DE3121448A1

DE3121448A1 - Elektronischer elektrizitaetszaehler

Info

Publication number: DE3121448A1
Application number: DE19813121448
Authority: DE
Inventors: Shunichi Tokyo Kobayashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-29
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1982-05-19
Also published as: GB2076976B; US4463311A; FR2483625A1; FR2483625B1; GB2076976A; DE3121448C2

Description

W * ft U *»·* * W *

Beschreibung Elektronischer Elektrizitätszähler

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Meßgerät zum Messen elektrischer Energie, nachfolgend als Elektrizitätszähler bezeichnet, gemäß dem Oberbegriff des An-Spruchs 1.

Herkömmlicherweise wurde die Scheinarbeit auf eine der beiden folgenden Weisen gemessen. Bei der einen Methode . erhält man die Scheinarbeit dadurch, daß zunächst die Scheinleistung\fp² +Q² berechnet wird. Diese Rechnung wird auf der Basis eines Signals, das die Wirkleistung P repräsentiert und eines Signals, das die Blindleistung Q repräsentiert durchgeführt. Dabei erhält man das erstere Signal mittels eines Wirkleistungsmessers und das letztere mittels eines Blindleistungsmessers. Die so erhaltene Scheinleistung wird dann mit einem Zeitfaktor multipliziert. Bei der anderen Methode wird die Scheinarbeit mit Hilfe eines Scheinarbeitsmessers oder -Zählers mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 gemessen. In Fig. 1 ist ein Spannungstransformator oder -wandler 10 an eine Netzleitung angeschlossen und erzeugt ein Spannungssignal, das einer Lastspannung proportional ist. Ein Stromtransformator oder -wandler 12 ist ebenfalls mit der Netzleitung • verbunden und erzeugt ein Stromsignal entsprechend dem

^O Laststrom. Das Spannungssignal wird mit Hilfe eines Gleichrichters 14 in ein Gleichstromsignal umgesetzt, während das Stromsignal mit Hilfe eines weiteren Gleichrichters 16 in ein Gleichstromsignal umgesetzt wird. Die beiden Gleichstrom--ignale werden dann in einem Multiplizierer

18 multipliziert und schließlich in einem Integrator 20

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integriert. Als Ergebnis erhält· man ein der Scheinarbeit proportionales Signal. Dieses .Signal wird in einer (nicht gezeigten) Verarbeitungsschaltung geeignet verarbeitet, damit beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung * angesteuert und die Scheinarbeit an dieser angezeigt werden kann.

Die erstere Methode ist nachteilig weil sie einen Wirklei stungsmes se r' und einen Blindleistungsmesser benötigt ΊΟ und das nach ihr arbeitende Meßgerät groß wird. Die letztere Methode erlaubt keine hohe Genauigkeit bei der Messung der Scheinarbeit, da der Scheinarbeitsmesser von den Eigenschaften der Gleichrichter, etwa denen der in ihnen enthaltenen Dioden, stark beeinflußt wird.

Wirkarbeit wird mit einem Wirkarbeitszähler mit einem Aufbau gemäß Fig. 2 gemessen. Der Unterschied im Aufbau zwischen dem Wirkarbeitszähler und dem Scheinarbeitszähler besteht darin, daß die Gleichrichter 14 und 16 durch !Compensationsschaltungen 22 und 24 ersetzt sind.

Wenn die Lastspannung mit Hilfe des Spannungswandlers in ein proportionales Spannungssignal umgesetzt wird und der Laststrom mit Hilfe des Stromwandlers 12 in ein Stromsignal umgesetzt wird, dann tritt eine Phasenver-Schiebung zwischen dem Spannungssignal und dem Stromsignal auf. Die Folge davon sind Fehler in den Phasenwinkeln des Spannungssignals und des Stromsignals. Zur Kompensation dieser Fehler dienen die Kompensationsschaltungen 22 und 24. Nachdem die Signale vom Spannungswandler 10 und vom Stromwandler 12 mittels der Kömpensationsschaltungen 22 bzw. 24 kompensiert wurden, werden sie an den Multiplizierer 13 angelegt. Wie schon oben erläutert, werden die Signale dann verarbeitet und die Wirkarbeit sichtbar angezeigt.

2/3

ft

Da die Kompensationsschaltungen 22 und 24 Kondensatoren, Viiderstände und ähnliches enthalten, schwankt ihre Phasenwinkelkompensationseigenschaft mit der Frequenz. Demzufolge hängt auch die Charakteristik des Wirkarbeits-Zählers stark von der Frequenz ab, so daß bei der Messung der Wirkarbeit keine hohe Genauigkeit erzielbar ist.

Blindarbeit wird mit Hilfe eines Blindarbeitszählers gemessen, dessen Aufbau in Fig. 3 gezeigt ist. Der ünter-Ί0 schied im Aufbau zwischen dem Blindarbeitszähler und dem Scheinarbeitszähler besteht darin, daß die Gleichrichter 14 und 16 durch Phasenschieberschaltungen 26 und 28 ersetzt sind.

