DE3045033A1 - Measuring time average values - is for improved control response, using digital sampling and continuous integration, within limits - Google Patents
Measuring time average values - is for improved control response, using digital sampling and continuous integration, within limitsInfo
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Abstract
Description
Anordnung zur Bestimmung der zeitlichen MittelwerteArrangement for determining the mean values over time
von analogen Meßwerten Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung lt. Oberbegriff des Patentanspruches.of analog measured values The invention relates to an arrangement according to the preamble of the patent claim.
In Wechselspannungsnetzen gibt es eine Reihe von elektrischen Größen, deren Ermittlung eine Mittelwertbildung erfordert. Bei der Effektivwertbildung von Strom und Spannung oder bei der Wirk- und Blindleistungsbestimmung muß eine Mittelwertbildung durch Integration über die Periodendauer vorgenommen werden. Handelt es sich bei Strom und Spannung um nichtsinusförmige, periodische Größen, existieren neben der Grundschwingung Oberschwingungen, deren Amplituden und Phasenlagen durch die Fourierreihenentwicklung festgelegt sind. Zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten muß ebenfalls eine Mittelwertbildung durchgeführt werden.There are a number of electrical quantities in AC voltage networks, the determination of which requires averaging. When calculating the effective value of Current and voltage or when determining active and reactive power, a mean value must be calculated can be made through integration over the period. Is it at Current and voltage around non-sinusoidal, periodic quantities exist alongside the Fundamental harmonics, their amplitudes and phase positions through the Fourier series expansion are set. To determine the Fourier coefficients must also averaging can be carried out.
In Regelkreisen ist, zur Verbesserung der Regeldynamik eine verzögerungsarme Istwerterfassung erwünscht. Ist diese Istwerterfassung mit einer Mittelwertbildung verbunden, werden bisher Meßumformer angewandt, die nach dem Prinzip der Phasenzahlvervielfachung arbeiten. Hierbei wird durch zusätzliche Netzwerkelemente im Neßumformer der einphasige Istwert synthetisch zu einer mehrphasigen Größe erweitert. Diese Maßnahme führt dazu, daß sich die Meßzeitkonstante proportional mit der Phasenzahl verkleinert, siehe Literaturstellen: "ETZ-A" Bd. 97 (1976), Heft 12, Seiten 759-768, Aufsatz: Gretsch, R. "Methoden zur raschen Messung von Netzspannungsschwankungen" und "Technische Mitteilungen AEG-TELEFUN-KEN" Bd. 61 (1971) Heft 6, Seiten 327-329, Aufsatz: Breitenberger, G. "Verzögerungsarmer Wechselspannungs-Gleichstrom-Umsetzer.zur Darstellung von Effektiv-Wirk- und Blindleistung".In control loops, there is a low-delay to improve the control dynamics Actual value acquisition desired. Is this actual value acquisition with averaging connected, transducers have so far been used that operate on the principle of multiplication of the number of phases work. The single-phase Actual value synthetically expanded to a multi-phase variable. This measure leads in addition, that the measuring time constant decreases proportionally with the number of phases, see references: "ETZ-A" Vol. 97 (1976), Issue 12, pages 759-768, article: Gretsch, R. "Methods for the rapid measurement of mains voltage fluctuations" and "Technische Communications AEG-TELEFUN-KEN "vol. 61 (1971) issue 6, pages 327-329, article: Breitenberger, G. "Low-delay AC-DC converter. For the representation of Effective active and reactive power ".
Der Verkleinerung der Meßkonstanten sind jedoch Grenzen gesetzt, weil sich bei ungünstiger Eingangsgrößenkonfiguration ein starkes Überschwingen der Ausgangsgrößen bemerkbar macht, das mit größer werdender Phasenzahl zunimmt. Verantwortlich für dieses in der Praxis unerwünschte Verhalten sind die differenzierenden Anteile in der Schaltungsstraktur.However, there are limits to reducing the measurement constants because In the case of an unfavorable input variable configuration, there is a strong overshoot of the output variables makes noticeable that increases with increasing number of phases. Responsible for this behavior, which is undesirable in practice, is the differentiating proportions in the circuit structure.
