DE2747575B2

DE2747575B2 - Drehstrom-Wirkleistungs-, bzw. Drehstrom-Blindleistungsrelais für den Betrieb bei symmetrischer Belastung in einem Dreileiternetz

Info

Publication number: DE2747575B2
Application number: DE19772747575
Authority: DE
Inventors: Guenter 8500 Nuernberg Steinmueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-10-24
Filing date: 1977-10-24
Publication date: 1981-02-26
Also published as: JPS5471358A; DE2747575A1; DE2747575C3

Description

Φυ x Φι x sin <$L ΦυΦι
und wird somit proportional zu
U χ / χ cos φ.

Man nennt die erforderliche Verschiebung von 90° die »90°-Verschiebung«. Das Meßwerk dieser Wirkleistungsrelais hat nur eine »60°-Abgleichung«; um die erforderliche Verschiebung von 90° zu erreichen, muß die Spannungspule an die Dreieckspannung angeschlossen werden, die dem Strom um 30° nacheilt. Auch das Meßwerk des Drehstrom-Blindleistungsrelais arbeitet nach dem FERRARIS-Prinzip. Zur Erfassung der Blindleistung ist bei dem FERRARIS-Meßwerk eine »180°-Verschiebung« erforderlich, damit das Drehmoment des Meßwerkes proportional

ΦυχΦι* sin(180^o-g>),
also proprotional
U χ / χ sin φ

wird. Nun hat das Meßwerk des Blindleistungsrelais nur eine »90° -Abgleichung«. Um die erforderliche 180°-Verschiebung zu erhalten, wird das Meßwerk an die Dreieckspannung angeschlossen, die dem Strom um 90° nacheilt. Die dem Produkt aus dem Strom in einem Phasenleiter und einer verketteten Spannung proportionale Größe stellt bei diesen Relais das auf die FERRARIS-Scheibe wirkende elektrische Drehmoment dar. Diesem Istwert wirkt als Sollwert entgegen das Drehmoment einer Torsions-Schraubenfeder, deren Vorspannung einstellbar ist. Überschreitet das Drehmoment des Meßwerks bei Leistungssteigerung das Gegendrehmoment der Torsions-Schraubenfeder, so wird durch einen Quecksilber-Ringrohrkontakt eine Schälthandlung auslösbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehstrom-Wirkleistungs- bzw. Drehstrom-Blindleistungsrelais der eingangs genannten Art anzugeben, das unempfindlich gegen Schiefhang ist und bei erheblich kleinerem Bauvolumen eine verbesserte Ansprechgenauigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß ein Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierer vorgesehen ist, bestehend aus einem als astabiler Multivibrator ausgeführten Impulsdauer-Impulspausen-Modulator und einem von diesem gesteuerten Schalter, wobei der Impulsdauer-Impulspausen-Modulator von dem über einen Verstärker vorverstärkten Spannungsabfall an einem in einem Phasenleiter angeordneten Shunt ausgesteuert ist und wobei dem Schalter eingangsseitig das Ausgangssignal einer Summierschaltung zugeführt ist, die die beiden auf den den Shunt beinhaltenden Phasenleiter bezogenen verketteten Spannungen verarbeitet und daß das Ausgangssignal des Schalters über ein Glättungsglied als Istwert dem Komparator zugeführt ist