Ί5 Es sei angenommen, daß die Lastspannung V, der Laststrom I und der Phasenwinkelf sind. Die Scheinarbeit PA ist dann durch folgende Gleichung gegeben ;

PA = VI-siny> ... (1)

Die Wirkarbeit PE ist gegeben durch

PE = VI-cos f ... (2)

Für den FaI1, daß der Phasenwinkel um u/2 verzögert wird, wird aus Gleichung (2)

PE = VI cos{f -n/2) ...(3)

^Da

cos (f -u/2) = sin/ (4)

sind die Gleichungen (3) und (1) identisch. Daraus folgt, daß die Blindleistung erhalten werden kann, indem man

3/4

die Lastspannung mit dem um π/2 phasenverschobenen Laststroiti multipliziert. Der Blindarbeitszähler, der in Fig. 3 gezeigt ist, basiert auf diesem Prinzip.

Die Signale vom Spannungswandler 10 und vom Stromwandler 12 werden jeweils mittels der Phasenschieberschaltungen 26 und 28 so phasenverschoben, daß die Phase über den den Leistungsfaktor bestimmenden Phasenwinkel ψ hinaus um π/2 verschoben ist. Die Signale von den Phasenschieber schaltungen 26 und 28 werden an den Multiplizierer 18 angelegt. Das Signal vom Multiplizierer 18 wird dann in der schon oben erwähnten Weise verarbeitet und die Blindarbeit angezeigt.

Da die Phasenschieberschaltungen 26 und .28 aus Induktivitäten oder Kapazitäten aufgebaut sind, schwanken ihre Phasenschiebereigenschaften mit der Frequenz. Daher hängt auch die Charakteristik des Blindarbeitszählers in starkem Ausmaß von der Frequenz ab, so daß keine sehr genaue Messung der Blindarbeit möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronischen Elektrizitätszähler geringer Größe zu schaffen, der eine Messung elektrischer Arbeit mit hoher Genauigkeit erlaubt und einen einfachen Aufbau besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektrizitätszähler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung ist in der Lage, allein durch Ändern der Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung Scheinarbeit, Wirksrbeit und Blindarbeit zu messen. Da dieser Elektrizitätszähler, anders als bekannte Zähler, keine Gleichrichter, keine Kompensationsschaltung und keine Phasenschieberschaltung be-

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nötigt, sind seine Frequenzabhängigkeit und sein Antwortverhalten frei von den schädlichen Einflüssen der bekannten Schaltungen. Da ferner die Verzögerungszeiteinstellschaltung das Signal digital verarbeitet, sind das Frequenz- und das Antwortverhalten des Elektrizitäts zählers gemäß der Erfindung stabil. Als Folge daraus ergibt sich gemäß der Erfindung ein Elektrizitätszähler geringer Größe und hoher Genauigkeit bei der Messung elektrischer Arbeit.
10

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten elektronischen Scheinarbeitszählers₇

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten

elektronischen Wirkarbeitszählers, 20

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bekannten Blindarbeitszählers,

Fig. 4 teilweise als Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan eine schematische

Anordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Scheinarbeitszähler,

.. Fig. 5 ein Schaltbild der Pulsbreitenmodulatorschaltung von Fig. 4,

Fig. 6A

bis 6C Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Puisbreitenmodulatorschaltung von Fig. 5,

6/7

^:" -' '"*"-" 3 V2T448

-j Pig. 7A

und 7B Signalverläufe zur Erläuterung des

Prinzips der ersten Ausfuhrungsform,

Fig. 8 teilweis = als Blockschaltbild, teilweise al ■; Stromlauf plan eine schematische Anordnun r des Verzögerungsglieds von Fig. 4,

IQ Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer

Verzögerungszeiteinstellschaltung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist,

Fig. 10 teilweisa als Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan eine schematische

Anordnun j einer zweiten Ausführungsform der Erfindung als Wirkarbeitszähler,

Fig. 11A
und 11B Signalverläufe zur Erläuterung des

Prinzips der zweiten Ausführungsform,

Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung der Zeit- bzw. Phaseneinstellschaltung, die in Fig. 10 gezeigt ist,

Fig. 13 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung als Blindarbeitszähler,

Fig. 14A

bis 14C Signalverläufe zur Erläuterung des

Prinzips der dritten Ausführungsform und

7/8

. 40-

Fig. 15 ein schematisches Blockschaltbild

einer Anordnung der in Fig. 13 gezeigten Verzögerungszeiteinstellschaltung.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform, bei der der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der vorliegenden Erfindung als Scheinarbeitszähler ausgebildet ist.

Ein Meßspannungstransformator oder Spannungswandler 30 ist mit (nicht gezeigten) Netzleitungen verbunden und gibt ein Spannungssignal e ab, das einer Lastspannung proportional ist.