Eine schnelle Istwertbildung ist besonders wichtig, wenn eine Kompensation von Blindleistung und Oberschwingungen erfolgen soll.Fast actual value generation is particularly important when there is compensation of reactive power and harmonics.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur schnellen, auch im Einschwingbereich richtigen und kontinuierlichen Bestimmung der oben genannten Mittelwerte anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist.The invention is based on the object of providing an arrangement for fast, correct and continuous determination of the above also in the transient range Indicate mean values that do not have the disadvantages mentioned.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im gennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the Claim specified features solved.
Die Anordnung gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnung im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel näher dargestellt.The arrangement according to the invention is illustrated below with reference to the drawing described embodiment shown in more detail.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß für den Fall, daß wie hier die Zeitfunktion der Mittelwerte gefordert wird, eine fortlaufende Integration der Funktion, für die der zeitliche Mittelwert gebildet wird, erfolgt, was durch Einführen zeitabhängiger Integrationsgrenzen erreichbar ist.The invention is based on the consideration that in the event that how here the time function of the mean values is required, a continuous integration of the function for which the time average is formed, what is done by Introducing time-dependent integration limits is achievable.
Ist u(t) eine periodische Funktion mit der Periode T, so ist demnach der Mittelwert u ansetzbar mit Speziell gilt damit für die Wirkleistung p(t): Die Differenzierung dieser Gleichung nach der Zeit ergibt Schreibt man den Differentialquotienten in Form eines Differenzenquotienten, so folgt mit t = n h t mit n = 0,1,2,... If u (t) is a periodic function with the period T, then the mean value u can be applied with The following applies in particular to the active power p (t): The differentiation of this equation according to the time gives If one writes the differential quotient in the form of a difference quotient, then with t = nht with n = 0,1,2, ...
oder umgeschrieben: Das bedeutet, daß der aktuelle Wert p(n . t t) sich zusammensetzt aus dem vorangegangenen und einem Korrekturwert.or rewritten: This means that the current value p (n. Tt) is made up of the previous value and a correction value.
In der Schaltung gemäß der Figur werden nun zunächst als analoge Eingangsgrößen die Spannung u(t) und der Strom i(t) einem Multiplizierer 9 zugeführt. An seinem Ausgang erscheint die Wirkleistung p(t).In the circuit according to the figure, the analog input variables the voltage u (t) and the current i (t) are fed to a multiplier 9. On his The active power p (t) appears at the output.
Dieser Wert wird einem Abtast-Halteglied 1 zugeführt, in dem er durch die Zuführung von Taktsignaleneines Taktgebers 2 mit einer Abtastrate At zeitdiskretisiert wird. Im nachfolgenden A/D-Wandler 3, der ebenfalls durch die Taktsignale des Taktgebers getaktet wird, erfolgt eine Amplitudenquantisierung.This value is fed to a sample-and-hold element 1, in which it is carried out the supply of clock signals of a clock generator 2 with a sampling rate At is time-discretized will. In the following A / D converter 3, which is also controlled by the clock signals from the clock generator is clocked, an amplitude quantization takes place.
Der Ausgang des A/D-Wandlers führt einerseits auf einen Addierer 5, andererseits auf ein T/dS t-stufigesSchieberegister 4, dessen Inhalt im Takt des Taktgebers weitergeschoben wird. Das Ausgangssignal dieses Schieberegisters wird negiert dem Addierer 5 zugeführt. An seinem Ausgang erscheint ein Wert, der dem vorhin erwähnten Korrekturwert entspricht.The output of the A / D converter leads on the one hand to an adder 5, on the other hand to a T / dS t-stage shift register 4, its content is pushed further in time with the clock. The output of this shift register is fed to adder 5 negated. A value appears at its output, the corresponds to the correction value mentioned above.
Im nachfolgenden Faktorbildner 6 wird der Ausgangswert des Addierers 5 mit dem konstanten Faktor ort t 1 Tmultipliziert.The output value of the adder is used in the subsequent factor generator 6 5 multiplied by the constant factor ort t 1 T.
