DE3226168C2

DE3226168C2 - Einrichtung zur Integration von Wechselspannungen

Info

Publication number: DE3226168C2
Application number: DE19823226168
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8521 Bubenreuth Rumold; Hermann Dr.-Ing. 8521 Weiher Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-07-13
Filing date: 1982-07-13
Publication date: 1984-10-04
Also published as: JPS5963571A; DE3226168A1

Abstract

Ein Integrator (1) in Form eines kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärkers wird zur Driftkompensation mittels eines in Reihe mit einem Glättungsglied (R5, C2) angeordneten PI-Gliedes (2, R6, R7, C3) gegengekoppelt. Als Übersteuerungsschutz dient ein von der Integratorausgangsspannung beaufschlagtes Schwellwertglied (4), mit dessen Ausgangssignal der Eingangswiderstand (R1, R2) des Operationsverstärkers dann auf einen größeren Wert umgeschaltet wird, wenn die Integratorausgangsspannung in die Nähe ihrer Ausgangsbegrenzung (U ↓A ↓m) kommt.

Description

a) Im Gegenkopplungszweig des Integrators (1) ist- in Reihe mit dem Glättungsglied (R 5, C2) ein Proportional-Integral-Giied (2) angeordnet:

b) es sind von einem Schwellenwertglied (4) beta- is tigbare Schaltmittel vorgesehen zur Vergrößerung der Integrierzeit, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einen vorgebbaren, unterhalb der ohne Begrenzung verarbeitbaren, maximalen Ausgangsspannung (UAm) liegeockn Schwellenwert (Us) überschreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltmittel eine bipolare elektronische, den Eingangswiderstand (R\, R2) des Operationsverstärkers teilweise überbrückenden Torschaltung (3) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Integration der Ausgangsspannung einer Rogowski-Spule.

4. Einrichtung nach Anspruch 3 oder einem der vorhergeher· ⁴.en, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (Ua) des Integrators in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Schwellenwertgliedes (4) einer Ausgangsklemme (6) entweder über ein Proportionalglied (8) mit dem Verstärkungsfaktor I/ Voder über ein Mischglied (7) zuführbar ist. dessen anderem Eingang eine Spannung subtraktiv zugeführt wird, welche dem mit dem Faktor (V — 1)/ V multiplizierten Wert des Schwellenwerts (Us) entspricht, wobei Vdas Verhältnis von größerer zu kleinerer Integrierzeit des Integrators (1) ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ausgangsklemme (6) anstehende Spannung (LU_n,) mittels eines Multiplizierers (9) vom Ausgangssignal eines PI-Reglers moduliert wird, dem als Sollwert ein konstanter Wert (UAn) und als Istwert der mittels eines Amplitudendetektors (11) ermittelte Amplitudenwert der modulierten Spannung (U_n) zugeführt ist (F i g. 5).

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ausgangsklemme (6) anstehende Spannung (U₃) mittels eines Multiplizierers (9) vom Verhältnis zwischen einem konstanten Wert (UAn) und ihrem mittels eines Amplitudendetektors (11) ermittelten Amplitudenwert moduliert wird (F ig. 6).

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Integration von Wechselspannungen mit einem ein amplitudenbegrenztes Ausgangssignal liefernden, kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärker als Integrator, der mit einem ein Glättungsglied enthaltenden Gegenkopplungszweig versehen ist. Ein derartiger Integrator ist nach der DE-OS 21 28 063 bekannt und ist dort zur Integration von impulsbreitenmodulierten Rechtecksignalen vorgesehen. Mit dem Glättungsglied im Gegenkopplungskreis läßt sich zwar den Drifterscheinungen des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers entgegenwirken, infolge der jedoch immer noch vorhandenen Drift und vor allem der Ausgangsbegrenzung des Integrators eignet sich diese bekannte Schaltung jedoch nicht ohne weiteres zur integration von Wechielspannungen.

Die Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, einen Integrator der eingangs genannten Art für eine exakte und phasentreue Integration von Wechselspannungen zu ertüchtigen. Dies gelingt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung samt ihrer weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen wiedergegeben sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher veranschaulicht werden.