Eine an den Spannungswandler 30 angeschlossene Pulsbreitenmodulätions - (PBM)-Schaltung 32 führt auf der Basis des Spannungssignals e vom Spannungswandler 30 eine Pulsbreitenmodulation durch und erzeugt ein Pulsbreiten-Tastverhältnis-Signal, das im folgenden als PBM-Signal bezeichnet werden soll.

Eine Verzögcrungsschaltung 34 enthält ein Verzögerungsglied 36, das an die PBM-Schaltung 32 angeschlossen ist, und einen T.iktimpulsgeber 38, der Taktimpulssignale erzeugt und an das Verzögerungsglied 36 angeschlossen ist. Das' Verzögerungsglied 36 kann beispielsweise ein mehrstufiges, wahlfreies Schieberegister enthalten und verzögert bei dieser Ausführungsform ein Eingangssignal ^um eine Zeit, die der Phasendifferenz zwischen der Lastspannung und dem Laststrom der Netzleitungen entspricht.

Ein Transformator 40, der nachfolgend als Stromwandler bezeichnet werden soll, ist an die Netzleitungen angeschlossen und erzeugt ein Stromsignal e., das dem Last-

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3121U8

strom proportional ist I

Eine Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 enthält eine erste Impulssignalumsetzerschaltung 44, deren erster Eingang mit dem Spannungswandler 30 verbunden ist, sowie eine zweite Impulssignalumsetzerschaltung 46, deren Eingang mit dem Stromwandler 40 verbunden ist. Diese nachfolgend als Phasenimpulsgeber bezeichneten Schaltungen 44 und 46 sind jeweils beispielsweise aus Kompa-

■10 ratoren aufgebaut. Die Phasenimpulsgeber stellen jeweils Zeitpunkte fest, zu denen die zugeführten elektrischen Signale den Wert Null durchlaufen und erzeugen in Form elektrischer Signale die Phasendifferenz zwischen den beiden zugeführten elektrischen Signalen. Die Ausgänge der Phasenimpulsgeber 44 und 46 sind an das Verzögerungsglied 36 angeschlossen.

Ein Time-division-Multiplizierer 48 ist an den Stromwandler 40 und das Verzögerungsglied 36 angeschlossen und enthält beispielsweise einen Satz analoger Schalter. Diese werden durch das PBM-Signal vom Verzögerungsglied 36 selektiv gesteuert, so daß der Multiplizierer über einen Widerstand 50 ein dem Stromsignal e. proportionales Spannungssignal erhält und an diesem mit dem Spannungssignal vom Verzögerungsglied 36 eine Time-division-MuItiplikation ausführt und dann ein der Leistung proportionales Signal bildet.

Der Integrator 52, der an den Multiplizierer 48 angeschlossen ist, integriert das Leistungssignal und erzeugt ein Spannungssignal, das der Arbeit proportional ist. Der Integrator 52 enthält Reihenschaltungen mit Widerständen 5-4 und 56 und Kondensatoren 58 und 60, wie dies aus der Figur ersichtlich ist. 35

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γ 312H4E

vft·

•J Eine Verarbeitungsschaltung 62, die an den Integrator 52 angeschlossen ist, wandelt das Arbeits-Signal in ein Anzeigesignal um. Die Verarbeitungsschaltung 62 enthält einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer 64, der mit dem Integrator 52 verbunden ist, und einen Frequenzteiler 66, der an den Spannungs/Frequenz-Umsetzer 64 angeschlossen ist. Der Spannungs/Frequenz-Umsetzer 64 liefert ein Impulssignal mit einer dem Pegel des vom Integrator 52 zugeführten Spannungssignals proportionalen Folgefrequenz. ^De^ Frequenzteiler 66 frequenzteilt dieses Impulssignal und erzeugt damit ein Anzeigesignal.

Eine Anzeigeschaltung 68 ist an die Verarbeitungsschaltung 62 angeschlossen und zeigt die Arbeit entsprechend dem vom Frequenzteiler 66 gelieferten Anzeigesignal sichtbar an.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild der PBM-Schaltung 32 von Fig. 4. Die PBM-Schaltung 32 enthält einen Integrator 70, der mit dem Spannungswandler 30 verbunden ist, und einen Vergleicher 72, der mit dem Integrator 70 verbunden ist. Der Integrator 70 enthält einen Widerstand R1, einen ersten Operationsverstärker A1, dessen invertierender Eingang über den Widerstand R1 an den Spannungswandler 30 angeschlossen ist und dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt, einen Kondensator C1 zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers A1 und einen Widerstand R2 zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A1 und dem Ausgang des Vergleichers 72. Der Vergleicher 72 enthält einen zweiten Operationsverstärker A2, dessen nicht invertierender Eingang an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers A1 angeschlossen ist, um von diesem ein integriertes Spannungssignal e, zu empfangen, einen Inverter I, der an den Ausgang des Operationsverstärkers

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A2 angeschlossen ist, um dessen Ausgangssignal zu invertieren, und eine Kombination von Widerständen R3 und R4, die an den Ausgang des Inverters I angeschlossen sind, um dessen Ausgangssignal spannungszuteilen und eine dem Vergleich dienende Bezugsspannung e, an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers A2 zu liefern. Der Vergleicher 72 ist so ausgelegt, daß er eine Spannung +e abgibt, wenn sein Ausgangssignal den Binärwert "1" besitzt, und eine Spannung -e , wenn sein Ausgangssignal den Binärwert "0" besitzt.

Bei der derart aufgebauten PBM-Schaltung 32 sei angenommen, daß das binäre Ausgangssignal des Vergleichers 72 "1" sei, wenn das Spannungssignal e den Wert Null hat (e =0),. und daß die Spannungsteilerwiderstände R3 und R4 gleiche Werte haben.

Für diesen Fall gibt der zweite Operationsverstärker A2 zu einem Zeitpunkt ti am Ausgang die Spannung +e ab/ wie dies in Fig. 6A gezeigt ist. Da die Spannung +e mittels des Inverters I invertiert und dann durch die Widerstände R3 und R4 zu 1/2e geteilt wird, wird als Bezugsspannung e, die Spannung -e /2 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A2 zum Zeitpunkt ti angelegt, wie dies in Fig. 6B gezeigt ist. Da die Spannung +e über den Widerstand R2 am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1 anliegt, besitzt das integrierte Spannungεsignal e- vom Operationsverstärker A1 vom Zeitpunkt ti ausgehend eine negative Steigung, wie in Fig. 6C dargestellt. Wenn das integrierte Spannungssignal e, bis auf -e /2 fibgefallen ist und die Beziehung e,=e, erfüllt (zum Zeitpunkt t2 in Fig. 6C), dann schaltet das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers A2 auf den Binärwert "0" um, welches der Spannung -e entspricht (t2 in Fig. 6A). Dann wird die

χ 312H48

•/It-

Spannung +e /2 als Vergleichs-Bezugsspannung e, an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers A2 angelegt (Zeitpunkt t2 in Fig. 6B). Zur gleichen Zeit wird die Spannung -e über den Widerstand R2 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1 angelegt, so daß das integrierte Spannungssignal e, vom Operationsverstärker A1 vom Zeitpunkt T2 an eine positive Steigung·besitzt, wie dies in Fig. 6C dargestellt ist. Wenn dann das integrierte Spannungssignal e, den Wert +e /2 erreicht und die Beziehung

> ^r

e,=e, erfüllt (Zeitpunkt t3 in Fig. 6C), schaltet das binäre Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers A2 wieder auf den Binärzustand "1" entsprechend der Spannung +e (Zeitpunkt t3 in Fig. 6A). Auf diese Weise wiederholt die PBM-Schaltung 32 die Folge der Arbeitsschritte und führt eine Eigenschwingung aus.

Ein Tastverhältnis der PBM-Schaltung 32, die in der oben beschriebenen Weise arbeitet, kann wie folgt mathematisch ausgedrückt werden. Das Zeitintervall währenddessen das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers A₀ "1" ist, sei t und das Zeitintervall, währenddessen dieses Ausgangssignal "0" ist, sei t, .

Das integrierte Spannungssignal· e, (t ) ist dann

je a

t t

• e (tJ= -(—! f^a e dt + —! j^a e dt) = -e

^{K a} R1C1 J R2C1 ^{r r}

0 0

^ wobei R1 und R2 die Widerstandswerte und C1 die Kapazität der Widerstände bzw. des Kondensators, die in Fig. 5 gezeigt sind, bedeuten. Falls R1=R2, ergibt sich t zu

3.

.e R1C1 t = —£ ...(6)

^a e +e
r ν

13/14

mm *

y, 3121U8

• /5.

Das integrierte Spannungssignal e, (t, ) ist gegeben durch

(t ) = -(—' f* β dt 3 f

^b R1C1- ^V R2C1 ^J

e_v(tj = -(—^J \" e„dt ! )'^b e_rdt) = ₊e_r

^ö O O

, Falls R1=R2, ergibt sich t, zu

10 _t .. ^er

^b " e -e ... (8)

^er ν

Unter Verwendung der Gleichungen (6) und (8) lassen sich die Tastverhältnisse D und D errechnen

_D = a _β _β>#(9)

t +t, 2e

ab r

20 _ tb ^er^+ev

D = ^b— = . - ■ ..(1O)

t +t, 2e

ab r

Die Fig. 7A und 7B zeigen Signalverläufe zur Erläuterung

einer grundsätzlichen MuItipiikationsmethode zum Erhalt Lo

der Wirkleistung und der Blindleistung. Die Wirkleistung ist das Produkt des Spannungssignal e und des Stromsignals e.. Bei gleichzeitiger Betrachtung stellt sich die Wirkleistung zum Zeitpunkt ti als das Produkt

^_n der Signale an den Punkten A und B in den Figuren dar. Die Blindleistung erhält man durch Multiplizieren des Stromsignals e. mit einem Spannungssignal, das durch Phasenverschiebung des Spannungssignals e in bezug auf das Stromsignal e. um die Phasendifferenz zwischen dem

yr Spannungssignal und dom Stromsignal erhalten wurde. Bei

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" 3ΐ2ί44ί

• /6 ·

der hier erläuterten ersten Ausführungsform wird diese Phasendifferenz mit Hilfe der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 4 2 festgestellt, das Spannungssignal mittels de-s Verzögerungsglieds 36 entsprechend verzögert und das Spannungssignal und das Stromsignal an den Punkten A und B zum Zeitpunkt ti multipliziert, um die Blindleistung zu erhalten.

Fig. 8 zeigt ein schematisches Schaltbild des in Fig. gezeigten Verzögerungsglieds 36. Das Verzögerungsglied 36 enthält ein wahlfreies Schieberegister 75 mit einer Vielzahl von Rückstellflipflops 74.. bis 74 , die in Reihe geschaltet sind, eine Schalteranordnung 78 mit Schaltern 76.. bis 76 , die jeweils mit den Q-Ausgängen der Flipflops 74.. bis 74 verbunden sind, und eine Schaltersteuerschaltung 80, die elektrisch mit der Schalteranordnung 78 verbunden ist. Als Antwort auf die beiden Impulssignale, die von der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 4 2 eingegeben werden, und das Taktimpulssignal vom Taktimpulsgeber 38 schließt die Schaltersteuerschaltung 80 einen der Schalter 76.. bis 76 zur Schaffung einer Verzögerung, die proportional der Zeitdifferenz zwischen den beiden ImpulsSignalen ist.

Fig. 9 zeigt schematisch in Blockform einen Aufbau der in Fig. 4 gezeigten Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42. Sie enthält einen ersten Vergleicher 82, der an den Spannungswandler 30 angeschlossen ist, und einen zweiten Vergleicher 84, der an den Stromwandler 40 angeschlossen ist. Da die Bezugsspannungsanschlüsse beider Vergleicher 8 2 und 84 auf Null gehalten sind, erfassen diese Vergleicher jeweils die Zeitpunkte, zu denen das Spannungssignal vom Spannungswandler und das Stromsignal vom Stromwandler den Wert Null durchlaufen. Die

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• /I!-

erfaßten Signale werden in Form von Impulssignalen an das Verzögerungsglied 36 übertragen, um in diesem eine Verzögerungszeit einzustellen.

Die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform des erläuterten Aufbaus soll nun beschrieben werden. Die Lastspannung der Netzleitungen wird mit Hilfe des Spannungswandlers 30 in ein ihr proportionales Spannungssignal umgesetzt und dieses an die PBM-Schaltung 32 ange-

.|0 legt. Sie erzeugt entsprechend dem Spannungssignal ein PBM-Signal und überträgt dieses auf die Verzögerungs-• schaltung 34. Das PBM-Signal wird um die mittels der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 eingestellte Zeit verzögert. Genauer gesagt wird das PBM-Signal im wahl-

-J5 freien Schieberegister 75 für die Dauer eines Zeitintervalls von der Vorderflanke des mit dem Spannungssignal e synchronisierten Impulses bis zur Vorderflanke des mit dem Stromsignal e. synchronisierten Impulses verschoben. Das verzögerte PBM-Signal wird dann in den Time-division-Multiplizierer 48 eingegeben, wo es mit einem dem Stromsigrial vom Stromwandler 40 proportionalen Spannungssignal multipliziert wird. Das bedeutet, daß das Spannungssignal e und das Stromsignal e. in Phase multipliziert werden, so daß man ein elektrisches Signal erhält, welches der Scheinleistung proportional ist.

Dieses Scheinleistungssignal wird mit Hilfe des Integrators 52 in ein der Arbeit proportionales Spannungssignal integriert. Dieses Arbeitssignal wird, nachdem es mittels der Verarbeitungsschaltung 62 in ein Anzeigesignal umgesetzt wurde, zur Anzeigeschaltung 68 übertragen, mittels der dann die elektrische Arbeit sichtbar angezeigt wird.

Wie zuvor beschrieben, besitzt die erste Ausführungsform zwischen der PBM-Schaltung 32 und den Time-division-Multiplizierer 48 die Verzögerungsschaltung 34. Das PBM-

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^ "■··■' 3Ϊ2ΤΪ4

■AS·

Signal wird synchron rait den Taktimpulsen sequentiell an die Verzögerungsschaltung 34 angelegt. Die Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 erfaßt die Nulldurchgänge des der Lastspannung proportionalen Spannungssignals und des dem Laststrom proportionalen Spannungssignals. Das PBM-Signal wird dann vom Verzögerungsglied 36 während des Zeitintervalls, das der Phasendifferenz . zwischen dem Spannungssignal und dem Stromsignal entspricht, gehalten. Das verzögerte PBM-Signal wird im Time-division-Multiplizierer 48 einer Time-division-MuItiplikation unterzogen, was zur Bildung eines Scheinleistungssignals führt. Mit dem Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsform läßt sich eine sehr genaue Scheinarbeitsmessung erreichen, ohne daß die Notwendigkeit für irgendeinen komplizierten Aufbau besteht.

Fig. 10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform für den Fall, daß der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung als Wirkarbeitszähler ausgebildet ist. In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher oder in ihrem Aufbau entsprechender Teile wie beim Scheinarbeitszähler von Fig. 4 verwendet und diese Teile in ihrer Arbeitsweise nicht noch einmal erläutert.

Der Wirkarboitszähler von Fig. 10 unterscheidet sich vom Scheinarbeitszähler der ersten Ausführungsform im Aufbau der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42. Man kann den Wirkarbeitszähler dadurch erhalten, daß man eine in der Verzögerungsschaltung 34 eingestellte Verzögerungszeit ändert, wie dies nachfolgend angegeben ist.

Bevor die zweite Ausführungsform im einzelnen beschrieben wird sei d' : Annahme gemacht, daß die Lastspannung und der Lastst ora an bzw. in den Netzleitungen für den Fall

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.β. ³¹²I^s

des Leistungsfaktors 1 mittels des Spannungswandlers 30 in das Spannungssignal e bzw. mittels des Stromwandlers 40 in das Stromsignal e. umgewandelt wurden und durch diese Umwandlungen zwischen den Signalen e und e. eine Phasendifferenz 0 hervorgerufen werde, wie dies in den Fig. HA und 11B gezeigt ist. Für diesen Fall als Beispiel ist die momentane Wirkleistung zum Zeitpunkt ti das Produkt der Signale an den Punkten A und B. Als Folge davon unterscheidet sich die momentane Wirkleistung

Ί0 von der korrekten momentanen Wirkleistung als dem Produkt der Signale an den Punkten B und C, was somit zu einer falschen Wirkleistung führt. Bei der zweiten Ausführungsform wird jedoch die richtige Wirkleistung dadurch erhalten, daß die Phasendifferenz 0 zwischen dem Spannungssignal e und dem Stromsignal e. kompensiert wird.

Die Verzögerungszeit-Einstellschaltung 4 2 enthält eine Phaseneinstellschaltung 86. Fig. 12 zeigt schematisch den Schaltungsaufbau dieser Phaseneinstellschaltung 86.

In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher oder entsprechender Teile wie in Fig. 9 benutzt und diese Teile nicht nocheinmal erläutert. Die Ausgänge von erstem und zweitem Vergleicher 82 und 84 sind an die Eingänge eines Phaseneinstellglieds 88 angeschlossen.

Das Phaseneinstellglied 88 gewinnt die vom Spannungswandler 30 und vom Stromwandler 40 hervorgerufene Phasendifferenz unter Benutzung der Impulssignale, die von den beiden Vergleichern 82 und 84 zugeführt werden und überträgt Impulssignale, die zusammen den Fehler darstellen. Genauer ausgedrückt gewinnt das Phaseneinstellglied 88 vor der eigentlichen Messung die Phasendifferenz durch Anlegen von Bezugssignalen an den Spannungswandler 30 und den Stromwandler 40 und stellt dann während der eigentlichen Messung dieselbe Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung 34 ein. Bei der vorliegenden Aus-

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.to- ^312U48

-j führungsform werden die Impuls signale, die dem vom Spannungswandler 30 und vom Stromwandler 40 hervorgerufenen Phasenfehler entsprechen, zur Verzögerungsschaltung 34 übertragen.

In der Verzögerungsschaltung 34 wird daher das von der PBM-Schaltung 3 2 zugeführte PBM-Signal um eine der Phasendifferenz bzw. dem Phasenfehler 0 entsprechende Zeit verzögert. Das dermaßen bezüglich des Phasenfehlers kompensierte PBM-Signal wird dann in den Multiplizierer 48 mit einem dem Stromsignal e. proportionalen Spannungssignal multipliziert. Das bei dieser Multiplikation gewonnene Leistungssignal wird verarbeitet und mittels der Anzeigeschaltung 68 die Wirkarbeit angezeigt.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich,

wird bei der zweiten Ausführungsform der Phasenfehler . der entsteht, wenn die Lastspannung und der Laststrom der Netzleitungen mittels des Spannungswandlers 30 in ein Spannungssignal e bzw. mittels des Stromwandlers 40 in ein Stromsignal e. umgesetzt werden, mit Hilfe der Phaseneinstellschaltung 86 und der Verzögerungsschaltung 34 korrigiert und dann die Time-division-Multiplikation der Signale in erwähnter Weise ausgeführt.

