DE2828167C2

DE2828167C2 - Verfahren und Anordnung zur potentialfreien Messung und oszillographischen Aufzeichnung von durch kurze Schaltvorgänge hervorgerufenen Spannungsverläufen

Info

Publication number: DE2828167C2
Application number: DE19782828167
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-06-24
Filing date: 1978-06-24
Publication date: 1984-03-01
Also published as: DE2828167A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur potentialfreien Messung und oszillographischen Aufzeichnung von durch Schaltvorgänge hervorgerufenen Spannungsverläufen mit extrem schnellen Änderungen in Hochspannungsanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 2.

Bei der Untersuchung kurzzeitiger Strom- und Spannangsvorgänge in Hochleistungsanlagen treten bei

jo bekannten Meßverfahren Meßfehler auf. die im wesentlichen durch die extrem schnellen Potentialänderungen (>2 V/ns) bei Schaltvorgängen und den damit verbundenen Ausgleichsströmen in den parasitären Kapazitäten hervorgerufen werden. Eine weitere Ursache der die Meßeinrichtungen beeinflussenden Störsignaie kann in Einstreuung elektromagnetischer Felder liegen, die in die nie vollkommen abgeschirmten Meßwertgeben. Verbindungskabel zum Aufzeichnungsoder Beobiichtungsgeräl sowie in die Aufzeichnungs- und Speisegeräte eindringen können. Um einstreuungsarme Meßergebnisse zu erzielen, ist eine wirksame Trennung des Meßwertgebers und der Signalzuleitung erforderlich, so daß Verschiebungsströme in den Erdkapazitäten der Registriergeräte und damit Verfälschungen der Spannungszeitverläufe vermieden werden.

Aus der Literaturstelle A. Podgorski: »Oszillographische Messungen in Hochleistungsprüffeldern mittels Lumineszenzdioden und Lichtleitbündel« (XIX. Intern.

so Wiss. Koll.TH Ilmenau 1974, S. 207 -210) ist es bekannt, Meßfehler durch die galvanische Trennung von Meßobjekt und Registrieranordnung mittels optoelektronischer Koppelelemente zu vermeiden. Bei dieser bekannten Einrichtung wird an den Hochleistungsprüfkreis ein Meßwiderstand angeschlossen, der von einem auf Hochspannungspotential befindlichen Sender abgetastet wird. Die Meßwerte werden über ein Lichtleitbündel auf einen auf Meßgerätepotentia! befindlichen Empfänger übertragen, der über ein Verbindungskabel an einen Differenzverstärker mit zugehörigem Aufzeichnungsgerät angeschlossen ist. Dieses bekannte analoge Meßverfahren mit direkter optoelektronischer Meßwertübertragung schließt jedoch Meßfehler ein, die durch die Nichtlinearität, den Temperaturgang und eine nicht ausreichende Bandbreite der optoelektronischen Übergangsstrecke bedingt sind. Es ist ferner durch die DE-AS 13 03 767 eine Anordnung zui Messung eines Stromes in einem Hochspannungskreis mit einer auf der

Hochspunnungsseite liegenden Sendeeinrichiung. die einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer zur Umwandlung einer dem zu messenden Strom proportionalen Meßspannung in Impulse mit einer der Amplitude dieser Spannung proportionalen Folgefrequenz und eine von diesen Impulsen geiriggerte Impulsformereinrichtung enthält, deren Ausgangsimpulse nach Umwandlung in Lichiimpulse durch eine Lumineszenzdiode über ein optisches Übertragungssystem auf eine auf Niederspannungspotential angeordnete Empfangseinrichtung übertragen werden, bekannt. Das optische Übertragungssystem besteht hochspannungsseitig aus einer Lumineszenzdiode ιηκ einer Linse, mit deren Hilfe und einer weiteren Linse auf Niedcrrspannungspotential Lieh! aui ein Fotoelemen¹ geworfen wird. Durch die DE-OS 23 03 585 ist eine ähnliche Anordnung bekanntgeworden, bei der optoelektronische Koppler-Bauelemente benutzt werden. Bei der Übertragung mittels Spannungs-/Frequenz-Umsetzung ist an sich eine gute Linearität und eine hohe Genauigkeit gegeben; doch Hsteht diesen Eigenschaften eine geringe Grenzfrequenz gegenüber.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Palentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, welche darüber hinaus die Übertragung extrem schnell veränderlicher Spannungsverläufe, trotz Beschränkung der Grenzfrequenz durch die verwendbaren Spannungs-/Frequenzumsetzer, ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Verfahrensschritte und durch eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 mit den im Kennzeichen dieses Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens besieh., darin, daß. wie bereits beschrieben, die Grenzfrequenz-Beschränkung de.i Spannungs-/Frequenzumsetzers fortfällt. Dieser Vorteil kann jedoch nur dann zur Geltung gebracht werden, wenn bei der Erfassung der Meßgröße Bausteine vermieden werden, die ähnlichen Grenzbedingungen unterworfen wären. Dies gilt insbesondere für eine Digitalisierung des abgetasteten Meßwerts. Es ist daher wesentlich, die Meßwerte analog zu speichern.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.

