet dagegen der Vektordreher einerseits das Produkt aus Spannung ■ι» und Wirkstrom und andererseits das Produkt aus Spannung und Blindstrom.

Die Rechenschaltung 13 umfaßt ein erstes Multiplizierglied 23, das aus den beiden Eingangsgrößen i_a und U_x das Produktsignal bildet. Die dem Multiplizierglied 23 f> eingegebenen Größen sind hierbei die Spannungskomponente u-i und die Stromkomponente i,_x, die gemeinsam in Richtung derselben Koordinatenachse α liegen. Die Rechenschaltung 13 umfaßt weiter ein zweites Multiplizierglied 24, das aus den Eingangsgrößen /> und u_ß das in Produktsignal bildet. Bei den dem Multiplizierglied 24 eingegebenen Größen handelt es sich somit um die Spannungskomponente Uß und die Stromkomponente iß, die gemeinsam in Richtung der anderen Koordinatenachse β liegen. Die beiden Produktsignale der >> Multiplizierglieder 23, 24 werden in einem Additionsglied 25 miteinander addiert. Am Ausgang des Additionsgliedes 25 wird die eine Ausgangsgröße UIcos φ der Rechenschaltung 13 abgegriffen; diese ist der Wirkleistung P„ proportional. Die Ausgangsgröße λ wird über einen Verstärker 26 einem Anzeige- oder Meßinstrument 27 zugeleitet, das die Wirkleistung P_K anzeigt. Der Verstärker 26 dient hier nur zur Anpassnung an das Meßinstrument 27.

Zur zusätzlichen Ermittlung der dem Drehstromver-

ή braucher 2 zugeführten Blindleistung enthält die Rechenschaltung 13 weitere Bauelemente: Sie umfaßt weiter ein drittes Multiplizierglied 29, das das Produktsignal aus der Spannungskomponente υ_Λ in

Richtung der Koordinatenachse α und der Stromkomponente iß in Richtung der anderen Koordinatenachse β bildet. Hier werden also Komponenten in Richtung verschiedener Koordinatenachsen α, β eingegeben. Die Rechenschaltung 13 umfaßt weiter ein viertes Multiplizierglied 30. Dieses bildet das Produktsignai aus der Sponnungskomponente Uß in Richtung der Koordinatenachse β und der Stromkomponente i_x in Richtung der Koordinatenachse <x. Auch hier werden also Komponenten in Richtung verschiedener Koordinatenachsen α, β eingegeben. Die Rechenschaltung 13 umfaßt schließlich auch ein Subtraktionsglied 31. An diesem wird das Produktsignal des vierten Multipliziergliedes 30 von demjenigen des dritten Multipliziergliedes 29 abgezogen. Am Ausgang des Subtraktionsgliedes 31 ist eine weitere Ausgangsgröße UI s\n φ der Rechenschaltung 13 abgegriffen; diese ist der Blindleistung Pb proportional. Die weitere Ausgangsgröße wird über einen weiteren Verslräkef J'2 einem Anzeige- oder Meßinstrument 33 zugeleitet. Das Meßinstrument 33 zeigt die Blindleistung Pf, an.

Es ist bereits hier schon festzuhalten, daß in den beiden Ausgangsgrößen UIcos φ und UIsIn φ eine zeitliche Veränderlichkeit nicht enthalten ist. Es handelt sich hierbei also um Gleichspannungssignale.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erläutert. Es wird dabei von einem symmetrischen dreiphasigen Spannungssystem und einem symmetrischen dreiphasigen Stromsystem ausgegangen.

Die drei Sternspannungen u«, Us t/r nach Gleichung (l),(2)und(3)

Hr = Ü/|COS< >|(

(11

\U\ = ü_R = "u_s = U_T = "

(7)

entspricht nach Gleichung (7) der Amplitude Or, Os und Order einzelnen Sternspannungen Ur, i/sund ur, und der BetraglTaes Stromvektors

j_R = i_s = i_T =

(8)

t/.s· = i(_xcos (vit - 2.t/3) (2)

u_T = »rcos(i-)i + 2.T/3) (3)

des symmetrischen dreiphasigen Spannungssystems können als die drei um 120° versetzten Koordinaten eines räumlich mit der Kreisjrequenz ω umlaufenden ebenen Spannungsvektors U betrachtet werden. Entsprechend können die drei Leiterströme Ir, is, ir nach Gleichung (4), (5) und (6)

i_R = 7_Rcos(f.</ - 7) (4)