Fig. 1 zeigt einen Integrator 1, bestehend aus einem Operationsverstärker, der in üblicher Weise mit einem Kondensator C1 gegengekoppelt ist und über Widerstände R 1 und R 2 von der zu integrierenden Eingangsspannung Ue beaufschlagt wird. Die Integrierzeitkonstante des Integrators 1 bestimmt sich aus dem Produkt des Kapazitätswertes des Kondensators CX und der Summe der Widersiandswerte von R 1 und R 2. Bei einem sinusförmigen £ingangssignal Ue sollte am Ausgang des Integrators 1 ebenfalls ein sinusförmiges Signal Ua erscheinen, welches exakt um 90° el. der Eingangsspannung Uf nacheilt. Infolge der stets vorhandenen Offset-Spannung, weiche wie eine Gleichstromquelle im Eingangskreis des Operationsverstärkers wirkt, würde sich jedoch einer sinusförmigen Ausgangsspannung ein ständig wachsender Gleichanteil überlagern, welcher zu einer Amplitudenverfäischung und zu einer Verschiebung der Nulldurchgänge führt. Zur Vermeidung dieser Drifterscheinungen wird daher mittels eines aus einem Widerstand RS und einem Kondensator C2 bestehenden Tiefpaßfilters (Gläi'.i;ngsglied) dieser Gleichanteil ausgesiebt und einem nachgeordneten, mittels der Widerstände R 6 und R 7 sowie des Kondensators Ci beschalteten Operationsverstärkers 2 zugeführt, dessen Ausgangsspannung in gegenkoppelndem Sinne auf den Eingang des Integrators 1 wirkt. Mit dieser Beschallung weist der Operationsverstärker 2 ein Pl-Verhalten auf und wirkt als Driftkompensationsregler, indem sich seine Ausgangsspannung solange im Sinne einer Verminderung des Gleichspannungsanteils im Ausgangssignal Ua verändert, bis dieser Gleichspannungsanteil verschwunden ist und die Ausgangsgröße Ua in einer reinen Sinusspannung besteht. Die von den V.'iderstandswert des Widerstandes R 5 und dem Kapazitätswert des Kondensators C2 bestimmte Zeitkonstante des Glättungsgliedes wird dabei zweckmäßigerweise groß gegenüber der Periodendauer Γ der Wechselspannung t/fbemessen.

Die Ausgangsspannung Ua des Integrators 1 ist nun infolge der Versorgungsspannung seines Operationsverstärkers begrenzt, so daß bei betriebsmäßig großen Amplitudenschwankungen der Eingangswechselspannung Ue die Ausgangsspannung Ua ohne besondere Maßnahmen an diese Begrenzung anstoßen würde. Dadurch geht einerseits die Information über die Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. über ihr zeitliches Integral verloren, andererseits tritt ein Phasenfehler bei der Ausgangsspannung Ua auf. Zur Vermeidung solcher Übersteuerungseffekte wird mittels einer den Wider-

stand R 2 überbrückenden, bipolaren elektronischen Torschaltung 3 die Integrierzeitkonstante des Integrators 1 so rechtzeitig vor Erreichen der Ausgangsbegrenzung erhöht, daß die Ausgangsspannung des Integrators 1 nicht mehr an diese Begrenzung stößt. Hierzu dient ein von der Ausgangsspannung Ua beaufschlagtes Schwellenwertglied 4 mit der in seinem Blocksymbol dargestellter. Kennlinie. Befindet sich dessen Eingangsspannung e innerhalb eines von einstellbaren Schwellenwerten + O₄ und — U₅ begrenzten Bereiches, dann gibt es ein Signal a aus. welches die Schaltstrecke einer elektronischen Torschaltung 3 schließt und damit den Widerstand R 2 kurzschließt, während für den Fall, daß die Eingangsspannung den zuvor erwähnten Bereich überschreitet, dieses Signal a verschwindet, womit die Torschaltung in die in Fig. 1 dargestellte Schalterstellung gebracht wird, in welcher der Widerstand R 2 stromdurchflossen ist und die Integrierzeitkonstante somit vergrößert ist. Wenn die Schwellenwerte des Grenzwertmelders innerhalb des Aussteuerbereiches des Operationsverstärkers liegen, können R 1 und R 2 so bemessen werden, daß bei den betriebsmäßig vorkommenden Amplitudenschwankungen der tingangsspannung Ltdie Ausgangsspannung Ua des Integrators 1 ihre Ausgangsbegrenzung nicht erreicht, d. h. sein Operationsverstärker nie übersteuert wird.

Fig.2 zeigt die Auswirkung dieses Übersteuerungsschutzes. Im linken, mit I bezeichneten Teil der F i g. 2 ist mit U'a eine fiktive Ausgangsspannung des Integrators dargestellt, die sich ergeben würde, wenn keine Ausgangsbegrenzung bei dessen Operationsverstärker vorhanden wäre. Sie entspricht einer exakten Integration der Eingangsspannung Ue, was beispielsweise daraus zu ersehen ist, daß die Nulldurchgänge der Spannung U'a genau zum Zeitpunkt der Extrema der Eingangsspannung Ue stattfinden. Wird jedoch die Ausgangsspannung Ua auf die Werte U\m bzw. — (7,_lra begrenzt, so hat dies eine unerwünschte Verschiebung der Nulldurchgänge der Ausgangsspannung Ua zur Folge, welche, wie im rechten Teil II der F i g. 2 dargestellt, durch den erfindungsgemäben Übersteuerungsschutz vermieden wird, indem nach Überschreiten der Ansprechschwellen + U bzw. — U_s des Schwellenwertgliedes 4 die Ze'.tkonstante des Integrators 1 erhöht wird, so daß die Ausgangsspannung Ua ihre Begrenzung nicht mehr erreicht und die phasentreue Integration der Eingangsspannung Ue ungestört weiter verlaufen kann.