Durch die Schritte der Signalverarbeitung erhält man dann die Arbeit. Daher kann entsprechend der zweiten Ausführungsform die Wirkarbeit mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Fig· 13 zeigt als Blockschaltbild das Schema einer dritten Ausführungsform, bei der der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung als Blindarbeitszähler ausgebildet ist. In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher Teile wie bei der Anordnung des Scheinarbeitszählers von Fig. 4 verwendet und diese Teile

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nicht nocheinmal beschrieben.

Der Blindarbeitszähler von Fig. 13 unterscheidet sich vom Scheinarbeitszähler hinsichtlich des Aufbaus der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42.

Wie eingangs erwähnt gewinnt man die Wirkleistung aus der Beziehung (Spannungssignal e ) χ (Stromsignal e.). Für den Fall gleichzeitiger Betrachtung ist die Wirk-.1Q leistung zum Zeitpunkt ti das Produkt aus Spannungsund Stromsignal an den Punkten A bzw. B. Zur Erzielung der Blindleistung wird das Produkt des Stromsignals e. mit einem Spannungssignal e ' (Fig. 14C) gebildet, welches durch Phasenverschiebung des Spannung:;signals e um den Winkel π/2 erhalten wurde. Bezogon auf Momentanwerte resultiert die Blindleistung zum Zeitpunkt ti aus der Multiplikation des Spannungssignals am Punkt C mit dem Stromsignal am Punkt B. Bei der dritten Ausführungsform erhält man die Blindleistung auf die Weise, daß das Produkt der Signale an den Punkten B und C anstelle der Punkte B und C gebildet wird, und zwar durch Verzögern des SpannungsSignaIs e um π/2.

Die Vorzögerungszcit-EinsLellychaltUi:·! 42 enthiü i. oi.no Verzögerungszeitschaltung 90. Fig. 1 '> zeigt nchematisch einen Aufbau dieser Verzögerungszeit:.chaltung 90. Ähnliche Zahlen bezeichnen ähnliche Teile, die nicht nocheinmal beschrieben werden. Einer der Eingänge beider Vergleicher 82 und 84 ist an den Spannungswandler 30 angeschlossen. Ein Bezugssignaleingang des ersten Vergleichers 82 wird auf einer Scheitelspannung gehalten. Ein Bezugssignaleingang des zweiten Vergleichers 34 ist mit Masse verbunden und wird auf NuI] potential gehalten. Die Ausgänge der beiden Verqleinher . ind an Eingänge eines ZeitverzogerungncinuLollql ieds ')2 angeschlossen. DiosiOß qewünnt ο ine Plinr.'Mxl I f 1 Ci ι μ ι ν*, von η/2 mil" der

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•ja-

Basis des liiipulssignals, das vom ersten Vergleicher 82 zugeführt wird und den Zeitpunkt der Scheitelspannung repräsentiert, sowie des Zeitpunkts des Nullpotentials, der vom zweiten Vergleicher 84 geliefert wird. Das Zeitverzögerungseinstellglied 92 liefert Impulssignale, die dieser Phasendifferenz entsprechen, an die Verzögerungsschaltung 34.

In der Verzögerungsschaltung 34 wird daher das PBM-Signal von der PBM-Schaltung 32 um eine Zeit entsprechend dem Phasenwinkel n/2 verzögert. Das dermaßen verzögerte PBM-Signal wird im Multiplizierer 48 mit dem dem Stromsignal e. proportional on Spannungssignal multipliziert. Das bei diener Multiplikation gewonnene Leistungssignal wird in oben erwähnter Weise weiterverarbeitet und die elektrische Arbeit mittels der Anzeigeschaltung 68 angezeigt. :

Wie beschrieben, wird bei der dritten Ausführungsform die Pulsbreitenmodulation auf der Basis des Spannungssignals e , das der Lastspannung an den Netzleitungen proportional ist, ausgeführt. Nachdem das PBM-Signal auf digitale Weise um π/2 phasenverschoben wurde, wird • es mit dem Laststrom e. in den Netzleitungen multipliziert, darrn t die Blindleistung und dann die Blindarbeit gewonnen werden können. Daher kann entsprechend der dritten Ausführungsform die Blindarbeit mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die drei Ausführungsformen beschränkt ist. In den drei Ausführungsformen wird das PBM-Signal auf der Basis des ^vom Spannungswandler 30 erhaltenen Spannungssignals ge' onnen und mit dem vom Stromwandler 40 gelieferten ^tromsignal e. multipliziert, um auf diese

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Weise die Leistung zu erhalten. Alternativ könnte das der Leistung proportionale Signal gewonnen werden, indem das PBM-Signal auf der Basis des Stromsignals erzeugt und mit dem Spannungssignal multipliziert wird. Während bei den drei Ausführungsformen ein wahlfreies Schieberegister 75 für das Verzögerungsglied verwendet wird, könnten stattdessen auch-eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) oder eine Eimerketteneinrichtung (BBD) verwendet werden.