/_s = 7_scos(_f..t - η - 2.τ/3) (5)

i_T = ?7-COS(mf - η + 2.7/3) (6)

als die drei um 120° versetzten Koordinaten eines räumlich mit dej Kreisfrequenz ω umlaufenden ebenen Stromvektors /aufgefaßt werden. Der Betrag \u\ des Spannungsvektors

entspricht nach Gleichung (8) der Amplitude ir, Ts und
der einzelnen Leiterströme ig, i'sund ir-Die Grundschwingungswirkleistung fVi und die

Grundschwingungsblindleistung Pb\ des Drehstrom^ bzw. Drehspannungssystefns errechnen sich nach Gleichung (9) bzw. (10) zu:

i = Vs ■ (»κ ' '«

cos <

= 3 U ■ I ■ cos

Pm = '/2 · (»κ · Ir + ils ■ h + »r · M sin 7
= 31/ ·/ sin 7

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 berechnet nun die Wirkleistung P_w\ und die Blindleistung P_b\ nicht nach den Gleichungen (9) und (10) durch unmittelbare Multiplikation von Strom- und Spannungsamplituden, sondern durch Multiplikation und Addition _nach Transformation des utiiimiienüen SirujjivekiurS / UiIu des umlaufenden Spannungsvektors U in kartesiche Koordinaten.

Man kann aus zwei der drei um 120° versetzten Sternspannungen Ur, u& Urnach den Gleichungen (U) Und (12) und aus zwei der drei um 120° versetzten Leiterströme nach den Gleichungen (13) und (14)

ti, = u_K = υ ■ cos ml (11)

Uß = 2/1-3 · (''₂ ^- Hr + »si = ffSillni/ (12)

= i_K = ι cos (ml — 7)

= 2/I/3 · ('/2

(13)
+ is) = ?sin(w/ - 7) (14)

jeweils zwei um 90° versetzte Größen U_x, Uß bzw. /«, iß bilden. Nach Fig.2 stellen die Größen u_a, Uß die kartesischen «-fl-Koordinaten des umlaufenden Spannungsvektors U dar. Ein entsprechendes Zeigerdia-

M) gramm läßt sich auch für die Größen /«, iß aufzeichnen. Die Größen ϊ_Λ, iß sind somit kartesische Koordinaten des umlaufenden Stromvektors /. Die Gleichungen (11), (12) und (13), (14) bewirken somit eine Transformation in ein orthogonales Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen <x,ß.

Mit Hilfe der Koordinatenwandler 8 und 18 werden nach F i g. 1 die Gleichungen (11) und (12) bzw. (13) und (14) nachgebildet. Man erkennt, daß die Potentiometer 10 und 20 jeweils den Faktor 1/2 und die Verstärker 12 und 22 jeweils den Faktor 2//3"in Gleichung (12) bzw.

(14) festlegen. Die Additionsglieder 11 und 21 realisieren jeweils das Pluszeichen in diesen Gleichungen (12) bzw. (14).

Im Vektordreher 13 werden anschließend die «-^-Koordinaten der Spannung und des Stromes nach Gleichung (15) und (16) miteinander verknüpft:

ti, · /. + u_B ■ in = ti 1 ■ cos 7 = 2 · U ■ I - cos 7

(15)

i_x = ΰ i ■ sin 7 = 2 ■ U ■ I ■ sin 7

(16)

Zur Realisierung von Gleichung (15) werden die beiden Multiplizierglieder 23 und 24 ^sowie das Additionsglied 25 herangezogen; und zur Realisierung von Gleichung (16) werden die beiden Multiplizierglieder 29 und 30 sowie das Substraktionsgiied 31 benutzt

Die nach Gleichung (15) und (16) gebildeten Größen sind proportional denen in Gleichung (9) bzw. (10) und somit proportional der Grundschwingungswirkleistung P,vi bzw. der Grundschwingungsblindleistung Pm- Sie können direkt oder über einen Verstärker 26 bzw. 32 dem entsprechend geeichten Meßinstrument 27 bzw. 33 zugeführt werden.

Aus einer Bäti'achtung der Gleichungen (15) und (16) wird deutlich, daß sich im Vektordreher 13 die Grundschwingungsfrequenz ω heraushebt. Dadurch ist die Schaltungsanordnung weitgehend frequenzunabhängig, sofern zur Erfassung der Leiterströme /«, /9 und Sternspannungen u_R, us ebenfalls weitgehend frequenzünabhängige Meßeinrichtungen verwendet werden, z. B.Shuntwandler.

Enthält der Verbraucherstroin oder die Verbraucherspannung Oberschwingungen, so können diese das gewünschte Meßergebnis nach Gleichung (15) und (16) verfälschen. Um dies zu verhindern, kann man je nach Bedarf drei verschiedene Abhilfemaßnahmen vorsehen:

1. Glättung der Oberschwingungen in den gemessenen Spannungen und Strömen. Dies wird bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 durch die Glättungsglieder 16, 17 bzw. 6, 7 bewirkt, die auf die Oberschwingungen abgestimmt sind. Die Glättung bringt allerdings eine leichte Frequenzabhängigl.eit der Schaltungsanordnung mit sich.

2. Einsatz eines Mittelwertinstruments als Meßinstrument 27, 33. Dadurch wird der Einfluß von Ji) Oberschwingungen, die nach Gleichung (15) bzw. (16) nur einen Wechselspannungsanteil mit höherer Frequenz erzeugen, beseitigt.

3. Es werden die <x-j9-Komponenten u,_x, Uß der Spannung und die «-^-Komponenten /„, iß des 3¹S Stromes mit Hilfe eines Vektorfilters geglättet. Dieses Vektorfilter ermöglicht eine winkeltreue Glättung und ist weitgehend frequenzunabhängig. Ein solches Vektorfilter ist bereits aus der Literatur bekannt (Siemens-Zeitschrift 45 [1971] Heft 10, Seiten 761 bis 768, Bild 3).

Je nach den gestellten Anforderungen an die Schaltungsanordnung und je nach den zu erwartenden Oberschwingungen kann eine der beiden Glättungseinrichtungen nach 1. oder 3. vorgesehen werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Messung der Grundschwingungswirkleistung P_w\ und/oder -blindleistung Pb\ z. B. die Messung dieser Größen bei einer Drehfeldmaschine ermöglicht, wobei die Drehfeldmaschine über einen Stromrichter mit variabler Frequenz betrieben wird, insbesondere auch bei sehr kleinen Frequenzen, mit den Vorteilen einer sehr geringen Einstellzeit und eines vergleichsweise geringen Kostenaufwandes.

Bei geregelten, über Stromrichter gespeisten Antrieben mit Drehfeldmaschine stehen in der Regelschaltung verschiedene Größen, meist als Sollwerte, zur Verfügung. Diese ohnehin vorhandenen Größen können mit bo Vorteil zur Leistungsmessung nach obigem Prinzip oder nach Eingabe in eine speziell gestaltete Rechenschaltung verwendet werden, insbesondere dann, wenn eine »Transvektor«-Regelung für den feldorientierten Betrieb der Drehfeldmaschine eingesetzt wird. <ö

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform, die eingesetzt werden kann, wenn in einer Regel- und Steuereinrichtung 40, die dem speisenden Stromrichter 41 zugeordnet ist, die Sollwerts* /* und /,* der «-^-Komponenten des Drehstromsystems zur Verfugung stehen und ebenso die Sollwerte U* und u£ der «-/^-Komponenten des Steuerspannungssystems, die proportional zu den Sollwerten der Ausgangsspannung sind. Die ohnehin vorhandenen Sollwerte i*, i* und u*, u% werden einer Rechenschaltung 13 zugeführt, die wie diejenige in Fig. 1 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform werden besondere Abgriffe für Verbraucherstrom und Verbraucherspannung eingespart, ebenso besondere Koordinatenwandler sowie Glättungseinrichtungen, da die Sollwerte keine Oberschwingungen enthalten.

Es gibt Regel- und Steuereinrichtungen 40, in denen eines der beiden Komponentenpaare /'*, # und u*, u* verwendet wird und somit zur Leistungsbestimmung zur Verfüngung steht. In einem solchen Fall läßt sich das andere Komponentenpaar häufig aus anderen feldorientierten Sollwerten durch Vor- oder Rückwärtstransformation mit Hilfe von Vektordrehern ermitteln.

Fig.4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Wirkleistungsmessung, bei der aus einer Regeleinrichtung 42 als Eingangsgrößen für ein Multiplizierglied 44 die Sollwerte M*, π'von Moment und Drehzahl verwendet werden. Die Wirkleistung P_w ist entsprechend Gleichung^)

P₁₁. - /V/ · /1

(17)

proportional dem Produkt der beiden Istwerte Mund η und auch proportional dem Produkt der beiden Eingangsgrößen M*, n*. Das Produktsignal wird über einen Anpaßverstärker 26 einem entsprechend geeichten Meßgerät 27 zugeführt. Die so gemessene Wirkleistung P_w entspricht der von der Drehfeldmaschine 2 abgegebenen Leistung. Für die Ermittlung der aufgenommenen Wirkleistung P„ist bei der Eichung der Wirkungsgrad der Drehfeldmaschine 2 zu berücksichtigen.

Fig.5 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der aus einer Regelschaltung 46 folgende drei Größen als Eingangsgrößen für eine Rechenschaltuug 44, 48 herangezogen werden: Drehzahlsollwert π* Flußsollwert φ* und Sollwert der Stromkomponente /*2. Der letztgenannte Sollwert 1*2 ist die Komponente des umlaufenden Stromvektors, die senkrecht auf dem umlaufenden Flußvektor steht. Die Wirkleistung P_lv errechnet sich aus diesen drei Größen nach Gleichung (18) zu

Ρ« = Ίφΐ ■ ψ ' " ■

(18)

Hiernach wird in einem Multiplizierglied 48 der Sollwert des Stromes /*₂ mit dem Flußsollwert φ multipliziert Anschließend wird das Produkt, das dem Momentensollwert M* entspricht, mit dem Drehzahlsollwert π* im MuJtiplizierglied 44 multipliziert. Die so errechnete Größe ist nach Gleichung (18) proportional der Wirkleistung P_w. Sie wird wieder über einen Außenverstärker 26 einem entsprechend geeichten Meßgerät 27 zugeführt Bezüglich der Eichung gilt hier dasselbe wie bei der Schaltungsanordnung von F i g. 4.

Ein Vorteil der Ausführungsformen, bei denen Eingangsgrößen für die Rechenschaltung aus einer Regelschaltung zur Leistungsmessung verwendet werden, ist durch eine Einsparung an Geräten, vor allem von Glättungseinrichtungen und Einrichtungen zur Istwerterfassung (Meßwandler) gegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Ermittlung der einem Drehstromverbraucher zugeführten Grundschwingungswirkleistung mit einer Rechenschaltung, der sowohl mindestens eine vom Verbraucherstrom als auch mindestens eine von der Verbraucherspannung abhängige Eingangsgröße zugeführt und an deren Ausgang eine der Wirkleitung proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenschaltung (13) zwei stromabhängige Eingangsgrößen (4, iß; /J, /*), die den Verbraucherstrom (i) in einem orthogonalen Koordinatensystem (α, β) festlegen, und auch zwei spannungsabhängige Eingangsgrößen (u_a, Uß), die die Verbraucherspannung (υ) in demselben orthogonalen Koordinatensystem (α, β) festlegen, zugeführt sind, daß die Rechenschaltung (13) ein erstes Multiplizierglied (23) enthält, das das Produktsignal aus der Spannungskomponente (u,) und der Stromkomponente (/,) in Richtung der einen Koordinatenachse (α) bildet, daß die Rechenschaltung (13) ein zweites Multiplizierglied (24) enthält, das das Produktsignal aus der Spannungskomponente (Uß) und der Stromkomponente (iß) in Richtung der inderen Koordinatenachse (ß) bildet, und daß an einem Additionsglied (25) als Ausgangsgröße der Rechenschaltung (13) die Summe der beiden Produktsignale abgegriffen ist (F i g. 1 und 3).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Ermittlung der dem Drehstromver-l/rauchi (2) zugeführten Blindleistung die Rechenschaltung (13) ein drittes Multiplizierglied (29), das da; Produktsignal aus der Spannungskomponente (u_%) in Richtung der einen Koordinatenachse (ix) und der Stromkomponente (iß) in Richtung der anderen Koordinatenachse (ß) bildet, ein viertes Multiplizierglied (30), das das Produktsignal aus der Spannungskomponente (u,*) in Richtung der anderen Koordinatenachse (ß) und der Stromkomponente (/,) in Richtung der einen Koordinatenachse (nc) bildet, und ein Substraktionsglied (31), an dem als weitere Ausgangsgröße die Differenz dieser beiden Produktsignale abgegriffen ist, enthält (F ig. 1 und 3).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Rechenschaltung (13) ein an sich bekannter Vektordreher vorgesehen ist (Fig. 1 und 3).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche· 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lieferung der beiden stromabhängigen Eingangsgrößen (/„ ;,,) ein Koordinatenwandler (8) vorgesehen ist. dem ein Stromwandler (4) in einer ersten und ein Stromwandler (5) in einer zweiten Phasenleitung (R. S) des. Drehstromverbrauchers (2) vorgeschaltet ist, und daß zur Lieferung der beiden spannungsabhängigen Eingangsgrößen (u,. o,) ein weiterer Koordinatenwandler (18) vorgesehen ist, der mit je einem Spannungsabgriff (15) am Drehstromverbrau* eher (2) verbunden ist (F i g. I).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromwandler (4, 5) und/oder dem Spannurtgsabgriff (15) ein Glättungsglied (6,7,16,17) nachgeschalfet ist (Fig. 1).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stromabhängigen und/oder spannungsabhängigen Eingangsgrößen (/,*, '*■ o* «*) in einer Regelschaltung (40) abgegriffene Sollwerte sind, wobei die Regelschaltung (40) zur Strom- und/oder Spannungsregelung vorgesehen ist (F i g. 3).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehstromverbraucher (2) eine Drehfeldmaschine vorgesehen ist, die von einem Stromricrr: ;r (41) mit veränderlicher Spannung und Frequenz gespeist ist.

8. Schaltungsanordnung zur Ermittlung der einem Drehstromverbraucher zugeführten Grundschwingungswirkleistung mit einer Rechenschaltung, der sowohl mindestens eine vom Verbraucherstrom als auch mindestens eine von der Verbraucherspannung abhängige Eingangsgröße zugeführt und an deren Ausgang eine der Wirkleistung proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Regelschaltung (42) abgegriffene Sollwerte (M*, η *) für das Drehmoment und die Drehzahl einer als Drehstromverbraucher (2) vorgesehenen stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine einem Multiplizierglied (44) als Rechenschaitung zugeführt sind, und daß am Ausgang dieses Multipliziergliedes (44) die der Wirkleistung (P₁₁) proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist (F ig. 4).

9. Schaltungsanordnung zur Ermittlung der einem Drehstromverbraucher zugetührten Grundschwingungswirkleistung mit einer Rechenschaltung, der sowohl mindestens eine vom Verbraucherstrom als auch mindestens eine von der Verbraucherspannung abhängige Eingangsgröße zugeführt und an deren Ausgang eine der Wirkleistung proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Regelschaltung (46) abgegriffene Sollwerte (ψ*, if2) für den Fluß und den im Vektordiagrammm senkrecht zum Fluß gelegenen Strom einer als Drehstromverbraucher (2) vorgesehenen stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine einem Multiplizierglied (48) zugeführt sind, daß das Ausgangssignal (M*) dieses Multipliziergliedes (48) und ein in der Regelschaltung (46) abgegriffener Sollwert (n *) für die Drehzahl der Drehfeldmaschine einem weiteren Multiplizierglied (44) zugeführt sind, und daß am Ausgang dieses weiteren Multipliziergliedes (44) die der Wirkleistung (P_n) proportionale Ausgangsgröße abgegriffen ist (F i g. 5).