Die erfindungsgemäße Integrationseinrichtung eignet sich gut in Verbindung mit einer Rogowski-Spule zur Messung großer Leiterströme. Eine Rogowski-Spule besteht bekannlich aus einer den Leiter umfassende Wicklung mit einem Kern aus unmagnetischem Material. Die von dem im Leiter fließenden Wechselstrom in der Rogowski-Spule induzierte Spannung beaufschlagt dann als Eingangsspannung Ue die erfindungsgemäße Integrationseinrichtung und ihr Ausgangssignal U\ kann a's Abbild des den Leiter durchfließenden Wechselstromes verwendet werden.

Für den Fall, daß in den ZeitintervaMen der Überschreitung der Ansprechschwellen + U, bzw. —U_s des Schwellenwertgliedes 4 auch eine amplitudentreue integration der Eingangsspannung erwünscht ist. kann die in der Fig. 3 dargestellte Zusatzeinrichtung vorgesehen werden. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß auch nach dem Vergrößern der Integrierzeit durch Öffnen des Schalters 3 die Information über das zu integrierende Eingangssignal Ui in der Ausgangsspannung U.\ immer noch vollständig vorhanc.cn ist und durch eine der Veränderung der Integrierzeiten entsprechende Veränderung der Gewichtung des Ausgangssignals U\ über den gesamten Zeitbereich ein der Spannung U'.\ in jeden Zeitpunkt proportionales Abbild erhalten werden kann. Hierzu wird eine bipolare, elektronische Torschaltung 5 vom Ausgangssignal a des Schwellenwertgliedes 4 betätigt. Die als Umschalter wirkende Torschaltung 5 ist in der Stellung dargestellt, in welcher sie sich dann befindet, wenn die Ausgangsspannung U\ die Ansprechschwellen + ίΛ bzw. — U- überschritten hat. In diesem Fall ist auf die Ausgangsklemme 6 der Ausgang eines Mischgiiedes 7 durchgeschaltet, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung U.\ des Integrators 1 und ein Gleichspannungssignal subtraktiv zugeführt ist, welches dem Wert der mit dem Faktor (V — \)IV multiplizierten Schwellenwertspannung U- entspricht. Befindet sich dagegen die Ausgangsspannung Ua innerhalb der Ansprechschwellen des Schwellenwertg.iedes 4. dann wird die Torschaltung 5 umgeschaltet und das Ausgangssignal eines eingangsseitig mit der Spannung Ua beaufschlagten Proportionalgliedes 8 mit ..'-.im Verstärkungsfaktor 1 / V gelangt zur Ausgangskiemme 6. Der Verstärkungsfaktor 1/Vist dabei durch das Verhältnis von kleinerer zu größerer Integrierzeit des Integrators 1 bestimmt und beträgt bei dem in F i g. 3 dargestellten Beispiel alro

MV= RM(Ri + R2).

Auf diese Weise stellt das an der Auigangsklemme 6 auftretende Signal L', in jedem Augenblick die phasen- und amplitudentreu integrierte Eingangsspannung Ue dar, während dies bei der Ausgangsspannung U.\ nur für Betriebsfälle gewährleistet ist. in denen sich die Ausgangsspannung U\ des Integrators 1 innerhalb der Ansprechschwellen des Grenzwertmelders 4 bewegt. Es kann zweckmäßig sein, das Ausgangssignal a des Schwellenwertgliedes 4 an eine Ausgangsklemme herauszuführen, um solche Betriebsfälle getrennt ar 7uzeigen.

