DE3826551C2 - Vorrichtung zur Leistungsfaktormessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Leistungsfaktormessung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bekannte Vorrichtungen zur Leistungsfaktor- und/oder Blindstrommessung arbeiten nach dem Kriterium der Nulldurchgänge von Spannung und Strom. Eine derartige Leistungsfaktor- oder Blindstrommessung ist jedoch dann nicht geeignet, wenn die in dem Wechselstromnetz auftretenden Ströme pulsierender Art in Blockform oder Ströme mit zumindestens stark verzerrter Sinusform sind, wie dies immer häufiger deshalb der Fall ist, weil im Energiebereich zunehmend Thyristoren oder ähnliche elektronische Schalter eingesetzt werden, die zeitliche Stromverläufe hervorrufen, die von der klassischen Sinusform abweichen. Bei Verwendung der bekannten, nach dem Kriterium der Nulldurchgänge von Spannung und Strom arbeitenden Meßschaltungen und Meßverfahren ergeben sich hierbei keine korrekten Meßwerte.

Aus der Literaturstelle R. Thomas, "Digital power factor meter", Electronic Engineering, Oktober 1976, Seite 33 ist ein Leistungsfaktormeßgerät bekannt, bei dem die Meßsignale in Brückengleichrichtern gleichgerichtet werden und das eine gleichgerichtete Meßsignal über einen Schalter beginnend mit seinen jeweiligen Nulldurchgängen und bis zum jeweils nächstfolgenden Spitzenwert des anderen gleichgerichteten Meßsignals an einen Spitzenwertdetektor weitergeleitet wird, der entsprechend ein von dem Spitzenwert des einen Meßwertsignals und dem Leistungsfaktor abhängiges Ausgangssignal liefert. Zur Gewinnung eines lediglich vom Leistungsfaktor abhängigen Signals wird das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors in einer digitalen Zählschaltung durch den Spitzenwert des einen Meßsignals dividiert. Diese Meßschaltung erfordert damit einen hohen Aufwand, ergibt jedoch ebenfalls Probleme bei verzerrten Schwingungsformen und ergibt keine direkte Information, ob der Leistungsfaktor kapazitiv oder induktiv ist.

Aus der US-A-3 562 647 ist ein Leistungsfaktormeßgerät bekannt, bei dem eine Brückenschaltung aus zwei Transistoren verwendet wird, von denen einer durch ein von der Spannung abgeleitetes Signal und der andere durch ein vom Strom abgeleitetes Signal durchgeschaltet bzw. in den nichtleitenden Zustand gebracht wird. Die Kollektoren der beiden Transistoren werden aus einer eine Phasenverschiebung um 90° gegenüber der Spannung hervorrufenden Phasenschieber- und Begrenzerschaltung gespeist, und zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren ist ein Meßinstrument eingeschaltet, das in Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen Strom und Spannung ein positives oder negatives Ausgangssignal anzeigt und gleichzeitig aufgrund seines elektromechanischen Aufbaus integrierend wirkt. Hierbei werden die das Meßinstrument ansteuernden Signale über relativ kurze Phasenwinkel der Spannung bzw. des Stroms erzeugt, so daß sich bei verzerrten Schwingungsformen vollständig unzuverlässige Messungen ergeben. Weiterhin ist der Ausgang dieser Schaltung nicht auf Erdpotential bezogen, so daß eine Weiterverarbeitung des zwischen den beiden Kollektoren auftretenden Signals nicht ohne weiteres möglich ist.

Aus der US-A-4 131 847, von derem Gegenstand die Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 ausgeht, ist weiterhin eine allerdings zur Messung des Blindstromes oder des Wirkstromes dienende Meßschaltung bekannt, bei der das der Stromamplitude entsprechende eine Meßsignal lediglich bei einer Polarität des der Spannungsamplitude entsprechenden anderen Meßsignals an einen Verstärker mit nachgeschaltetem Glättungsfilter weitergeleitet wird, das eine Mittelwertbildung der zu messenden Größe, d. h. des Blind- oder des Wirkstromes, ergibt. Abgesehen davon, daß auch hierbei eine Verzerrung eines oder beider Meßsignale zu schwerwiegenden Meßfehlern führen würde, ist keine einfache Lösung zur Umwandlung dieser bekannten Meßschaltung in eine Leistungsfaktormeßschaltung erkennbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die selbst bei stark verzerrtem und pulsierenden Strömen eine einwandfreie Messung des Leistungsfaktors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Energie-Bilanz-Messung durchgeführt, das heißt es wird fortlaufend ins Netz zurückgesandte Energie (Blindenergie) in ein Verhältnis zur aufgenommenen Wirkenergie gesetzt, woraus sich wie im Leistungsdreieck aus Schein-, Blind- und Wirkleistung der Leistungsfaktor ableiten läßt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das der Spannungsamplitude entsprechende Meßsignal dem Signaleingang eines Analogschalters zugeführt, dessen Schaltsteuereingang von dem der Stromaplitude entsprechenden Meßsignal derart gesteuert wird, daß lediglich bei einer vorgegebenen Polarität des der Stromamplitude entsprechenden Meßsignals eine Weiterleitung des der Spannungsamplitude entsprechenden Meßsignals an den Ausgang des Analogschalters möglich ist, der einen durch das der Spannungsamplitude entsprechende Meßsignal übersteuerten Operationsverstärker aufweist, so daß das Ausgangssignal des Analogschalters bzw. seines Operationsverstärkers ein Rechtecksignal ist, dessen momentane Polarität jeweils der momentanen Polarität des der Spannungsamplitude entsprechenden Meßsignals ist. Selbst bei kurzzeitigem Abfall oder Polaritätswechsel des der Stromamplitude entsprechenden Meßsignals wird die Weiterleitung des der Spannungsamplitude entsprechenden Meßsignals an den Ausgang des Analogschalters unterbrochen. Die positiven und negativen Amplituden des am Ausgang des Analogschalters auftretenden Rechtecksignals werden auf gleiche Absolutwerte begrenzt und einer Mittelwertschaltung zugeführt, deren Ausgangssignal das gewünschte, zum Leistungsfaktor proportionale Signal ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Leistungsfaktormessung,

Fig. 2 Kurvenverläufe zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 bei ohmscher Last,

Fig. 3 der Fig. 2 entsprechende Signalverläufe bei induktivem Verbraucher,

Fig. 4 den Fig. 2 und 3 entsprechende Signalverläufe bei kapazitiver Last und stark verzerrtem Strom.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Leistungsfaktormessung dargestellt. Diese Ausführungsform weist einen ersten Meßwandler (m 1) zur Lieferung eines der momentanen Spannungsamplitude entsprechenden Meßsignals auf, dessen Primärwicklung mit den Anschlüssen (L2 und L3) an die zu messende Netzspannung angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung des Meßwandlers (1) ist mittenangezapft, wobei die Mittenanzapfung mit Erde verbunden ist, während ein Endanschluß über einen Widerstand (R10) mit zwei mit entgegengesetzter Polarität in Serie geschalteten Zenerdioden (D1, D2) verbunden ist, deren freies Ende mit Erde verbunden ist. Das längs der seriengeschalteten Dioden (D1, D2) anstehende Meßsignal wird dem Signaleingang eines Analogschalters zugeführt, der einen über einen Widerstand (R2) gegengekoppelten Operationsverstärker (V1) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang einschließt. Der invertierende Eingang (-), der mit einem Anschluß des Gegenkopplungswiderstandes (R2) verbunden ist, ist über einen Eingangswiderstand (R1) mit dem Meßsignal längs der Dioden (D1, D2) verbunden. Der nicht invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (V1) bildet den Schaltsteuereingang, der einerseits über einen Schalttransistor (T1) mit Erde verbindbar und andererseits mit dem Schleifer eines Potentiometers (P1) verbunden ist, dessen einer Anschluß mit der Meßspannung längs der Dioden (D1, D2) verbunden ist, während sein anderer Anschluß über einen Widerstand (R3) mit Erde verbunden ist.

Der Schalttransistor (T1) wird durch das zweite, die Stromamplitude darstellende Signal gesteuert, das von einem zweiten Meßwandler (m 2) geliefert wird, dessen Primärwicklung in den Wechselstromkreis derart eingeschaltet ist, daß zwischen den beiden Meßsignalen eine elektrische Phasenverschiebung von 90 Grad besteht. Der eine Anschluß der Sekundärwicklung des Meßwandlers (m2) ist mit Erde verbunden, während der andere Anschluß der Sekundärwicklung über einen Widerstand (R11) mit zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Zenerdioden (D3, D4) verbunden ist, deren freier Anschluß ebenfalls mit Erde verbunden ist. Die Dioden (D3, D4) bewirken eine Begrenzung des zweiten Meßsignals, und dieses begrenzte Meßsignal am Punkt (Pt3) dient zur Steuerung des Schalttransistors (T1).

Bei positiver Polarität des am Punkt (Pt3) anliegenden Meßsignals wird der Transistor (T1) durchgeschaltet, so daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (V1) auf Erde gelegt wird und das dem Signaleingang über dem Widerstand (R1) zugeführte erste Meßsignal an den Ausgang (Pt4) des Analogschalters weitergeleitet wird.

Bei negativer Polarität des an dem Punkt (Pt3) anliegenden, den Strom darstellenden Meßsignals ist der Schalttransistor (T1) gesperrt, so daß den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen des Operationsverstärkers (V1) gleiche Signale zugeführt werden und das Ausgangssignal am Punkt (Pt4) gleich Null wird.