Aus der DE-AS 2348 667 ist ein elektronischer kWh-Zähler für ein Vierleitersystem bekannt, bei dem zur Erfassung der Leistung jeder einzelnen Phase ein Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierer (Time-Division-Verfahren) vorgesehen ist Ein Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierer umfaßt einen Iupulsdauer-Impulspausen-Modulator sowie einen von diesem entsprechend dem Tastverhältnis der Reckteckschwingung des Impulsdauer-Impulspausen-Modulators gesteuerten Schalter. Das Tastverhältnis des Impulsdauer-Impulspausen-Modulators ist durch die eine zu multiplizierende Größe bestimmt wohingegen die zweite zu multiplizierende Größe über den Schalter geführt ist Der zeitliche Mittelwert des Ausganges gnals des Schalters ist dann dem Produkt der beiden miteinander zu multiplizierenden Größen proportional. Bei der erwähnten DE-AS 23 48 667 ist jeder Phase ein Impulsdauer-Impulspausen-Modulator zugeordnet wobei zur Aussteuerung ein dem in der entsprechenden Phase fließenden Strom proportionales, über einen Stromwandler abgeleitetes Signal verwendet wird. Die zwischen jedem Phasenleiter und dem Nulleiter vorhandene Phasenspannung wird unter Verwendung eines Widerstandsnetzwerkes in einen ersten Strom gewandelt und über den vom Impulsdauer-Impulspausen-Modulator ausgesteuerten Schalter geführt. Darüber hinaus ist unter Verwendung eines invertierenden Verstärkers jeweils ein zweiter dieser Phasenspannung proportionaler Strom mit einer gegenüber dem ersten Strom entgegengesetzten Polarität und halbierten Momentanwerten geleitet. Die beiden Ströme werden in einem Summenpunkt zusammengeführt, so daß ein der betrachteten Phase zugehöriger Impulszug mit leistungsproportionaler Frequenz entsteht. In einem weiteren Summenpunkt sind die den drei Phasen zugeordneten Impulszüge mit leistungsproportionaler Frequenz zusammengeführt und stehen am Eingang eines Quantisierers an, der als Stromfrequenz-Wandler ausgebildet ist und einen Impulszähler ansteuert Abgesehen davon, daß die genannte Entgegenhaltung sich nicht auf Drehstrom-Leistungsrelais bezieht, ist die Verwendbarkeit eines astabilen Multivibrators als Impulsdauer-Impulspausen-Modulator nicht ersichtlich. Da sie sich darüber hinaus auf ein Vierleiternetz bezieht, tritt das Problem der für die Wirkleistungs- bzw. Blindleistungserfassung in einem Dreileitersystem notwendigen winkelgerechten Phasenzuordnung zwischen Strom und Spannung nicht auf. Die bekannte Ableitung eines stromproportionalen Signals über einen Stromwandler ist gegenüber der erfindungsgemäßen Methode, einen Shunt einzusetzen, verhältnismäßig teuer und steht einem raumökonomischen Aufbau entgegen. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß durch Gleichstromanteile im speisenden Drehstromnetz der Stromwandler in die Sättigung getrieben wird und damit ein verfälschtes Ausgangssignal liefert

Wegen des vollelektronischen Aufbaus des erfindungsgemäßen Drehstrom-Wirkleistungs- bzw. Drehstrom -Blindleistungsrelais ist gegenüber den bekannten Leistungsrelais eine völlige Lageunabhängigkeit des Meßwerkes gewährleistet Darüber hinaus ist ein raumökonomischer Aufbau ermöglicht Durch den Einsatz eines elektronischen Komptrators gegenüber

ίο einem mechanischen Drehmoment-Komparator ist eine bessere Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit der Ansprechgenauigkeit erreichbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist — ähnlich wie bei der erwähnten DE-AS 23 48 667 - zwischen dem Ausgang der Summierschaltung und dem Eingang des Glättungsgliedes ein invertierender Verstärker geschaltet dessen Ausgangssignal das minus 'Mache des vom Schalter geschalteten Signals ist

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Drehstrom-Wirkleistungsrelais besteht darin, daß die Summierschaltung einen Summierverstärker aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand mit dem den Shunt enthaltenden Phasenleiter verbunden ist und dessen invertierender Eingang über gleichgroße Widerstände mit den beiden anderen verketteten Spannungen in Verbindung steht Durch die Ankopplung des einen Eingangs des Summierverstärkers an den den Shunt enthaltenden Phasenleiter und den Anschluß des anderen Eingangs des Summierverstärkers an die beiden anderen Phasenleiter des Dreileitersystems kann mit geringem Aufwand die gewünschte Phasenlage zwischen Strom und Spannung für die Wirkleistungsmessung erreicht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Drehstrom-Blindleistungsrelais besteht darin, daß die Summierschaltung einen Summierverstärker aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand mit dem den Shunt enthaltenden Phasenleiter verbunden ist und dessen invertierender Eingang über einen ersten Widerstand direkt an die eine der anderen verketteten Spannungen und über einen zweiten Widerstand und ein Invertierglied an die andere der anderen verketteten Spannung angeschlossen ist Damit ist mit geringem Aufwand die erforderliche 90°-Verschiebung zwischen Strom und Spannung erreichbar.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines kombinierten Drehstrom-Wirkleistungs- und -Blindleistungsrelais besteht darin, daß nur ein Impulsdauer-Impulspausen-Modulator vorgesehen ist, der sowohl den Schalter für

