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Elektronischer Zähler zum Messen des Energieverbrauches
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Kilowattstunden
(kWh)- oder Kilovoltamperestunden (kVAh)-Zähler mit verbesserten Mitteln zur Fehlerkorrektur
in dem Zähler.
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Die Erfindung bezieht sich auf das Messen der elektrischen Energie
in der Größenordnung von beispielsweise Kilowattstunden in einem elektrischen System.
Die elektrische Energie in Kilowattstunden (kWh) wurde und wird weiterhin mit einem
eine rotierende Scheibe aufweisenden Zähler gemessen, der u.a. in dem 'Electrical
Metermans Handbook, Kapitel 7, 7. Auflage, veröffentlicht 1965 durch Edison Electric
Institute, beschrieben ist. Die im folgenden beschriebene Erfindung stellt eine
Abweichung von der Methode und der Vorrichtung dar, die beim Induktionszähler mit
Läuferscheibe verwendet wird. Zusätzlich sind in der Instrumenten -und Zählertechnik
Systeme bekannt, die elektronischeund Festkörpervorrichtungen zum Messen von Leistung
und Arbeit verwenden. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist in der U.S.-PS 3
951 138 beschrieben. In einer derartigen Einrichtung ersetzen die elektronischen
und Festkörpervorrichtungen die UblicheLäuferscheibe. Somit werden in bekannten
Systemen der durch eine Leitung fließende Strom und die Uber einer Lastimpedanz,
die mit der Leitung verbunden ist, anliegende Spannung Jeweils abgetastet, und diese
Parameter darstellende Signale sind mit einem Impulsbreiten-Ainplitudenmultizipliererverbunden.
Der Multiplizierer erzeugt ein Ausgangssignal, das dem Produkt der abgetasteten
Spannung und des Stromes proportional ist.
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Dieses Signal wird dann durch ein Tiefpaßfilter gemittelt, um eine
Gleichspannung mit einer Amplitude zu liefern, die der gesamten Durchschnittsleistung
des elektrischen Systems
proportional ist. Diese Cleichspannung
wird durch einen Analog/ Impulsfolgewandler in eine Impulskette umgewandelt, die
eine variable Signalfolgegeschwindigkeit f aufweist, die der mittleren Leistung
in dem System proportional ist, wobei jedes Ausgangsimpulssignal eine konstante
quantifizierte Menge an elektrischer Energie darstellt. Die Ausgangsimpulskette
wird dann mit einem Anzeigemechanismus gekoppelt, der beispielsweise einen Zähler
oder ein Register aufweisen kann, das übliche Sammel-, Speicher- und Anzeigefunktionen
ausführt. Ein Beispiel eines derartigen Kilowattstundenzählers ist in der US-PS
3961257 beschrieben. Jedoch weist keines dieser bekannten elektronischen Meßsysteme
eine interne Fehlerkorrektureinrichtung zum Korrigieren eines Fehlers in dem Zähler
auf.
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Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung
zum Messen der Kilowattstunden in einem ein -phasigen oder mehrphasigen Wechselstromsystem
zu schaffen.
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Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Anordnung zum Messen der Kilowattstunden in einem einphasigen oder mehrphasigen
Wechselstromsystem zu schaffen, bei dem eine Fehlerkorrektur in dem Zähler bzw.
Meßgerät vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zum Messen der Kilowattstunden
in einem elektrischen Wechselstromsystem geschaffen, die einen Fehlerdetektor aufweist.
Die Anordnung enthält eine Vergleichseinrichtung und einen Dreieckswellengenerator.
Der Dreieckswellengenerator erzeugt ein hochfrequentes Signal, das mit dem einen
Eingang der Vergleichseinrichtung verbunden ist. Ein der abgetasteten Spannung in
dem elektrischen System proportionales analoges Signal ist mit der anderen Eingangsklemme
der Vergleichseinrichtung verbunden. Die Ausgangsgröße der Vergleichseinrichtung
ist somit ein Impulsbreiten-moduliertes Signal, wobei die Impulsbreite der Größe
der Spannung in
dem elektrischen System proportional ist. Dieses
Signal wird mit einem Signal multipliziert, das der Amplitude des Stromes in dem
System proportional ist. Somit ist die Ausgangsgröße des Multiplizierers proportional
zu dem gleichphasigen Produkt von Strom und Spannung in dem elektrischen System.