Der Ausgang des Analogschalters ist über einen Widerstand (R4) mit zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden (D5, D6) zugeführt, deren freier Anschluß mit Erde verbunden ist. Die längs der in Serie geschalteten Dioden (D5, D6) anliegende Spannung wird dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (V2) einer Symmetrierschaltung zugeführt. Der nicht invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers (V2) ist mit Erde verbunden, und der Ausgang des Operationsverstärkers ist über ein Potentiometer (P2) und einen Widerstand (R6) mit dem invertierenden Eingang verbunden, um eine Gegenkopplung zu erreichen.

Das Ausgangssignal der Symmetrierschaltung wird über einen Widerstand (R7) zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Kondensatoren (C1, C2) zugeführt, deren freier Anschluß mit Erde verbunden ist. Diese Kondensatoren (C1, C2) bewirken eine Glättung und Mittelwertbildung des symmetrierten Ausgangssignals des Analogschalters.

Sofern dies erforderlich ist, kann das längs der Kondensatoren (C1, C2) anstehende Ausgangssignal einer Verstärkerschaltung zugeführt werden, die einen über ein Potentiometer (P3) und einen Widerstand (R9) gegengekoppelten Operationsverstärker (V3) mit einem Eingangswiderstand (R8) einschließt.

Die Wirkungsweise der soweit beschriebenen Schaltung wird im folgenden anhand der Fig. 2-4 näher erläutert.

In Fig. 2a ist der Spannungs- und Stromverlauf in einem Wechselstromnetz bei ohmscher Belastung dargestellt. Der Verlauf des Stromes (i) erscheint am Meßpunkt (Pt2) des Strom-Meßwandlers (m2). Dieser Meßpunkt (Pt2) kann außerdem zur Blindstrom- oder Blindleistungsmessung herangezogen werden, da hier noch die Amplitude des Stromes unverändert vorliegt.

Da ein Stromwandler immer eine Quelle eingeprägten Stromes darstellt, erscheint am Meßpunkt (Pt3) gemäß Fig. 2b auch bei sehr kleinen Strömen ein Rechteck-Kurvenverlauf. Der positive Abschnitt des Kurvenverlaufs nach Fig. 2b ergibt die Basisspannung für den Schalttransistor (T1), dessen Funktion noch näher erläutert wird. Bei dem negativen Abschnitt des Kurvenverlaufs nach Fig. 2b wird der Schalttransistor (T1) sicher gesperrt, wobei dieser Schalttransistor möglichst hochohmig ein sollte.

Durch die Anschlußart der beiden Meßwandler (m1 und m2) (Strom aus Phase (L1) und Spannung aus den Phasen (L2) und (L3)) erscheint die Wechselspannung am Ausgang des Spannungsmeßwandlers und damit am Meßpunkt (Pt1) um 90 Grad elektrisch gegenüber dem Verlauf des Stromes (i) nach Fig. 2a verschoben, und dieser Spannungsverlauf ist in Fig. 2c dargestellt. Dieser Spannungsverlauf nach Fig. 2c wird dauernd dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (V1) des Analogschalters zugeführt. Der nicht invertierende Eingang (+) wird im Rhythmus der positiven Abschnitte des Spannungsverlaufs nach Fig. 2b über den Schalttransistor (T1) auf Massepontential gelegt. Der bewußt übersteuerte Operationsverstärker arbeitet dann nach dem üblichen Prinzip, wobei seine Verstärkung durch (R1) und (R2) festgelegt ist. Bei gesperrtem Schalttransistor (T1), das heißt während der negativen Abschnitte der Schwingungsform nach Fig. 2b am Meßpunkt (Pt3), erhält der nicht invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (V1) über das Potentiometer (P1) exakt die gleichen Spannungs-Momentanwerte wie der invertierende Eingangsanschluß (-). Als Ergebnis erscheint am Ausgang des den Analogschalter bildenden Operationsverstärkers (V1) am Meßpunkt (Pt4) eine Spannung von 0 Volt. Die Ausgangsspannung am Meßpunkt (Pt4) ist in Fig. 2d dargestellt.

Der Analogschalter unterteilt damit die Wechselspannung gemäß Fig. 2c in gleich große positive und negative Spannungs- Zeitblöcke im Intervall von 90 Grad bis 270 Grad + n × 2π, wie dies in Fig. 2d für die ohm′sche Last dargestellt ist. Die den Operationsverstärker (V2) enthaltene Symmetrierschaltung ermöglicht mit Hilfe einer Einstellung über (P2) eine exakte Einstellung der absoluten Amplitudenwerte der Rechteckschwingungsabschnitte nach Fig. 2d.