so das Wirkleistungsrelais als auch für das Blindleistungsrelais steuert Während bei der eingangs genannten Druckschrift für die Wirkleistungserfassung und die Blindleistungserfassung jeweils ein separates Gerät erforderlich war, ist nunmehr ein kombiniertes Gerät möglich, bei dem ein Element, nämlich der Impulsdauer-Impulspausen-Modulator, sowohl für den Drehstrom-Wirkleistungsteil als auch für den Drehstrom-Blindleistungsteil gemeinsam nutzbar ist. Damit ist es nicht mehr erforderlich, für ein kombiniertes, sowohl ein Drehstrom-Wirkleistungsrelais als auch ein Drehstrom-Blindleistungsrelais enthaltendes Gerät außer den jeweils getrennten Summierschaltungen, Glättungsgliedern und Komparatoren auch zwei vollständige Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierer vorzusehen.

Van den an sich erforderlichen getrennten Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierern sind lediglich noch eigene Schalter für den Wirkleistungs- bzw. den Blindleistungsteil nötig.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Zeigerdiagramm für Wirkleistungsmessung,

Fig.2 ein elektronisches Drehstrom-Wirkleistungsrelais,

F i g. 3 ein Zeigerdiagramm für Blindleistungsmessung und

F i g. 4 eine Schaltungsanordnung zur Phasendrehung ίο der Spannung um 90° in bezug auf den Meßstrom.

In F i g. 1 sind mit R, S und T die Phasen in einem Dreileiternetz bezeichnet Hierbei wird vorausgesetzt, daß durch symmetrische Belastung das Spannungs-Dreieck nicht verzerrt ist

Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, liegt in der Phase R ein Shunt 1, an dem eine dem Strom proportionale Spannung für das elektronische Drehstrom-Wirkleistungsrelais abgenommen werden kann. Diese Spannung wird über einen Widerstand 2 einem Verstärker 3 zugeführt der mit seinem nichtinvertierenden Eingang über einen Widerstand 4 auf Bezugspotential gelegt ist das in diesem Fall das Potential der Phase R ist wie bei 5 angedeutet ist. Über einen Widerstand 6 kann der Verstärkungsgrad des Verstärkers 3 eingestellt werden. Der Ausgang des Verstärkers 3 steht über einen Widerstand 7 mit dem invertierenden Eingang eines als astabiler Multivibrator 8 geschalteten Verstärkers 9 in Verbindung. Auch der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 9 liegt über einen Widerstand 10 auf Bezugspotential. Der Ausgang des Verstärkers 9 ist über gleichgroße Widerstände 11 mit den beiden Eingängen des Verstärkers verbunden. Ferner steht der invertierende Eingang über einen Kondensator 12 mit Bezugspotential in Verbindung. Der auf diese Weise beschaltete Verstärker 9 arbeitet mit seinen Rückkopplungs-Widerständen 11 und dem Kondensator 12 als astabiler Multivibrator, dessen Tastverhältnis

J₁ ₊ j2 ^m Abhängigkeit von der im Shunt I abfallenden stromproportionalen Spannung geändert wird. Mit diesem Tastverhältnis wird ein Feldeffekttransistor 13 über einen Widerstand 14 und eine Diode 15 angesteuert, der einen Strom schaltet der proportional einer Spannung 11 ist die in Phase mit der am Shunt I abgenommenen stromproportionalen Spannung ist Bei einem Wirkleistungsrelais für ein Vierleitersystem müßte diese Spannung die Phasenlage von R-O. besitzen, wobei 0 den Nulleiter symbolisiert Da in einem Dreileiternetz kein Nulleiter vorhanden ist wird diese Spannung durch geometrische Addition der Spannung Usr und Utr erzeugt wie sich aus dem Zeigerdiagramm gemäß Fig. 1 ergibt Realisiert wird dies mit einem Summierverstärker 16, dessen invertierender Eingang über Widerstände 17 und 18 mit den Phasen S und T in Verbindung steht Ober einen Widerstand 19 ist der nichtinvertierende Eingang des Summierverstärkers 16 auf Bezugspotential gelegt das im vorliegenden Fall — wie bereits erwähnt — der Phasenspannung Ur entspricht Zwischen dem Ausgang des Summierverstärkers 16 und dem invertierenden Eingang ist ein Widerstand 20 geschaltet

Über Widerstände 21 und 22 wird die Ausgangsspannung; des Summierverstärkers 16 in Ströme umgewandelt, wobei der über den Widerstand 22 fließende Strom doppelt so groß ist wie der über den Widerstand 21 und einem invertierenden Verstärker 23 geführte Strom. Dieser wird mit Hilfe eines Widerstandes 24 so eingestellt, daß er nur halb so groß ist wie der über den Widerstand 22 fließende Strom. Um dies zu erhalten, ist ferner noch ein Widerstand 25 vorgesehen, der halb so groß ist wie der Widerstand 24, wenn die beiden Widerstände 21 und 22 gleich groß sind. Auch der Verstärker 23 ist mit seinem nichtinvertierenden Eingang über einen Widerstand 26 auf Bezugspotential gelegt Über das einen weiteren Verstärker 27 enthaltende Glättungsglied 34 werden die beiden Ströme summiert und auf eine nachgeschaltete Komparatorstufe 28 gegeben, die bei Erreichen der eingestellten, der Wirkleistung proportionalen Spannung anspricht Auch der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 27 ist Ober eine Widerstand 29 auf Bezugspotential gelegt. Das Glättungsglied 34 dient einer aktiven Glättung des Eingangssignals..

Die dem Laststrom proportionale Spannung wird also verstärkt und steuert das Tastverhältnis des astabilen Multivibrators 8. Mit diesem Tastverhältnis wird eine Spannung geschaltet die bei einem Vierleitersystem der Phasenlage von R-O entspräche. Diese Spannung wird auf einfache Weise durch geometrische Addition der beiden Spannungen Us und Ut mit Hilfe des auf das Bezugspotential Ur gelegten Summierverstärkers 16 erzeugt

Beim Blindleistungsrelais muß mit dem gleichen Tastverhältnis wie beim Wirkleistungsrelais die um 90° gedrehte Spannung Lk=UsT geschaltet werden. Sie erhält man, da die Elektronikmasse wieder auf Phasenpotential R liegt, durch geometrische Addition der Spannung Urt, die durch Invertierung der Spannung Um über das Invertiergüed 30,31,33 (F i g. 4) erhalten wird, mit der Spannung Usr, wie das Zeigerdiagramm in F i g. 3 zeigt

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der diese geometrische Addition vorgenommen werden kann, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen sind. Gegenüber Fig.2 unterscheidet sich die Schaltungsanordnung nach Fig.4 lediglich dadurch, daß die Spannung U_T der Phase T dem Summierverstärker 16 nicht unmittelbar zugeführt wird, sondern über einen invertierenden Verstärker 30, der in an sich bekannter Weise mit den Widerständen 31 und 32 geschaltet ist Der nichtinvertierende Eingang liegt über einen Widerstand 33 wieder auf Bezugspotential Ur. .