F i g. 4 zeigt ein Diagramm zu der eben geschilderten Rekonstruktion des Abbildes U., der integrierten Spannung Ue- In der Zeit von ; 1 bis / 2 wird die F.ingangsspannung mit einer um den Faktor

V= (Ri + Rl)IRi

größeren Integrierzeit integriert, als in den Zeitintervallen von ί 0 bis ί 1 bzw. / 2 bis T/2, wobei Tdie Periodendauer der Sinusschwingung ist. Daher besteht die Spannung υ, in diesen Zeitintervallen in der mit dem Faktor 1/ V verminderten Ausgangsspannung Ua des Integrators 1. In der Zeit zwischen / 1 und / 2. in welcher mit der v^rgrößsrten Integrierzeit integriert wird, besteht das Signal U, aus der Differenz zwischen der Spannung U.\ und dem Wert der Schwellenspannung U_f, zu dem noch der konstante Betrag UJ V tritt. Damit schließt sich der Kurvenzug der Ausgangsspannung U, glatt, d. h. ohne Knickstellen, an die sich zu den Zeitpunkten t 1 und t 2

ω ergebenden Werte von UJ Van und es gilt im gesamten Bereich von 10 bis T/2 die Beziehung U, = U'.\l V.

Oft wird mit Rücksicht auf die zu erwartender Amplitudenschwankungen der Eingangsspaniiung Ur der Faktor 1/ Vrecht klein bemessen werden müssen, so daß

hi die rekonstruierte Spannung U., nur im unteren Ausstcuerbereich nachgeordneter Verarbeitungsgeräte verläuft, womit diese dann schlecht ausgenutzt wären. Zweckmäßig könnte sich in diesen Fällen eine adaptive

Verstärkung der rekonstruierten Sp.innung U., erweisen. Die F i g. 5 und b zeigen hierfür je einen Zusatz zu der Intcgratimiseinrichtung gemäß I ig. J, mit welchem die Spannung U,, jeweils soweit verstärkt wird, daß sich stets eine Spannung mit einer konstanten, vorgebbaren > Amplitude ergibt. Diese ist in F i g. 4 mit U_n bezeichnet.

In F i g. 5 ist mit 9 ein Multiplizierer bezeichnet, der von der an der Klemme 6 abgegriffenen Spannung /'., Lind dem Ausgangssignal F_n eines Reglers IO mit Integralverhalten beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal n> des Multiplizierers9 wird einem Amplitudendetekior Il zugeführt, welcher den jeweils auftretenden Größtwert der Ausgangsspannung U_n des Multiplizieres 9 feststellt und als entsprechendes Gleichspannungssignal ü„ ausgibt. Ein derartiger Amplitudendetektor kann bei sinus- r> iörmigen Spannungen im einfachsten Fall aus einem (jleichrichter mit einem nachgeschalteten Tiefpaßfilter bestehen. Das Ausgangssignal des Amplitudendetektors Il dient als Istwert des Amplitudenreglers 10 und wird mit einem konstanten Soiiwert. beispielsweise dem Wert der Ausgangsspannungsbegrenzung U.\„„ in einem Mischglied 12 verglichen. Die Ausgangsgröße F₁, des Integralreglers 10 ändert sich nun solange und verstärkt die Spannung (Λ mittels des Multiplizierers 9. bis die Amplitude ü„ der am Ausgang des Multiplizierers 9 auftretenden Spannung U_n den Wert des vorgegebenen Sollwertes U.\„,erreicht.

Bei der Einrichtung gemäß F i g. 6 ist wiederum ein Amplitudendetektor 11 vorgesehen und es wird mittels eines Quotientenbildners 13 das Verhältnis Ux₁Ju., ge- jo bildet. Das Ausgangssignal F_n des Quotientenbildners 13 verstärkt wiederum mittels eines Multiplizieres 14 die Spannung Uj. bis die Beziehung gilt ü„ = U.\„,. wobei ü„ die Amplitude der am Ausgang des Multiplizierers auftretenden Wechselspannung ist. Die Anordnung gemäß F i g. 6 hat gegenüber derjenigen nach F i g. 5 den Vorteil, daß sie dynamisch schneller arbeitet, d. h. raschen

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ler zu folgen vermag, wohingegen der Vorteil der Anordnung gemäß F i g. 5 darin zu sehen ist. daß infolge der Verwendung eines integralen Regelkreises der Abgleich, d. h. die Forderung U.\„, = U_n, insbesondere beim Auftreten von Störeinflüssen, genauer erfüllbar ist. Mit beiden Anordnungen erhält man eine amplitudennormierte Ausgangsspannung U_n und den zugehörigen Normierungsfaktor F_n. welcher in Verbindung mit dem Faktor Kgemäß der Beziehung

WA = U_n ■ VZF_n

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zum exakten Wert der integrierten Eingangsspannung Ue führt. Der zur Verfügung stehende Spannungsbereich nachfolgender Verarbeitungsgeräte läßt sich damit besser ausnutzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Integration von Wechselspannungen mit einem ein amplitudenbegrenztes Ausgangssignal liefernden, kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärker als Integrator, der mit einem ein Glättungsglied enthaltenden Gegenkopplungszweig versehen ist. gekennzeichnet durch folgende Merkmale: