DE2708882C2

DE2708882C2 - Power supply for electronic energy meters

Info

Publication number: DE2708882C2
Application number: DE2708882A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Kusche; Artur Dr.-Ing. 8501 Schwaig Seibt
Original assignee: Heliowatt Werke Elektrizitaet GmbH
Current assignee: Heliowatt Werke Elektrizitaet GmbH
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1984-04-12
Also published as: DE2708882A1

Description

Die Erfindung betrifft Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen, die den Verbrauch bzw. die Lieferung elektrischer oder anderer Energiequellen, z. B. Wärmeenergien, registrieren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to power supplies for electronic devices Energy meters with or without additional devices that monitor consumption or delivery electrical or other energy sources, e.g. B. heat energies, register, according to the generic term of Claim 1.

Es ist bekannt, schaltende Netzteile, die mit hohen Frequenzen arbeiten und eine Regelschaltung, die Schwankungen der Eingangsspannungen und der Belastungen innerhalb vorgegebener Grenzen regeln, als Stromversorgungen zu verwenden (US-PS 35 96 172). Derartige Konstanthalter erfordern einen leistungsfähigen Wechselspannungsregler hoher Belastbarkeit auf der Verbraucherseite, wozu die volle Netzspannung notwendig ist. Schutzanordnungen gegen Überspannungen und Störspitzen für derartige hochleistungsfähige Wechselstromregler sind nicht unbedingt erforderlich, während solche für elektronisch gesteuerte Energiezähler notwendig sind.It is known, switching power supplies that work with high frequencies and a control circuit that Regulate fluctuations in input voltages and loads within specified limits, to be used as power supplies (US-PS 35 96 172). Such constant keepers require one powerful AC voltage regulator with high load capacity on the consumer side, including the full Mains voltage is necessary. Protection arrangements against overvoltages and spikes for such High-performance AC regulators are not essential, while those for electronic controlled energy meters are necessary.

Bei elektronischen Geräten, die z. B. in Ferrariszähler eingebaut werden, tritt das Problem auf, daß beimIn electronic devices that z. B. be installed in Ferrari meters, the problem arises that the

so Absinken der Netzspannung die Stromversorgung für die Elektronik versagt, während der Ferrariszähler weitermißt. Aus diesem Grund werden die elektronischen Einrichtungen beim Unterschreiten einer bestimmten Spannungsgrenze abgeschaltet. Dies kann jedoch zu Differenzen zwischen der mechanischen Zähleranzeige des Ferrariswerkes und der elektronischen Anzeige beispielsweise eines Maximumwerkes führen. Für elektonische Energiezähler ist eine solche Differenz ausgeschaltet, da eine gemeinsame Stromversorgung von Energiezähler und Zusatzeinrichtung vorgesehen wird.so if the mains voltage drops the power supply for the electronics fails while the Ferraris meter continues to measure. For this reason, the electronic devices are when falling below a certain Voltage limit switched off. However, this can lead to differences between the mechanical Counter display of the Ferrari factory and the electronic display, for example of a maximum factory to lead. For electronic energy meters, such a difference is switched off, since a common power supply is provided by energy meters and additional equipment.

Dabei sind die Stromversorgung elektronischer Energiezähler verschiedene Kriterien zu berücksichtigen, deren Erfüllung auch in Hinsicht der VerwendungThe power supply of electronic energy meters has to take into account various criteria, their fulfillment also in terms of use

b5 von Zusatzeinrichtungen, wie z. B. Maximumwerke, zu verlangen ist. So muß eine gesicherte Stromversorgung so lange gewährleistet sein, wie eine Phase des Energieversorgungsnetzes in Betrieb ist. Weiterhin istb5 of additional devices, such as B. Maximum works, too demand is. A secure power supply must be guaranteed as long as one phase of the Energy supply network is in operation. Furthermore is

eine Unempfindlichkeit der Stromversorgung gegen Überspannungen, eine extreme Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer, eine einwandfreie Funktion bei großen Schwankungen der Netzspannung sowie eine Ausgangsspannung zu fordern und das 50-Hz-Streufeld und die Eigenerwärmung des Zä&ers dürfen die Stromversorgung nicht beeinflussen.an insensitivity of the power supply to Overvoltages, extreme reliability and a long service life, ensure perfect functioning large fluctuations in the mains voltage as well as an output voltage and the 50 Hz stray field and the self-heating of the fence must not affect the power supply.

Außerdem soll die Stromversorgung ein Schaltsignal abgeben, bevor die Regelung aufgrund von Netzspannungszusammenbrüchen aussetzt. Das heißt die Speisespannungen dürfen nicht schwanken, sondern sie müssen entweder ihre Nennwerte einhalten oder abgeschaltet sein.In addition, the power supply should emit a switching signal before the regulation due to mains voltage breakdowns suspends. This means that the supply voltages must not fluctuate, but must either comply with their nominal values or be switched off.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stromversorgungen für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen zu schaffen, die von einem bestimmten Prozentsatz der Netzspannung an aufwärts, z. B. 50%, eine geregelte Speisespannung für die Elektronik liefern. Als Lösung bieten sich sogenannte schaltende Netzteile an, die als Vorteil das Entfallen von Streufeldern und das Entfallen des Netztransformators bieten. Dabei ergeben sich als weitere Aufgabe der Erfindung: Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der schaltenden Netzteile für deren Einsatz in elektronischen Energiezählern aufzuzeigen.The invention is based on the object of providing power supplies for electronic energy meters with or without creating additional devices that start from a certain percentage of the mains voltage upwards, z. B. 50%, supply a regulated supply voltage for the electronics. So-called Switching power supply units on, the advantage of which is the elimination of stray fields and the elimination of the mains transformer Offer. Another object of the invention is: Measures to increase reliability to show the switching power supply units for their use in electronic energy meters.

Diese Aufgaben sind durch die Erfindung gelöst, wie sie in den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche dargestellt sind. Sie werden nachfolgend anhand der Zeichnung, die aus drei Figuren besteht, näher erläutert. Dabei zeigt dieThese objects are achieved by the invention as set out in the characterizing features of the patent claims are shown. You will be explained below using the drawing, which consists of three figures, explained in more detail. The

F i g. 1 die Schaltungsanordnung der dreiphasigen Anschaltung mit Verhinderung des Übergreifens von Überspannungen und Störungen auf die Stromversorgung, dieF i g. 1 the circuit arrangement of the three-phase connection with prevention of the overlapping of Surges and interference on the power supply that

Fig. 2 die einphasige Anschaltung der Stromversorgung mit Vollwellengleichrichtung sowie die unterschiedlichen Spannungsverläufe (F i g. 2a. 2b) am Eingang der schaltenden Netzteile mit und ohne vorgeschalteten Kondensatoren und die2 shows the single-phase connection of the power supply with full wave rectification as well as the different voltage curves (Fig. 2a. 2b) at the input the switching power supply units with and without upstream capacitors and the

F i g. 3 die dreiphasige Anschaltung der Stromversorgung elektronischer Energiezähler mit geringem Stromverbrauch. F i g. 3 the three-phase connection of the power supply of electronic energy meters with low power consumption.

In allen Figuren tragen gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen.In all figures, the same components have the same reference symbols.

Für die Stromversorgung elektronischer Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen werden schaltende Netzteile verwendet.For the power supply of electronic energy meters Switching power supplies are used with or without additional devices.

Schaltende Netzteile weisen jedoch nicht die hohe Zuverlässigkeit der üblichen einfachen Stromversorgungen mit einem Netztransformator, einem deich- >n richter, einem Kondensator sowie einem Längsregler auf, weil sie zahlreiche hoch beanspruchte kritische Bauteile enthalten.Switching power supplies, however, do not have the high reliability of the usual simple power supplies with a mains transformer, a dike rectifier, a capacitor and a series regulator because they contain numerous highly stressed critical components.