Dieses Signal wird integriert, um ein Signal abzuleiten, das den Kilowattstunden
in dem System proportional ist. Das integrierte Signal wird dann in eine Impulskette
umgewandelt, wobei die Frequenz der Impulskette der Geschwindigkeit proportional
ist, mit der Kilowattstunden in dem elektrischen System verbraucht werden. Um für
eine Fehlerkorrektur zu sorgen, ist eine Schalteinrichtung vorgesehen zum Umkehren
der Eingangsklemmen, mit denen die der dreieckförmigen und analogen Spannung proportionalen
Signale verbunden sind. Der Schalter wird immer dann betätigt, wenn ein Ausgangsimpuls
in der Impulskette am Ausgang des Meßgerätes bzw. Zählers auftritt. Somit tendiert
der Integrator zum Integrieren nach oben und unten in abwechselnden Zyklen, wenn
die Impulse in der Impulskette erzeugt werden.
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Dies gleicht effektiv einen Verschiebungsfehler aus, der während des
Integrationsprozesses erzeugt wird.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein mehrphasiges
Meßsystem vorgesehen, wobei zahlreiche Vergleiche.inrichtungen mit einer Vielzahl
von Multiplizierern versehen :sind, die mit dem entsprechenden Ausgang verbunden
sind. Die von jedem der Multiplizierer abgegebenen Ausgangssignale werden summiert
und integriert, um ein Signal zu entwickeln, das der Summe der in Jeder Phase des
mehrphasigen Systems ver -brauchten Kilowattstunden proportional ist.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an Hand
der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild von einem
einphasigen
elektronischen Kilowattstunden zähler gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild von einem mehrphasigen
elektronischen Kilowattstundenzähler gemäß der Erfindung.
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In Figur 1 ist ein schematisches Blockschaltbild von einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das elektrische System, in dem Leistung
und Energie bzw. Arbeit durch das Meßgerät gemäß der Erfindung gemessen werden kann,
kann irgendeinen Aufbau besitzen und beispielsweise ein übliches Leistungsverteilungssystem
mit einer Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz enthalten. Die Spannung in dem System wird
durch einen Spannungstransformator 11 abgetastet. Der Strom in dem System wird durch
einen Stromtransformator 13 gemessen. Der Spannungstransformator 11 weist eine erste
Sekundärwicklung 15 auf, über der ein analoges Signal Vx entwickelt wird, das proportional
zu der Spannung V in dem elektrischen System ist.
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Diese Spannung ist an die Klemmen A und B von Schaltern 17 bzw.
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19 angelegt. Eine zweite Sekundärwicklung 21 des Transormators 11
entwickelt eine Spannung, die mit einer Leistungseinspeisung 23 in Verbindung steht.
Die Leistungseinspeisung 23 enthält einen Gleichrichter und ein Filter und liefert
eine Vielzahl von Ausgangsgrößen zur Speisung entsprechender aktiver Schaltungskomponenten
in den Zähler gemäß der Erfindung.
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In dem in Figur 1 dargestellten Zustand ist der Schaltarm 25 des Schalters
17 mit der Klemme A geschlossen, während der Schaltarm 27 des Schalters 19 mit der
Klemme A verbunden ist.
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Somit koppelt der Schalter 17 die analoge Spannung Vx mit dem einen
Eingang der Vergleichs schaltung 29 über einen Wider -stand31. Die andere Eingangsgröße
in die Vergleichseinrichtung 29 ist eine relativ hochfrequente dreieckförmige Welle,
die durch einen Dreieckswellengenerator 33 erzeugt wird, wobei
dieses
Signal der Vergleiciiseinriclrtun£29 iilZelden <I£-Il ii! -widerstand 35 zugetiihrt
wird, Der Dreieckswellengenerator 33 enthält einen Integrator, eer einen Verstärker
37 aufweist, desen gleichphasiger Eingang über einen Widerstand 39 geerdet bzw.
an Masse gelegt ist und dessen invertierter Eingang mit dem Ausgang eines Flipflop
41 über einen Widerstand 43 verbunden ist. Ein Rückkoplungskondensator 45 ist zwischen
den invertierten Eingang des Verstärkers 37 und dessen Ausgang geschaltet, um dadurch
eine übliche Integratorschaltung zu bilden. Der Ausgang des Integrators ist mit
dem Eingang der Vergleichs schaltung 29 iiber einen Widerstand 35 verbunden und
ist ferner über einen Widerstand 49 mit einem Impulsgeber 47 verbunden. Der Impulsgeber
enthält eine erste Vergleichs schaltung 51 und eine zweite Vergleichsschaltung 53.
Der andere Eingang der ersten Vergleichsschaltung 51 liegt an einer festen positiven
Sparmung Vp und der andere Eingang der Vergleichs schaltung 53 liegt an einer konstanten
negativen Spannung Vn. Die Ausgangsgrößen der Vergleichsschaltungen 51 und 53 sind
so verbunden, daß sie die Eingänge des Flipflops 41 setzen bzw. zurücksetzen.
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Im Betrieb sei angenommen, daß der Integrator in positiver Richtung
nach oben integriert, d.h. er erzeugt in positiv werdenden Abschnitt der Dreieckswelle.
Wenn die Ausgangs -spannung des Integrators den Spannungspegel Vp erreicht, erzeugt
die Vergleichseinrichtung 51 einen Ausgangsimpuls, uln das Flipflop 41 zu setzen.
Dadurch wird am Ausgang des Flipflop 41 ein Impuls entwickelt, der bewirkt, daß
der Integrator nach unten zu integrieren beginnt. Wenn der Integrator nach unten
integriert, d.h. eine Ausgangsspannung erzeugt, die in negativer Richtung verläuft,
wird der negativ werdende Abschnitt der Dreieckswelle erzeugt. Wenn der Integrator
eine Ausgangsspannung liefert, die den Pegel Vn erreicht, erzeugt die Vergleichseinrichtung
53 ein Ausgangssignal zum Zurück -setzen
des Flipflop 41. Wenn
dies auftritt, wird der Ausgang des Flipflop 41 umgeschaltet, um zu bewirken, daß
der Integrator wieder nach oben integriert. Dieser Zyklus wiederholt sich mit einer
günstigen schnellen Geschwindigkeit im Vergleich zur Frequenz der Netzspannung in
dem elektrischen System. Beispielsweise kann in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Netzspannung die übliche Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz in elektrischen Verteilungssystemen
haben. In einem derartigen Fall erzeugt der Dreieckswellengenerator 33 vorzugsweise
eine Dreieckswelle mit einer Frequenz von etwa 10 kHz.
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Die Ausgangsgröße der Vergleichseinrichtung 29 ist eine Impulskette,
wobei jeder Impuls eine Zeitdauer hat, die der augenblicklichen Amplitude der Netzspannung
in dem gemessenen elektrischen System proportional ist. Die Ausgangsgröße der Vergleichseinrichtung
29 ist somit ein 1 mpulsbreiten-moduliertes Signal mit einer Dauer, die der Netzspannung
V proportional ist. Dieses Signal ist mit einer Schalteinrichtung 55 gekoppelt,
die, wie dargestellt ist, einen mechanischen Aufbau besitzt. Es sei jedoch bemerkt,
daß der Schalter 55 auch irgendein geeigneter bekannter Elektronikschalter sein
kann. Der Schalter 55 dient als eine multiplizierende Einrichtung.
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Der Sekundärwicklung 14 des Stromtransformators 13 ist ein mit einer
Mittelanzapfung versehener Widerstand 57 parallel ge -schaltet. Die Mittelanzapfung
des Widerstandes 57 ist mit Erde bzw. Masse verbunden, so daß eine erste analoge
Spannung Vy auf einer Leitung 59 und eine zweite analoge Spannung -Vy auf einer
Leitung 61 gebildet wird. Diese Spannungen sind in ihrer Magnitude proportional
zu dem in dem System abgetasteten Strom, aber 1800 phasenverschoben zueinander.