Wenn im Vorangehenden von Arbeit, Energie, Leistung, Schein-, Blind-, Wirk- Arbeit, -Eneraie bzw. -Leistung die Rede ist, dann ist immer eine elektrische Arbeit bzw. Leistung gemeint. 15

BAD ORiGfNAL

Claims

3121U8 Patentanspruch

1. ) Elektronischer Elektrizitätszähler, umfassend einen an Netzleitungen angeschlossenen Spannungstransformator (3Ό), der ein Spannungssignal erzeugt, das einer Lastspannung an den Netzleitungen proportional ist, einen an die Netzleitungen angeschlossenen Stromtransformator (40) zur Erzeugung eines Stromsignals, das einem Laststrom in den Netzleitungen proportional ist, eine Multiplizierschaltung (48), die mit einem der Transformatoren (30, 40) gekoppelt ist und ein dem Laststrom sowie ein der Lastspannung entsprechendes Signal empfängt, beide Signale multipliziert und ein Signal abgibt, das der elektrischen Leistung proportional ist, eine Integrationsschaltung (52) , die an die Multiplizierschaltung (48) angeschlossen ist und durch Integration des Leistungssignals ein der elektrischen Arbeit proportionales Signal erzeugt, eine Verarbeitungsschaltung (62), die an die Integrationsschaltung (52) angeschlossen ist und das der elektrischen Arbeit entsprechende Signal zu einem Anzeigesignal umsetzt, und eine Anzeigeschaltung (68), die an die Verarbeitungsschaltung (62) angeschlossen ist, und die elektrische Arbeit entsprechend dem Anzeigesignal anzeigt, gekennzeichnet durch eine Pulsbreitenmodulatorschaltung (32), die an einen von beiden, nämlich den Spannungstransformator (30) und den Stromtransformator (40) angeschlossen ist und durch pulsbreitenmodulation auf der Basis eines der elektrischen Signale ein Pulsbreiten-Tastverhältnis-Signal erzeugt und an die die als Tiiuo-division-Multiplizierschaltung (48) ausgebildete Multiplizierschaltung angeschlossen ist, welche ferner mit einem der Transformatoren (30, 40) verbunden ist und das andere elektrische Signal nowie das Pulsbrelken-Tastverhältnis-Signal empfängt, eine Verzögerungsschaltung (34) zwischen der Pulsbreitenmodulatorschaltung (32) und der Time-

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division-MultipLizierschaltung (48), welche das Pulsbreiten-Tastverhältnis-Signal abhängig von der Art der zu messenden elektrischen Arbeit um eine bestimmte Zeit verzögert, und durch eine Verzögerungszeit-Einstellschaltung (42), die mit der Verzögerungsschaltung (34) und wenigstens einem der Transformatoren (30, 40) verbunden ist und die Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung (34) einstellt.

2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß die Verzögerungszeit-Einstellschaltung (42) eine erste und eine zweite Impulssignalumsetzschaltung (44, 46) umfaßt, von denen jede an einen der Transformatoren (30, 40) angeschlossen ist und die Zeitpunkte feststellen, zu denen die zugeführten elektrischen Signale in gleicher Richtung den Wert Null durchlaufen, um so eine Phasendifferenz zwischen beiden elektrischen Signalen in Form einer Zeitdifferenz zu erhalten, und die Impulssignale entsprechend der Zeitdifferenz an die Verzögerungsschaltung (34) zur Einstellung einer Verzögerungszeit liefern.

3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungszeiteinstellschaltung (42) eine Phaseneinstellschaltung (86) umfaßt, die mit dem Spannungstransformator (30) und dem Stromtransformator (40) verbunden ist und zwei elektrische Signale erfaßt, die eine vom Spannungstransformator (30) und vom Stromtransformator (40) hervorgerufene Phasendifferenz aufweisen und dadurch erhalten werden, daß an den Spannungstransformator (30) eine Bezugsspan-' · nung und an den Stromtransformator (40) ein demgegenüber phasengleicher Bezugsstrom angelegt werden, und daß eine Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung (34) auf der Basis dieser Seitdifferenz eingestellt wird.

4. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungszeitein-

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Stellschaltung (42) eine Verzögerungszeitschaltung (90) umfaßt, die mit einem der Transformatoren (30, 40) verbunden ist und einen Zeitpunkt feststellt, zu dem eines der elektrischen Signale vom Spannungstransformator (30) und Stromtransformator (40) den Wert Null und einen Scheitelwert erreicht, um auf diese Weise eine Zeitdifferenz gleich einer Phasendifferenz von u/2 zu erhalten, und entsprechend dieser Zeitdiff< renz eine Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltumt (34) einstellt. 10

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