Die kritischen Bauteile bei schaltenden Netzteilen sind der Hochspannungs-Schalttransrstor und die Siebkondensatoren für die üblicherweise verwendeten hohen Arbeitsfrequenzen. Transistoren für hohe Spannungen sind erheblich leichter zerstörbar, insbesondere durch den sogenannten Sekundärdurchbruch; über ihre Langzeitzuverlässigkeit und Brauchbarkeitsdauer ist t>o wenig bekannt. Aus diesem Grund ist vorgesehen, nicht mit der vollen gleichgerichteten Netzspannung, sondern nur mit einem Bruchteil davon zu arbeiten, um die Spannungsbeanspruchung des Schalttransistors zu verringern. The critical components in switching power supplies are the high-voltage switching transformer and the Filter capacitors for the commonly used high working frequencies. High voltage transistors are much easier to destroy, especially through what is known as the secondary breakthrough; about their Long-term reliability and useful life is t> o little known. For this reason it is provided not with the full rectified mains voltage, but to work with only a fraction of it in order to reduce the voltage stress on the switching transistor.

Um gleichzeitig das Eindringen von Überspannungen und Störungen in die Stromversorgung zu verhindern, werden Vorwiderständc /?V'(Fig. 1) sowie hinter dem Vorwiderstand bzw. den Vorwiderstanden beidseitig spannungsbegrenzende Schaltmittel ßund Kondensatoren CP vorgesehen. Hierauf folgt die Gleichrichterdiode bzw. -dioden D und der Ladekondensator CL An den Ladekondensatoren CL tritt nur eine Spannung auf, deren Höhe von der Wahl der spannungsbegrenzenden Schaltmittel B abhängt. Überspannungen und Störspitzen werden durch die Vorwiderstände RV und die Schaltmittel B bzw. die Kondensatoren CP in Wärme umgesetzt und wirken sich praktisch nicht auf die Gleichspannung an den Ladekondensatoren CL aus.In order to prevent overvoltages and disturbances from entering the power supply at the same time, series resistors / "V" (FIG. 1) as well as voltage-limiting switching means and capacitors CP on both sides behind the series resistor or series resistors are provided. This is followed by the rectifier diode or diodes D and the load capacitor CL at the load capacitors CL occurs only at a voltage whose level depends on the choice of the voltage limiting circuit means B. Overvoltages and spikes are converted into heat by the series resistors RV and the switching means B or the capacitors CP and have practically no effect on the DC voltage on the charging capacitors CL .

Das schaltende Netzteil Nselbst ist so ausgeführt daß die Speicherdrossel bzw. der Speichertransformator stets auf einen konstanten, eingangsspannungsunabhängigen Energiebetrag aufgeladen wird. Auf diese Weise läßt sich ein sehr großer Netzspannungsbereich überstreichen.The switching power supply unit N itself is designed in such a way that the storage choke or the storage transformer is always charged to a constant amount of energy that is independent of the input voltage. In this way, a very large line voltage range can be covered.

Als Kondensatoren werden üblicherweise sowohl hinter dem Netzgleichrichter als auch am Ausgang des schaltenden Netzteiles ,V Elektrolytkondensatoren verwendet Obgleich bestimmte Bauarten solcher Kondensatoren für eine lange Lebensdauer ausgelegt sind, nimmt die Lebensdauer bei hohen Temperaturen sehr steil ab, wobei nicht nur hohe Umgebungstemperaturen, sondern auch die Eigenerwärmung infolge der Arbeitsfrequenzen eine Rolle spielen. Es ist deshalb vorteilhaft in elektronischen Energiezählern auf Elektrolytkondensatoren zu verzichten.The capacitors are usually both behind the power rectifier and at the output of the switching power supply unit, V electrolytic capacitors used although certain types of such Capacitors are designed for a long service life, the service life decreases at high temperatures very steep, with not only high ambient temperatures, but also the self-heating as a result of the Working frequencies play a role. It is therefore advantageous in electronic energy meters on electrolytic capacitors to renounce.

Dies wird dadurch erreicht, daß das schaltende Netzteil Λ/bzw. ein Sinusgenerator mit einer so hohen Frequenz arbeitet, daß bei Verwendung einer geeigneten Regelschaltung, vorzugsweise einer Sampling-Regelung, auch schnelle Änderungen der Eingangsspannung und/oder der Last(en) bis auf vorgegebene Restfehler ausgeregelt werden können. Zuverlässige, wirtschaftliche und platzsparende Keramikkondensatoren sorgen für eine ausreichende Pufferung oberhalb der Grenzfrequenz der Regelschaltung. Auf der Eingangsseite des schaltenden Netzteils N bzw. des Sinusgenerators genügt ein Wickelkondensator ohne Elektrolyt, da er nur noch die kurze Zeitspanne zu überbrücken braucht in der die vorzugsweise vollwellengleichgerichtete Netzspannung zu Beginn und Ende jeder (Halb-)Periode in ihrem Augenblickswert unter die untere Eingangsspannungsgrenze des schaltenden Netzteils N sinkt. Im übrigen hat die halbsinusförmige oder trapezähnlich begrenzte schwankende Eingangsspannung keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung(en) des schaltenden Netzteils bzw. des Sinusgenerators.This is achieved in that the switching power supply Λ / or. a sinusoidal generator operates at such a high frequency that when using a suitable control circuit, preferably a sampling control, even rapid changes in the input voltage and / or the load (s) can be corrected except for predetermined residual errors. Reliable, economical and space-saving ceramic capacitors ensure sufficient buffering above the cut-off frequency of the control circuit. A wound capacitor without electrolyte is sufficient on the input side of the switching power supply unit N or the sine wave generator, as it only needs to bridge the short period of time in which the preferably full-wave rectified mains voltage at the beginning and end of each (half) period is below the lower input voltage limit in its instantaneous value of the switching power supply unit N drops. In addition, the semi-sinusoidal or trapezoidal-like limited fluctuating input voltage has no influence on the output voltage (s) of the switching power supply unit or the sinusoidal generator.

Die Stromversorgung gemäß der Erfindung verfügt über keinen nennenswerten Energiespeicher, so daß Spannungseinbrüche auf die Ausgangsspannung(en) durchschlagen können, wenn sie so tief und langdauernd sind, daß die Eingangsspannung für das schaltende Netzteil N für eine längere als die vorgesehene Zeit unter dessen Eingangsspannungsuntergrenze absinkt. Aus diesem Grunde ist ein eingangsseitig ein größerer Kondensator notwendig.The power supply according to the invention has no significant energy storage, so that voltage drops can break through on the output voltage (s) if they are so low and long that the input voltage for the switching power supply N falls below its input voltage lower limit for a longer than the intended time . For this reason, a larger capacitor is required on the input side.

Falls die elektronischen Energiezähler selbst und/ oder ihre Zusatzeinrichtungen nichtflüchtige Speicher enthalten, in die bei Netzausfall vor dem Zusammenbrechen der Speisespannungen noch Daten übertragen werden müssen, so ist es auch aus diesem Grunde erforderlich, den Kondensator auf der Eingangsseite größer zu wählen, als es von den Eigenschaften der erfindungsgemäßen schnellen Regelung her erforderlich wäre. Sofern sich aufgrund eines notwendigen hohen Kapazitätswerts aus Platz- und wirtschaftlichenIf the electronic energy meters themselves and / or their additional devices use non-volatile memory in which data is still transmitted in the event of a power failure before the supply voltage collapses must be, so it is also necessary for this reason, the capacitor on the input side to be chosen larger than required by the properties of the rapid control according to the invention were. If, due to a necessary high capacity value, space and economic

Gründen ein Elektrolytkondensator nicht vermeiden läßt, wird vorteilhaft der Hochfrequenzstrom des schaltenden Netzteils N von ihm ferngehalten und von einem zweiten hierfür bestimmten Kondensator übernommen. For reasons, an electrolytic capacitor cannot be avoided, the high-frequency current of the switching power supply unit N is advantageously kept away from it and taken over by a second capacitor intended for this purpose.

In F i g. 2 ist eine einphasige Versorgung mit Vollwellengleichrichtung gezeichnet, wobei ohne die Kondensatoren CL und Cdie Spannung am Eingang des schaltenden Netzteils das Aussehen von F i g. 2a hätte. Fig.2b zeigt, wie durch Einfügen entweder nur des Kondensators C oder, bei zusätzlich benötigter Speichereinwirkung, noch des Ladekondensators CL der Augenblickswert der Eingangsspannung stets oberhalb der für sicheren Betrieb des schaltenden Netzteils N erforderlichen Spannung Umin. Zum Fernhalten der Hochfrequenzströme vom Ladekondensator CL dient ein Widerstand R oder eine Induktivität L. Falls das beliebig spannungsbegrenzende Schaltmittel B unterhalb des Scheitelwerts der Netzspannung anspricht, so werden die Sinuskuppen entsprechend abgeflacht (gestrichelt in F i g. 2a, 2b gezeichnet).In Fig. 2 shows a single-phase supply with full-wave rectification, without the capacitors CL and C the voltage at the input of the switching power supply unit having the appearance of FIG. 2a would have. 2b shows how, by inserting either only the capacitor C or, if the storage effect is additionally required, the charging capacitor CL, the instantaneous value of the input voltage is always above the voltage Umin required for reliable operation of the switching power supply unit N. A resistor R or an inductance L is used to keep the high-frequency currents away from the charging capacitor CL . If the voltage-limiting switching means B responds below the peak value of the mains voltage, the sinus peaks are flattened accordingly (shown in dashed lines in Figs. 2a, 2b).

Schaltende Netzteile arbeiten üblicherweise mit Rechteckspannung oder mit sägezahnförmiger Aufladung einer Drossel oder eines Transformators auf eine bestimmte Energie mit anschließender impulsförmiger Entladung. Diese Betriebsarten stellen nicht nur große Anforderungen an die Bauteile, sondern sie erzeugen auch starke Störungen, die sowohl im gleichen Gerät befindliche Schaltungsteile wie auch andere Geräte beeinflussen können. Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, mit sinusförmigen Signalen zu arbeiten, vorzugsweise durch Abstimmen des Transformators. Gleichzeitig vereinfacht sich dadurch die Steuerschaltung für das Netzteil erheblich.Switching power supplies usually work with square-wave voltage or with sawtooth-shaped charging a choke or a transformer to a certain energy with subsequent pulse-shaped Discharge. These operating modes not only make great demands on the components, they also create them also strong interferences, both in circuit parts in the same device as in other devices can influence. According to the invention, it is therefore further proposed to use sinusoidal signals work, preferably by tuning the transformer. At the same time, this simplifies the Control circuit for the power supply considerably.

In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführung einer Stromversorgung für elektronische Energiezähler mit oder ohne Zusatzeinrichtungen gezeigt, die sich besonders für Geräte mit kleinem Stromverbrauch eignet. Die Netzspannung bzw. die Spannungen der drei Phasen wird bzw. werden über Vorwiderstände R und Kondensatoren C, Gleichrichtern D für die positive(n) Halbwelle(n) sowie Gleichrichtern G für die negative(n) Halbwelle(n) zugeführt. An einer Zener-Diode ZD I und einem Ladekondensator Ci entsteht eine begrenzte positive Spannung, die von einem Spannungsregler SR1 in eine erste Speisespannung LJB1 für die Versorgung des Geräts umgeformt wird. Entsprechendes gilt für die negative Seite, an deren Ausgang eine zweite Versorgungsspannung UB 2 zur Verfügung steht. Vorzugsweise sind die beiden entnommenen Betriebsströme annähernd gleich, da sonst eine der beiden Zener-Dioden ZDl, ZD 2 unnötig belastet würde. Kondensatoren CP leiten hochfrequente Störimpulse unter Umgehung der Stromversorgung direkt an das Netz zurück.In Fig. 3, a further advantageous embodiment of a power supply for electronic energy meters with or without additional devices is shown, which is particularly suitable for devices with low power consumption. The mains voltage or the voltages of the three phases is or are supplied via series resistors R and capacitors C, rectifiers D for the positive half-wave (s) and rectifiers G for the negative (n) half-wave (s). A limited positive voltage arises at a Zener diode ZD I and a charging capacitor Ci , which is converted by a voltage regulator SR 1 into a first supply voltage LJB 1 for supplying the device. The same applies to the negative side, at the output of which a second supply voltage UB 2 is available. The two operating currents drawn are preferably approximately the same, since otherwise one of the two Zener diodes ZD1, ZD 2 would be unnecessarily loaded. Capacitors CP return high-frequency interference pulses directly to the network, bypassing the power supply.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices that reduce the consumption or delivery of electrical or other energy sources, e.g. B. heat energies, register using switching power supplies or sine wave generators that work at a very high frequency and have a control circuit, characterized in that a sampling control is used as the control circuit, through which all fluctuations in the input voltage and / or the loads within specified error limits can be recovered, whereby on the output side of the switching power supply (N) capacitors small enough to buffer pulse-like loads and on the input side only a capacitor of small capacitance with sufficient storage effect to allow the input voltage to drop below the limit necessary for safe operation prevent are provided.

2. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to claim 1, characterized in that an additional charging capacitor (CL in F i g. 2) is provided at the input to bridge network dips and / or to ensure for a predetermined time in the event of power failures that by switching means (R or L in Fig. 2) it is ensured that the charging capacitor (CL) is not stressed by the high-frequency current of the switching power supply or sine wave generator and instead a second capacitor (C in Fig. 2; for this is determined.

3. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to claim 1 or 2, characterized in that the fast-regulating switching power supply (N) or sine generator with a small buffer capacitor is preceded by a full waveguide (F i g. 2).

4. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to one of claims 1 to 3, characterized in that the full waveguide is preceded by a symmetrical protective circuit (Rv, B, Cp, F i g. 2) which has a double-sided voltage-limiting switching means (Bm Fig. 2) contains.

5. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to one of claims 1 to 4, characterized in that with a single or multi-phase power supply in each power supply line resistors (Rv in Fig. 1) are placed, which on both sides voltage-limiting switching means (B in Fig. 1) and capacitors (CP in Fig. 1) are connected downstream against the return line to the network (Mp) and that from each phase a directional conductor (D in Fig. Ϊ́) to a common charging capacitor (CL in Fig. 1) whose input voltage is fed to the switching power supply unit (N) or sine wave generator.

6. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to one of claims 1 to 5, characterized in that the threshold voltage of the voltage-limiting switching means (B) on both sides is below the peak value of the mains voltage, so that on the charging capacitor (CL) only a fraction of the

DC voltage occurs, which would be set in the absence of the voltage-limiting switching means (B) on both sides.

7. Power supplies for electronic energy meters with or without additional devices according to one of claims 1 to 6, characterized in that a series resistor (RV in Fig. 3) is connected in a single or multi-phase Netzversorgüng in each power supply line and subsequently capacitors (CP in Fig .3) are connected against the return line to the network (Mp) that capacitors (C in Fig.3) in series with a directional conductor for the positive (D in Fi g. 3) and a directional conductor for the negative (G in F i g. 3) half-wave are switched that all directional conductors for the positive half-wave on a Zener diode (ZD 1 in F i g. 3) and a charging capacitor (CL 1 in F i g. 3) work that all directional conductors for the negative half-wave work on switching means (ZD 2 or CL 2 in Fig. 3) with a different polarity and that the voltage regulator (SR 1 or SR2 in Fig. 3) converts the DC voltages thus obtained into a positive and a negative supply voltage (UBi or UB2 in Fig. 3).