Die Spannung Vy hat im wesentlichen die gleiche Phase wie der Strom in dem System.
Es ist ersichtlich, daß der Schalter 55 dazu dient, entweder die Spannung Vy oder
-Vy an den Eingang der Integratorschaltung 63
zu legen, was von
der Ausgangsgröße der Vergleichseinrichtung 29 abhängt. Wenn beispielsweise die
Ausgangsgröße der Ver -gleichseinrichtung 29 hoch ist, ist der Schaltarm 65 des
Schalters 55 mit der Netzleitung 61 verbunden; wenn dagegen die Ausgangsgröße der
Vergleichseinrichtung 29 klein ist, ist der Schaltarm 65 mit der Leitung 59 verbunden.
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Der Integrator 63 besitzt einen üblichen Aufbau und enthält einen
Verstärker 67, dessen gleichphasiger Anschluß über einen Widerstand 69 mit Erde
bzw. Masse verbunden ist und der zu -sätzlich einen Rückkopplungskondensator 71
aufweist. Die Eingangsgröße in den Integrator 63 ist ein zerhacktes analoges Signal
mit einer augenblicklichen Amplitude, die dem in dem elektrischen System gemessenen
Strom proportional istRund die Dauer des zerhackten Abschnitts der Welle ist proportional
zur Größe der Spannung in dem System. Somit ist die Eingangsspannung in den Integrator
63 proportional zu der in dem elektrischen System verbrauchten Leistung. Die Ausgangsgröße
des Integrators ist ein Signal, das der in dem elektrischen System verbrauchten
Energie proportional ist. Dieses Signal wird durch eine Impulserzeugerschaltung
73 in eine Impulskette umgewandelt.
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Dieser Impulsgeber 73 ist etwa ähnlich dem Impulsgenerator 47 in dem
Dreieckswellengenerator 33. Somit enthält der Impulsgenerator Vergleichseinrichtungen
75 und 77 und ein Flipflop 79. Der Ausgang des Integrators ist über einen Widerstand
81 mit jedem der Vergleichseinrichtungen 75 und 77 verbunden. Eine konstante positive
Spannung Vp ist an den anderen Eingang der Vergleichseinrichtung 75 gelegt, und
eine konstante negative Spannung Vn ist an den anderen Eingang der Vergleichseinrichtung
77 gelegt. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 75 ist mit dem Setzeingang des
Flipflop 79 und der Ausgang der Vergleichseinrichtung 77 ist mit dem Rücksetzeingang
der Vergleichseinrichtung 79 verbunden.
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Im Betrieb sei angenommen, daß der Integrator 63 in positiver
Richtung
integriert. Wenn die Spannung am Ausgang des Integrators gleich Vp ist, liefert
die Vergleichseinrichtung 75 ein Ausgangssignal zum Setzen des Flipflop 79. Somit
wird ein Impuls erzeugt, der einer Aufzeichnungs- und Anzeigevorrichtung 83 zugeführt
wird, die einen üblichen Aufbau besitzt.
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Zur gleichen Zeit wird der Ausgangsimpuls zu den Schaltern 17 und
19 rückgekoppelt, um dadurch zu bewirken, daß sich die Schaltarme 25 bzw. 27 mit
den Kontakten B schließen. Dadurch werden die Eingangsverbindungen zu der Vergleichseinrichtung
29 umgekehrt bzw. ausgetauscht, so daß nun die Dreieckswelle mit dem gleichphasigen
Eingang der Vergleichseinrichtung verbunden und die analoge Spannung Vx mit den
ungleichphasigen Eingang der Vergleichseinrichtung verbunden ist. Somit wird am
Eingang des Integrators 63 ein vorwiegend positiv werdendes Signal geliefert und
demzufolge beginnt der Integrator in negativer Richtung zu integrieren. Wenn die
Ausgangsgröße des Integrators auf den negativen Spannungswert Vn abfällt, liefert
die Vergleichsschaltung 77 einen Ausgangsimpuls zum Zurücksetzen des Flipflop 79.
Dies hat ein Ausgangssignal zur Folge, das die Kontaktarme 25 und 27 der Schalter
17 bzw. 19 wieder mit den Anschlußklemmen A verbindet. Der Zyklus wiederholt sich
dann selbst. Somit werden während des Integrationsprozesses nach oben und unten
die Fehlersignale aufgrund von Versetzungsspannungen, die aus dem Integrationsprozeß
resultieren, ausgemittelt. Dies verbessert den dynamischen Bereich des elektronischen
Kilowattzählers gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In Figur 2 ist ein mehrphasiges Kilowattmeßsystem gezeigt. Insbesondere
ist das Meßsystem gemäß Figur 2 so aufgebaut, daß Leistung in einem dreiphasigen
System gemessen wird. Der Kilowattstundenzähler enthält drei Spannungstransformatoren
11, 11' und 11 " und drei Stromtransformatoren 13, 13' und 13'' zum Abtasten der
Spannung und des Stromes in jeder der drei Phasen des mehrphasigen Systems. Wie
in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Figur 1 enthält jeder Spannungstransformator
eine Sekundärwicklung 15, 152 und 15", die an dem einen Ende geerdet bzw.
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an Masse gelegt und mit dem Anschluß A von Schaltern 17, 17' und 17
" und mit dem Anschluß B von Schaltern 19, 19' bzw.
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19" an dem anderen Ende verbunden ist. Zusätzlich enthält jeder Spannungstransformator
eine zweite Sekundärwicklung 21, deren Ausgang mit einer Leistungsquelle 23 verbunden
ist. Die von den Sekundärwicklungen 21 gelieferten Spannungen werden summiert, gleichgerichtet
und gefiltert, um zahlreiche Ausgangsgleichspannungen zu liefern zum Speisen der
aktiven Schaltungselemente in dem Meßsystem.
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Die Stromtransformatoren enthalten jeweils eine Sekundärwicklung 14,
14' und 14", denen jeweils ein Widerstand 57, 57' bzw. 57" parallel geschaltet ist.
Der Widerstand ist in der Mitte mit einer geerdeten bzw. an Masse gelegten Anzapfung
versehen, so daß auf Leitungen 59bzw. 61 zwei analoge Signale Vy und -Vy geliefert
werden. Diese Signale sind dem in einer bestimmten Phase des mehrphasigen Systems
abgetasteten Strom proportional, aber die Spannung Vy ist 1800 phasenverschoben
in Bezug auf die Spannung -Vye Die Schalter 17 und 19 (im folgenden werden gleiche
Schaltungselemente in jeder Phase nicht mehr mit einem Strich bezeichnet) l-egen
Eingangsspannungen an die Vergleichseinrichtungen 29 an.
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Somit verbindet der Schalter 17, wenn er sich in der gezeigten Stellung
befindet, die analoge Spannung Vx mit dem gleichphasigen Eingang der Vergleichseinrichtung
29 über den Widerstand 31, während der Schalter 19 eine Dreieckswelle an den ungleichphasigen
Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung 29 über einen Widerstand 35 verbindet.
Der Dreieckswellengenerator 33 hat den gleichen Aufbau, wie er in Figur 1 dargestellt
ist und wird demzufolge hier nicht nochmal im einzelnen beschrieben.
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Es sei jedoch bemerkt, daß die durch den Dreieckswellengenerator 33
erzeugte Dreieckswelle eine Frequenz hat, die groß im
Vergleich
zur Frequenz der elektrischen Energie in dem gemessenen mehrphasigenelektrischen
System ist.
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Die Ausgangsgrößen der Vergleichseinrichtungen 29 sind Impulsbreiten-modulierte
Signale mit einer Impulsbreite, die der Amplitude der analogen Spannung Vx proportional
und somit der Amplitude der Spannung in einer bestimmten gemesseneii Phase in dem
elektrischen System proportional ist. Dieses Signal wird einem Multiplizierschalter
55 zugeführt, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen mechanischen Aufbau
besitzt. Es sei jedoch bemerkt, daß der Schalter 55 auch irgendein üblicher elektronischer
Schalter sein kann. Auf das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 29 hin wird
der Schaltarm 65 des Schalters 55 in einen Kontakt mit den Leitungen 59 oder 61
gedreht, was davon abhängt, ob das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung hoch
oder tief ist. Somit ist der Ausgang des Schalters 55 durch einen ersten Summierwiderstand
60 mit der Integratorschaltung 63 gekoppelt. Der Ausgang des Schalters 55' ist mit
dem Integrator 63 über einen zweiten Summierwiderstand 62 und der Ausgang des Schalters
55" ist mit dem Integrator 63 über einen dritten Summierwiderstand 64 verbunden.
Die Ausgangssignale von jedem der Schalter 55, 55' und 55" ist ein zerhacktes analoges
Signal mit einer Amplttude, die dem augenblicklichen Strom in den entsprechenden
Phasen des mehrphasigen Systems proportional ist, wobei die Dauer der zerhackten
Welle der Größe der Spannung in der entsprechenden Phase des Systems proportional
ist. Diese Signale werden summiert und dem Integrator 63 zugeführt, wobei das sumrnierte
Signal proportional zu der gesamten in dem mehrphasigen System verbrauchten Leistung
proportional ist. Die Ausgangsgröße des Integratorr 63 ist eine Spannung, die der
in dem mehrphasigen System verbrauchten Energie proportional ist.
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Diese Spannung wird einem Impulsgenerator 73 zugeführt, der den gleichen
Aufbau wie der Impulsgenerator 73 gemäß Figur 1 besitzt. Demzufolge wird die Arbeitsweise
dieser Schaltungsanordnung nicht im einzelnen beschrieben. Die Ausgangsgröße des
Generators
73 ist eine Impulskette, die einer Aufzeichnungs-und Anzeigevorrichtung 83 zugeführt
ist, die die Impulse sammelt und eine Aufzeichnung oder Anzeige davon in verbrauchten
Kilowattstunden liefert. Die Ausgangsgröße des Generators 73 wird auch zurückgekoppelt,
um die Schaltarme der Schalter 17, 17', 17", 19, 19' und 19" mit dem Zweck anzutreiben,
den während des Integrationsschrittes erzeugten Versetzungsfehler zu korrigieren.
Wenn sich also die Schaltarme in der dargestellten Position befinden, ist die mittlere
Ausgangs spannung der Schalter 55, 55' und 55" negativ, und der Integrator t, integriert
demzufolge in positiver Richtung. Somit integriert der Integrator nach unten, bis
seine Ausgangsspannung gleicii Vnist, und zu dieser Zeit wird ein Ausgangsirnpulsgeliefert
Kontakt mit den Anschlußklemmen B. Wenn dies auftritt, ist die Dreieckswellenspannung
an die gleichphasigen Eingangsklemmen der Vergleichseinrichtungen 29 angelegt, während
die analoger Spannungen Vx mit den ungleichphasigen Eingangsklemmen der Vergleichsschaltung
29 verbunden sind. Dies führt zu einer mittleren bzw. durchschnittlichen Ausgangsgröße
der Schalter 55, 55' und 55", die negativ ist, und somit integriert der Integrator
63 in positiver Richtung. Wenn die Ausgangsspannung des Integrators 63 gleich V
ist, liefert das Flipflop 79 einen p Ausgangsimpuls, der die Schaltarme der Schalter
17-19" zurück in einen Kontakt mit den Anschlußklemmen A schaltet. Somit ist ersichtlich,
daß während der Aufwärts/Abwärtsintegration die Fehlersignale des Integrators ausgemittelt
werden. Dies verbessert, wie gesagt, den dynamischen Bereich des elektronischen
Kilowattzählers gemäß der Erfindung und gestattet eine relativ vereinfachte Schaltungsanordnung
zum I4essen sowohl der Leistung als auch Energie in einem mehrphasigen System.
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Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit der Messung der Wirkleistung
(kWh) beschrieben, sie kann jedoch auch zur Messung der Scheinleistung (kVAh) angewendet
werden.