Dieser Symmetrierschaltung ist eine Glättungsschaltung nachgeschaltet, deren Ausgangssignal über eine Verstärkerschaltung mit dem Operationsverstärker (V3) verstärkt wird, um die für eine jeweilige Anzeigeeinheit notwendige Meßspannung zu erzeugen.

In Fig. 3 sind die der Fig. 2 entsprechenden Spannungs- und Stromverläufe bei einer induktiven Last dargestellt, worin weiterhin die Energiebilanz dargestellt ist, wobei ein (-) das Zurückschieben der während der Energie-Bezugsphase (+) aufgenommenen Energie darstellt.

Wie dies aus Fig. 3d zu erkennen ist, hat der resultierende Mittelwert (Um) am Ausgang des Operationsverstärkers (V3) ein negatives Vorzeichen, da die Fläche der negativen Abschnitte des Kurvenverlaufs nach Fig. 3d überwiegt.

Die Fig. 4 zeigt die Verhältnisse bei kapazitiver Last, wobei gleichzeitig ein stark verzerrter Strom (i) in Fig. 4a dargestellt ist. Diese starke Verzerrung wird zumeist durch Prellvorgänge in elektronischen Schaltern wie Thyristoren oder dergleichen hervorgerufen, wobei der Strom-Kurververlauf auch Zwischen-Nulldurchgänge aufweist. Die Schaltung nach Fig. 1 führt eine Energie-Bilanz-Messung durch, erfaßt stetig die Energie-Flußrichtung und bilanziert die aufgenommene und die zurückgegebene Energie periodisch. Der maßstäblich dargestellte positive Mittelwert in Fig. 4d signalisiert einen kapazitiven Leistungsfaktor. Jedesmal dann, wenn Strom und Spannung entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wird Energie ins Netz zurückgespeist. Der Einfluß der aus dem Stromverlauf (i) nach Fig. 4a gewonnenen Steuerspannung nach Fig. 4b für den Schalttransistor (T1) auf die die jeweilige Spannungsamplitude darstellende Meßspannung nach Fig. 4c ist deutlich aus Fig. 4d zu erkennen, wobei die Zwischen-Nulldurchgänge in dem Stromverlauf in den Zeitabschnitten (t1, t2, t5, t6 und t8, t9 sowie t11, t12) entsprechende Auswirkungen in dem Ausgangssignal des Analogschalters gemäß Fig. 4d haben. Damit erfaßt die in Fig. 1 dargestellte Schaltung auch die unvermeidbare Verzerrungs-Blindleistung.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Leistungsfaktormessung mit einem ersten Meßwandler (m1) zur Erzeugung eines der momentanen Spannungsamplitude entsprechenden Meßsignals, mit einem zweiten Meßwandler (m2) zur Erzeugung eines der jeweiligen momentanen Stromamplitude entsprechenden Meßsignals, wobei das erste und das zweite Meßsignal elektrisch um 90 Grad gegeneinander phasenverschoben sind, und mit einer Auswerteschaltung, die einen Analogschalter mit einem Signaleingang, einem Schaltsteuereingang und mit einem Ausgang aufweist, dessen Schaltsteuersignal von einem der Meßsignale abgeleitet wird und dessen Signaleingang das andere Meßsignal empfängt, wobei das dem Signaleingang zugeführte andere Meßsignal lediglich bei einer ersten Polarität des einen Meßsignals am Ausgang des Analogschalters erscheint, dadurch gekennzeichnet,
daß das dem Signaleingang (-) des Analogschalters (V1, R1, R2, P1, R3) zugeführte andere Meßsignal das der Spannungsamplitude entsprechende Meßsignal ist, während das dem Schaltsteuereingang (+) des Analogschalters zugeführte Signal das der Stromamplitude entsprechende Meßsignal ist,
daß der Analogschalter einen durch das der Spannungsamplitude entsprechende Meßsignal übersteuerten Operationsverstärker (V1) einschließt,
daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (V1) des Analogschalters einer Amplituden-Symmetrier- und Begrenzungsschaltung (V2, R4-R6, D5, D6) zugeführt ist, die die positiven und negativen Amplituden des Ausgangssignals des Operationsverstärkers auf gleiche Absolutwerte begrenzt, und
daß das Ausgangssignal der Symmetrier- und Begrenzungsschaltung einer Mittelwertschaltung (R7, R8, C1, C2) zugeführt ist, die das Ausgangssignal der Vorrichtung bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (V1) einen invertierenden (-) und einen nicht invertierenden (+) Eingang aufweist, daß der invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers (V1) das der Spannungsamplitude entsprechende Meßsignal empfängt, und daß der nicht invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (V1) über einen von dem der Stromamplitude entsprechenden Meßsignal bei dessen einer Polarität durchsteuerbaren Schalttransistor (T1) mit Erde verbindbar sowie über einen Widerstand (P1, R3) mit dem einen Meßsignal verbunden ist.