Es zeigt

F i g. Ί ein Blockschaltbild der Hochleistungsmeßanordnung,

F i g. 2 und 3 Übersichtspläne des im Blockschaltbild verwendeten Analogspeichers und -multiplexers sowie der Steuerlogik,

F i g. 4 eine prinzipielle Darstellung des Datenübertragungskanals und Tiefpasses und

F i g. 5 die zeitliche Darstellung der Signalverarbeitung eines beliebigen Eingangssignals.

Das in F i g. 1 dargestellte Blockschaltbild einer Meßanordnung zur Messung und Aufzeichnung von an einer Schalteinrichtung (1), die aus einem Thyristor für den Einsatz bei Spannungen über 1 kV besteht, auftretenden Thyristor-Einschaltvorgängen weist einen an die Anode' und Kathode eines der in Reihe geschalteten Thyristoren 1 angeschlossenen Meßwertaufnehmer 2 auf, der inv Beispiel aus einem Spannungsteiler besteht. Er hat die Aufgabe, die extrem hohen Potentialsprünge ohne dynamischen Meßfehler an den statisch und dynamisch möglichen Eingangsspannungsbereich der nachfolgenden Abtast-/Halteverstäiker (A/H-Verstärker) 3 anzupassen.

Die im Block des A/H-Verstärkers 3 angedeuteten Schalter und Kondensatoren symbolisieren die Funktion der A/H-Verstärker, die von einer Steue/Iogik 5 gesteuert werden. Die Steuerlogik 5 steuert gleichfalls einen an den Ausgang des A/H-Versiärkers 3 angeschlossenen Analogmultiplexer 6 und empfängi

ίο selbst Triggerimpulse von einem zur Ansteuerung des Thyristors 1 dienenden optisch sttuerba.en Transistorschalter 14 mit angeschlossenem Fototransistor 15 als Lichtempfänger. Über einer Glasfaserleitung ist dieser Lichtempfänger 15 mit einer Lumineszenzdiode 17 verbunden, die an einen Steuersalz 18, der Steuersignale zur Ansteuerung des Thyristorschalters empfängt, angeschlossen ist. Der weitere Aufbau der Hochleistung'-Meßanordnung enthält einen dem Analogmultiplexer 6 nachgeschalteten Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 mit angeschlossener Lumineszenzdiode 8, die die vom Umsetzer 7 empfangenen Impulse variabler Frequenz, konstanter Amplitude und Pulsbreite in eine elektromagnetische Strahlung im nahen Infiarot-Bereich umsetzt. Diese Strahlung wird über eine Glasfaserleitung 9 übertragen, die gleichzeitig die Potentialtrennung zwischen den auf Hochspannungspotential und den auf Erdpotential befindlichen Teilen der Meßanordnung herstellt.
Am anderen Ende der Glasfaserleitung 9 befindet sich als Lichtempfänger ein Fototransistor 10 mit spezieller Empfängerschaltung, der die ankommende Strahlung wieder in ein elektrisches Signal umsetzt, das dann in einem nachgeschalteten Frequenz-Spannungs-Umsetzer 11 demoduliert wird. Über einen Tiefpaß 12 gelangt

J5 der Meßwert auf einen Kathodenstrahloszillographen 13. der vom Steuei satz 18getriggert wnd.

Die Energieversorgung der auf Hochspannungspotential befindlichen Steuerlogik 5 sowie des A/H-Verstärkers 3 und des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 erfolgt durch eine Batterie 4.

Das in Fig.2 dargestellte Prinzipschaltbild des A/H-Verstärkers und Analogmultiplexers soll nachstehend nur an seinen wesentlichen, zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteilen beschrieben werden.

Monolithisch integrierte Abtast-Halteschaltungen 31 enthalten Eingangsverstärker, elektrische Schalter A 1 bis An und weitere Verstärker. Durch den Eingangsverstärker vom Meßkreis 2 entkoppelt folgt die Spannung an eirifcin Speicherkondensator 32 dem Meßsignal u\ (t).

Die Schalter A 1 bis An der monolithisch in'pgrierten Abtast-Halteschaltungen 31 werden von einem anhand von F i g. 3 beschriebenen n-Bitspeicher angesteuert.

Bei dem Analogmultiplexer 6 handelt es sich um einen in üblicher Weise aufgebauten Multiplexer, bei dem die an η Eingangsleitungen anliegende Information auf eine Ausgangsleitung geschaltet wird. Ein solcher Multiplexer ist bekannt. Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Analogmultiplexer 6 weist eine n- und eine Α-Ebene auf, wobei die Α-Ebene vom Signal An gesteuert wird und in die /7-Ebene Aasgangsimpulse Ti bis Tn eines ebenfalls anhand der F ί g. 3 beschriebenen Ringzählers eingegeben werden.

Der in Fig.3 dargestellte Übersichtsplan der Steaerlogik 5 weist zwei hintereinandergeschaltete Verzögerungsglieder 51 und 52 auf, wobei der Eingang des Verzögerungsgliedes 51 mit dem Triggersignal des Thyristorgates vom optisch steuerbaren Transistorschalter 14 beaufschlagt wird und der eine Ausgang des

zur Triggersignalverzögerung einstellbaren zweiten Verzögerungsgliedes 52 mit dem Takteingang eines ersten J-K-Flipflops 53 mit und der zweite Ausgang des einstellbaren Verzögerungsgliedes 52 dem Rücksetzeingang eines zweiten J-K-Flipflops 54 sowie den Eingängen eines Ringzählers 58 und über ein ODER-Glied 63 mit dem Eingang eines n-Bit-Speichers 59 für die Abtast-Spalte-Befehle verbunden ist. Die Ausgänge der J-K-Flipflops 53 und 54 sind wechsel weitig über zwei UND-Gatter 60, 61 mit den Eingängen zweier Taktgeneratoren 56 und 57 verbunden. Die Ausgänge dieser Taktgeneratoren wiederum sind über ein zweites ODER-Glied 64 mit einem v/eiteren Eingang des Ringzählers 58 verbunden, dessen Ausgänge sowohl zur Ansteuerung der 1-Ebene des Analogmultiplexers 6 dienen als auch mit den Eingängen des n-Bit-Speichers 59 verbunden sind. Die Ausgänge dieses /7-Bit-Speichers 59 sind mit den Schaltern A 1 His An der monolithisch integrierten Abtast-Halteschaltung 31 des A/H-Verstärkers 3 verbunden. Ein weiterer Ausgang des n-Bit-Speichers 59 steuert über ein weiteres UND-Gatter 62, dem an einem zweiten Eingang der zA/7-lmpuls des Speichers eingegeben wird, den Rücksetzeingang des ersten J-K Flipflops 53 und den Takteingang eines weiteren Verzögerungsgliedes 55 an. dessen Ausgang an einen zweiten Eingang des ODER-Gatters 63 angeschlossen ist. Bedeutung und Funktionsweise der Steuerlogik sollen anhand der zeitlichen Darstellung der Fig. 5 erläutert werden.

Das in Fig.4 dargestellte Schaltbild des Dateniibertragungf.kanals und des Tiefpasses zeigt eingangsseitig den mit dem Analogmultiplexer 6 verbundenen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7. der über eine Verstärkerschaltung 19 an die Lumineszenzdiode 8 angeschlossen ist. Über die Glasfaserleitung 9 als Datenübertragungskanal gelangen die Meßsignale auf den Fototransistor iO. dem eine spe/icllc Empfängersi-h.iitung 20 folgt. Ober den Frequenz-Spannungs-Ümsctzer 11 isi der Ausgang dieser Empfängerschaltung 20 mil dem Tiefpaß 12 verbunden, der im Ausführungsbeispiel .ins einem Kettenleiter mit zwei ÄC-Giicdern Ri. R,- und C . ( besieht. Der Ausgang des Tiefpasses 12 ist nut einem Operationsverstärker 21 abgeschlossen, dessen Ausgang wiederum auf den Kathodenstrahios/illographen Π fuhrt

Anhand eines in I ι g. 5 dargestellten zeitlichen Verlaufs, das die Signalverarbeitung eines beliebigen f .ingantrssiirnals wiedergibt, soll die Funktionsweise des Verfahrens nach der Erfindung naher erläutert werden.

Die Melipiinkte der m Fig. 5 gezeigten Spannungs-/ciiverlaiife r (ι) bis //. (t) sind im Blockschaltbild der Fig.! eingetragen. Dabei stellen die einzelnen Spannungsverlaufe ii (l)uar:

Ui lh

lh

ti;

am Ausgang des Spannungsteilers 2
am Ausgang des 2. Analogspeichers
am Ausgang des 4. Analogspeichers
am Ausgang des Analogmultiplexers 6
am Ausgang des Frcquenz-Spannungs-Umsctzcrs 11
am Ausgang des Tiefpasses 12.

Das vom Spannungsteiler 2 abgegriffene Mcßsignal lh (l) wird dem A/H-Verstärker 3 eingegeben, in dem durch den Eingangsverstärker vom Meßkreis entkoppelt, die Spannung am Speichcrkondensator 32 dem Meßsignal ί/ι (t)folgt.

Ein aus der Steuerschaltung J8 abgeleiteter und vom optisch steuerbaren Transistorschalter 14 abgegebener Triggerimpuls startet über das einstellbare zweite Verzögerungsglied 52 der Steuerlogik 5 den ersten Taktgenerator 56. Die von diesem erzeugten Impulse werden von dem Ringzähler 58 gezählt und anschließend in den /7-Bit-Speicher 59 eingelesen. Die mit der Abtastfrequenz ί_Αρ,^\/Τ_Α ι in den Speicher einlaufenden Impulse öffnen nacheinander die Schalter An der A/H-Verstärker 3, und der gerade in diesem Augenblick

ίο am Speicherkondensator 32 vorhandene Spannungswert (z. B. Liu (t). i/2.4 (0) wird in Form einer elektrischen Ladung gespeichert. Sind alle A/H-Verstärker 3 in »HalteK-Positiori, schaltet der n-te Impuls vom Einleselakt Ta ι auf den Auslesetakt Ta 2 um, so daß sich der Auslesevorgang unmittelbar anschließen kann. Dazu wird der Ringzähler 58 mit einer an die Bandbreite der optoelektronischen Obertragungsstrecke 9 angepaßten Taktzeit Ta 2 ein zweites Mal durchgezählt. Der während der Einlesephase über das die A'-Ebene des Analogmultiplexers 6 steuernde Signal An blockierte Analogmultiplexer 6 v/ird jetzt geöffnet, und die gespeicherten Daten erscheinen in Form einer Treppenkurve Ui (l)an seinem Ausgang.
Der um den Faktor Τ_Λ2ΙΤα\ zeitgedehnte Vorgang wird im Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 moduliert, d. h. der für die Auslesetaktzeit konstante Spannungswert wird in eine Pulsfolge mi< proportionaler Frequenz umgewandelt. Die Lumineszenzdiode 8 setzt diese rechteckförmigen Impulse mit variabler Frequenz,

konstanter Amplitude und Pulsbreite in eine elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarot-Bereich um. Die Strahlung wird von der Glasfaserleitung 9 übertragen, die gleichzeitig die Potentialtrennun" zwischen den auf Hochspannungspotential und mit Erdpotential befindlichen Teilen der Meßanordnung herstellt.

Ein Liehicmpfänger. aus dem Fototransistor 10 und der speziellen Empfängerschaltung 20 aufgebaut, setzt die ankommende Strahlung wieder in ein elektrisches

-to Signal um. damit es im Frequenz-Spannungs-Umseizer H dcmodulieri werden kann. Der Zeitverlauf iii(t) -zeigt, daß die Treppenkurve 11,(1) am Ausgang des Datenübortragungskanals lediglich approximiert wird. Der Grund dafür isi die im Verhältnis zjrn Aisslssetakt T₁ · große Einschwingzeit der Übertragungsstrecke. Da zur Rekonstruktion des pulsfrequenzmodulierten Meßsignals ohnehin ein Tiefpaß 12 erforderlich ist. kann das Übertragungsverhalten des Frequenz-Spannungs-Umsetzers 11 mit zur Demodulation herangezogen werden.

Die Übertragungsfunktion der Demodulatorschaltung lautet dann im Bildbereich der Laplace-Transformation

^{Gtp {S)} ⁼

(RCs+0,382) (RCs + 2,618) (rs +1)

und r: Zeitkonstante des

mit Ri = Rj=R.Ci = C
Demodulators.

Die ersten beiden Faktoren des Nennerpolynorns gehören zum passiven /?C-Filter. der letzte beschreibt das Zeitverhalten des Demodulators. Die Flankensteilheil und die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters müssen den jeweiligen Bedürfnissen gewählt werden. Der Ausgang des flC-Tiefpasses 12 ist mit dem Operationsverstärker 21 abgeschlossen, um die Fifterfunktion nicht durch Rückwirkungen einer niederohmigen Last zu verfäl-

b) sehen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Demodulation mit höherem Filteraufwand noch verbessen werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur potentialfreien Messung und oszillographischen Aufzeichnung von durch kurze Schaltvorgänge hervorgerufenen Spannungsverläufen mit extrem schnellen Änderungen in Hochspannungsanlagen, bei dem als Ausgangssignal eines Spannungs-/Frequenzumsetzers auf Hochspannungspotential ein Impulszug mit einer der jeweils anliegenden Spannung proportionalen Impulsfolgefrequenz erzeugt und dieser, nach elekirooptischer Signalwandlung, optisch einem optoelektrischen Signalwandler mit nachgeschaltetem Frequenz-Spannungsumsetzer auf Niederspannungspotential zugeführt wird, dessen Ausgangssignale gemessen und aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß während einer bestimmten Meßzeit die Spannung mit einer Abtastfrequenz ¹J Γ/, ι (Τ_Λ ι = Abtasttaktzeit), abgetastet wird, die abgetasteten Spannungswerte in analoge Speicher mit Speicherkondensatoren (32) eingeschrieben werden, am Ende der Meßzeit die gespeicherten Spannungswerte in der Reihenfolge ihrer Einspeicherung mit einer Auslesefrequenz ^ι\Τ_Λ\ (T_A2 = Auslesetaktzeit), die kleiner ist als die Abtastfrequenz, ausgelesen und nacheinander dem Spannungs-Frequenzumsetzer (7) zugefü hrt werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Meßwertaufnehmer und einem, auf Hochspannungspotential einen Impulszug, mit einer der jeweils anliegenden Spannung proportionalen Impulsfolgefrequenz, erzeugenden Spannungs-/Frequenzumselzer sowie einem nachfolgenden elektro-optischen Signalwandler, wobei dessen Impulszug auf Niederspannungspotential einem opto-elektrischen Signalwandler mit nachgeschaltetem Frequenz-Spannungsumsetzer zugeführt wird, dessen Ausgangssignale gemessen und oszillographisch aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (2) parallel zu einer auf Hochspannungspotential liegenden Schalteinrichtung (1) geschaltet ist. daß dem Meßwertaufnehmer (2) ein Ablast- und Halteverstärker (3) mit Abtast- und Halteschallungen (3t) und Speicherkondensatoren (32) als analoge Speicher nachgeschaltet ist. daß der Ausgang des Abtast- und Halteverstärkers (3) über einen Analogmultiplexer (6) mit dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (7) verbunden ist, und daß eine Steuerlogik (5) den Abtast- und Halteverslärker (3) und den Analogmultiplexer (6) so ansteuert, daß die Abtastung und Einspeicherung der Meßwerte mit einer gegen die Auslesefrequenz ¹1Τ_Λ 2 größeren Abtastfrequenz' | Τλ ι erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (5) einen Ringzähler (58), dessen Ausgänge an den Multiplexer (6) einerseits und die Eingänge eines nachgeschalteten /j-Bit-Speichers (59) andererseits angeschlossen sind und Taktgeneratoren (56, 57) die über wechselseitig verknüpfte Ausgänge zweier J-K-Flipflops (53, 54) angesteuert werden, deren Signaleingänge über zwei Verzögerungsglieder (51,52) geführte Triggersignale von der Schalteinrichtung erhalten, enthält, daß die Ausgänge des /J-Bit-Speichers (59) auf Schalter Ai,... An im Abtast- und Halteverstärker (3) führen, durch die die Ein_t ngssignale nacheinander auf die Speicherkondensatoren (32) durchgeschaltet werden, und daß das zweite J-K-Flipflop (54) an einen Ausgang (An) des /J-Bit-Speichers (59) angeschlossen ist. daß weiterhin der Rücksetzeingang des ersten J-K-Flipflops (53) über ein UND-Gatter (62) mit zwei weiteren Ausgängen des /j-Bit-Speichers (59) (AnA und Zuleitung zum Schalter An) und der Rücksetzeingang des zweiten J-K-Flipflops (54) mit einem Ausgang des zweiten Verzögerungsgliedes (52) verbunden ist, und daß der

ίο Eingang eines weiteren Verzögerungsgliedes (55) mit dem Ausgang (AnA) des n-Bit-Speichers (59) und der Ausgang dieses Verzögerungsgliedes (55) zusammen mit dem Ausgang des zweiten Verzögerungsgliedes (52) mit einem weiteren Eingang des n- Bit-Speichers (59) verbunden ist.