Die digital auszuführende Multiplikation mit dem konstanten Faktor # t/X gestaltet sich besonders einfach, wenn T = Edt gesetzt und für K eine natürliche Zahl gewählt wird. Bei Verwendung des dualen Zahlensystems kann K gleich einer Zweierpotenz sein, weil dann die Multiplikation mit dem konstanten Faktor durch eine Stellenverschiebung der Dualzahl (vgl. Eommaverschiebung im dekadischen Zahlensystem) bewerkstelligt werden kann. Auf diese Weise ist kein zusätzlicher Schaltungsaufwand für die Multiplikation erforderlich.The digital multiplication with the constant factor # t / X is particularly simple if T = Edt and a natural number is chosen for K. When using the dual number system, K can be equal to a power of two, because then the multiplication with the constant factor by shifting the digits of the binary number (cf. shifting the Eomma in the decadal number system). In this way, no additional circuit complexity is required for the multiplication.
Das Ausgangssignal des Faktorbildners 6 wird einem weiteren Addierer 7 zugeführt, dessen Ausgang auf ein einstufiges Schieberegister 8 führt. Dieses Schieberegister wird ebenfalls durch die Taktimpulse des Taktgebers 2 gesteuert.The output signal of the factor generator 6 is used by a further adder 7, the output of which leads to a single-stage shift register 8. This The shift register is also controlled by the clock pulses from the clock generator 2.
Sein Ausgang wird auf den Eingang des Addierers 7 zurückgeführt.Its output is fed back to the input of the adder 7.
Wenn also der im Schieberegister 8 gespeicherte Wert p((n - 1) . li t) beträgt, wird er beim nächsten Taktimpuls zum Korrekturwert addiert und ergibt als Speicherwert p(n ast). Am Ausgang des Schieberegisters (Klemme 8a) erscheint beim nächsten Takt der aktuelle Wert p (n ßt).So if the value p ((n - 1). Li t), it is added to the correction value with the next clock pulse and results as the storage value p (n ast). At the output of the shift register (terminal 8a) appears the current value p (n ß) at the next cycle.
Wird eine analoge Ausgabe gewünscht, so wird das Ausgangssignal des Schieberegisters einem D/A-Wandler 10 mit nachfolgendem Tiefpaßfilter 11 zur Glättung der treppenförmigen Ausgangsgröße des D/A-Wandlers zugeführt. Am Ausgang (Klemme 11a) erscheint dann das entsprechende analoge Signal.If an analog output is required, the output signal of the Shift register to a D / A converter 10 with a subsequent low-pass filter 11 for smoothing fed to the stepped output variable of the D / A converter. At the output (terminal 11a) the corresponding analog signal then appears.
Die beschriebene Anordnung kann entsprechend auch zur Mib telwertbi ldung für den Effektivwert sowie für Blind- und Scheinleistung verwendet werden.The arrangement described can also telwertbi accordingly for Mib Charging for the effective value as well as for reactive and apparent power can be used.
Außerdem kann sie zur Bestimmung von zeitabhängigen Fourierkoeffizienten verwendet werden. Deren Bestimmung wird, wie eingangs erwähnt, notwendig, wenn es sich bei Strom und Spannung um nichtsinusförmige, periodische Größen handelt, so daß neben der Grundschwingung Oberschwingungen existieren, deren Amplituden und Phasenlagen durch die Fourierreihenentwicklung festgelegt sind. Die Meßperiode T beträgt in diesem Fall ein Mehrfaches der Meßperiode beim rein sinusförmigen Verlauf von Spannung und Strom.It can also be used to determine time-dependent Fourier coefficients be used. As mentioned at the beginning, their determination becomes necessary when it if current and voltage are non-sinusoidal, periodic quantities, see above that in addition to the fundamental, there are harmonics, their amplitudes and Phase positions are determined by the Fourier series expansion. The measurement period T in this case is a multiple of the measuring period for the pure sinusoidal Course of voltage and current.
Ein besonderer Vorteil dieser digitalen Meßanordnung ist die einfache Anpassung des Rechenalgorithmus an die jeweilige Periodendauer des Meßsignals. Dazu muß lediglich die Frequenz des Taktgebers (2) verändert werden.A particular advantage of this digital measuring arrangement is that it is simple Adaptation of the calculation algorithm to the respective period duration of the measurement signal. In addition only the frequency of the clock (2) has to be changed.
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