Da bei beiden Ausführungsformen das Tastverhältnis vom Strom Ir gebildet wird, kann ein Relais realisiert werden, das sowohl zur Wirk- als auch zur Blindleistungsmessung dient

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehstrom-Wirkleistungs- bzw. Drehstrom-Blindleistungsrelais für den Betrieb bei symmetrischer Belastung in einem Dreileiternetz, bei dem eine dem Produkt aus dem Strom in einem Phasenleiter und einer verketteten Spannung proportionale Größe erzeugt ist und ein Komparator zum Vergleich der den Istwert darstellenden Größe mit einem Sollwert vorgesehen ist, durch den eine Schalthandlung auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsdauer-Impulshöhen-Multiplizierer (8, 13) vorgesehen ist, bestehend aus einem als astabiler Multivibrator ausgeführten Impulsdauer-Impulspausen-Modulator (8) und einem von diesem gesteuerten Schalter (13), wobei der Impulsdauer-Impulspausen-Modulator (8) von dem Ober einen Verstärker (3) vorverstärkten Spannungsabfall an einem in einem Phasenleiter (r) angeordneten Shunt (1) ausgesteuert ist und wobei dem Schalter (13) eingangsseitig das Ausgangssignal einer Summierschaltung (16 bis 20) zugeführt ist, die die beiden auf den den Shunt (I) beinhaltenden Phasenleiter (R) bezogenen verketteten Spannungen verarbeitet und daß das Ausgangssignal des Schalters (13) über ein Glättungsglied (34) als Istwert dem Komparator (28) zugeführt ist

2. Drehstrom-Wirkleistungs- bzw. Drehstrom-Blindleistungsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Summierschaltung (16 bis 20) und den Eingang des Glättungsgliedes (34) ein invertierender Verstärker (21, 23 bis 26) geschaltet ist, dessen Ausgangssignal das minus »Mache des vom Schalter (13) geschalteten Signals ist

3. Drehstrom-Wirkleistungsrelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (16 bis 20} einen Summierverstärker aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand (19) mit dem den Shunt (I) enthaltenden Phasenleiter (R) verbunden ist und dessen invertierender Eingang über gleichgroße Widerstände (17, 18) mit den beiden anderen verketteten Spannungen (Us, U_T) in Verbindung steht (F ig. 1, Fig-2).

4. Drehstrom-Blindleistungsrelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (16, 17, 19, 20, 32) einen Summierverstärker (16) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand (19) mit dem den Shunt (1) enthaltenden Phasenleiter (R) verbunden ist und dessen invertierender Eingang über einen ersten Widerstand (17) direkt an die eine (S) der anderen verketteten Spannungen (S, T) und über einen zweiten Widerstand (32) und ein Invertierglied (30, 31, 33, 18) an die andere (T) der anderen verketteten Spannungen (S, T) angeschlossen ist (F ig. 3, F ig. 4).

5. Drehstrom-Wirkleistungs- und Drehstrom- t>o Blindleistungsrelais nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Impulsdauer-Impulspausen-Modulator (8) vorgesehen ist, der sowohl den Schalter (13) für das Wirkleistungsrelais als auch für das Blindleistungsrelais steuert. μ

Die Erfindung betrifft ein Drehstrom-Wirkleistungsbzw. Drehstrom-Blindleistungsrelais für den Betrieb bei symmetrischer Belastung in einem Dreileiternetz, bei dem eine dem Produkt aus dem Strom in einem Phasenleiter und einer verketteten Spannung proportionale Größe erzeugt ist und ein Komparator zum Vergleich der den Istwert darstellenden Größe mit einem Sollwert vorgesehen ist, durch den eine Schalthandlung auslösbar ist .

Ein derartiges Drehstrom-Wirkleistungs- bzw. Drehstrom-Bundleistungsrelais ist aus der SIEMENS-Druckschrift SSW 464/227a (1960) mit dem Titel »Leistungsrelais« bekannt Derartige Relais sind vorgesehen zur Energieüberwachung bei betriebsmäßigen Vorgängen (Tarifüberwachung, Blindstromkompensation) und bei Störungen. Sie haben nur ein Meßwerk und eignen sich für Drehstromanlagen mit gleichbelasteten Außenleitern.

Das Meßwerk eines solchen Drehstrom-Wirkleistungsrelais arbeitet nach dem FERRARIS-Prinzip, wobei der Spannungstriebfluß Φυ dem Stromtriebfluß Φ j um 90° nacheilen muß; denn das Drehmoment jedes FERRARIS-Meßwerkes ist proportional