DE3923590C2 - Schaltungsanordnung für die Fehlerkompensation eines elektronischen Elektrizitätszählers - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für die Fehler­ kompensation eines elektronischen Elektrizitätszählers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektronische Elektrizitätszähler leiten mit elektronischen Mitteln aus dem Verbrauchernetz eine der Netzspannung propor­ tionale Größe und eine dem Netzstrom proportionale Größe ab und bilden daraus mit Hilfe eines sogenannten Time-Division-Multi­ plizierers eine Leistungsgröße. Um daraus die dem Netz ent­ nommene elektrische Arbeit zu berechnen, wird die Leistungs­ größe einem Integrator zugeführt, der üblicherweise aus der Kombination eines Operationsverstärkers und eines Kondensators besteht, dessen Auflade- oder Umladeimpulse mit Hilfe eines Komparators in zählbare Impulse umgesetzt und einem Zähler zugeführt werden, der diese als kWh-Größe anzeigt. Das Problem besteht nun darin, daß die Offset-Spannung des Operationsver­ stärkers einen ständig fließenden Ruhestrom (Offset-Strom) produziert, der als Gleichstrom kontinuierlich in eine Richtung fließt und sich dem Meßstrom der aus dem Speisenetz abgelei­ teten elektrischen Größen überlagert und als Fehlerstrom den Meßwert verfälscht.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus dem Aufsatz "Ein genauer elektronischer Elektrizitätszähler", Technisches Messen atm 1978, Heft 11, Seiten 407 bis 411, Verfasser G. Steinmüller, bekannt.

Aus der EP-0 261 526 A1 ist es bekannt, zur Kompen­ sation der Offset-Spannung des Operationsverstärkers des Time- Division-Multiplizierers eine Kompensationsschaltung vorzu­ sehen, die aus einem Kondensator, mehreren Schaltern und einem Dreiecksgenerator besteht, der den Modulator in der Weise steuert, daß unabhängig von der erfaßten Leistung in jeder Periode der vom Dreiecksgenerator erzeugten Schaltimpulse der elektronische Schalter im Eingangskreis des Operationsverstär­ kers während einer bestimmten Zeitspanne geöffnet ist. Während dieser Zeitspanne wird der Kompensationskondensator so an den Eingang des Operationsverstärkers geschaltet, daß dieser sich auf die Offset-Spannung auflädt. Während der nachfolgenden Phase wird der Kompensationskondensator so zwischen den inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers und Bezugspotential geschaltet, daß die Offset-Spannung dieses Operationsverstärkers kompensiert wird. Diese Schaltungsanordnung ist in der Lage, eine vollständige Kompensation des Fehlerstromes zu bewirken. Der dazu notwendige Schaltungsaufwand ist allerdings beträchtlich.

Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist auch aus der US-PS 4,733,171 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wenig aufwendige Kompensationsschaltung zu finden, die eine im Hinblick auf die bei Haushaltszählern zulässigen Fehlergrenzen ausreichende Kompensation der auf verschiedene Einflüsse zurück­ zuführenden Meßfehler ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch ist erreicht, daß mit Hilfe weniger Normbauteile der vom Fehlerstrom des Operationsverstärkers verursachte Fehler halbiert und der vom Schalter selbst verur­ sachte Fehler nahezu vollständig eliminiert wird. Dabei kann der als Umschalter ausgebildete elektronische Schalter aus zwei Transmissionsgates bestehen. Der Durchlaßwiderstand eines solchen Transmissionsgates weist eine Spannungsabhängigkeit in der Weise auf, daß der Schalter bei positiver Spannung nieder­ ohmiger ist als bei negativer Spannung. Dies hat zur Folge, daß der Widerstand im Meßkreis während der positiven Halbwelle der Netzspannung einen anderen Wert annimmt als in der negativen Halbwelle. Der dadurch entstehende Meßfehler wird durch die er­ findungsgemäße Schaltung fast vollständig eliminiert.

Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

In einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Patentanspruch 3 ist anstelle des bisher üblichen bipolaren Netzteiles ein unipolares Netzteil verwendet, dessen Bipolarität am geregelten Ausgang mit Hilfe einfacher Bauelemente erzielt wird. Durch die Kombi­ nation der Maßnahmen nach Patentanspruch 1 und Patentanspruch 3 kann sowohl die negative wie die positive Versorgungsspannung der Elektronik mit Massepotential 11 des Netzes verbunden werden. Bisher mußte die Elektronikmasse (Bezugspotential) am Nulleiter des Netzes liegen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung eines elektronischen Elektrizitätszählers;

Fig. 2 ein Schalterdiagramm des elektronischen Umschalters im Meßkreis des Time-Division-Multiplizierers und

Fig. 3 eine Ausführung des elektronischen Schalters mit Halb­ leiterbauelementen.

Die in Fig. 1 als Prinzipschaltbild dargestellte Schaltungs­ anordnung eines elektronischen Elektrizitätszählers für den Einphasenbetrieb dient der Messung der von einem Verbraucher 1 aus dem Einphasennetz L; N entnommenen elektrischen Energie. Dazu werden eine der Netzspannung und eine dem Netzstrom ent­ sprechende elektrische Größe gebildet und einem Time-Division- Multiplizierer 2 zugeführt. Ein solcher Time-Division-Multi­ plizierer ist beispielsweise in der Zeitschrift "Technisches Messen ATM", 1978, Heft 11, Seiten 407-411 beschrieben. Im vorliegenden Beispiel wird die Stromgröße über einen im Phasen­ leiter L des Netzes angeordneten Stromwandler 3 dem Puls- Weiten-Modulator 4 des Time-Division-Multiplizierers und die Spannungsgröße über einen hochohmigen Widerstand 5 und einen dazu in Serie geschalteten Kondensator 6, dessen Wechselstrom­ widerstand auf der Grundlage der Netzfrequenz sehr viel kleiner ist als der Wert des Widerstandes 5, dem gemeinsamen Pol c eines Umschalters 7 zugeführt, der vom Puls-Weiten-Modulator 4 betätigt wird. Der Pol b des Umschalters ist an den invertie­ renden Eingang eines Operationsverstärkers 10 nach außen ge­ führt, während der Pol a am Bezugspotential liegt.

Der Time-Division-Multiplizierer moduliert das der Netzspannung entsprechende, am Umschalter 7 auftretende Signal mit dem vom Stromwandler 3 abgegriffenen, dem Stromwert entsprechenden Signal in bekannter Weise, so daß am Ausgang des Time-Division- Multiplizierers 2 ein Signal entsteht, dessen Gleichstromkom­ ponente der dem Speisenetz L; N vom Verbraucher 1 entnommenen elektrischen Leistung, entspricht. Um daraus die verbrauchte elektrische Energie in kWh zu ermitteln, wird der Leistungswert einem Integrator 8 zugeführt. Sobald an dessen Ausgang eine Spannungsschwelle überschritten wird, wird eine Monoflopstufe 11 in Gang gesetzt, die während einer Referenzzeit über einen Schalter 21 einen Referenzstrom I_ref auf den Integrator 8 schaltet. Dadurch wird die am Kondensator 9 entstehende Ladung kompensiert (Ladungskompensationsverfahren). Der nicht inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 10 liegt am Bezugs­ potential. Die Summe der so entstehenden Impulse reprä­ sentiert dann die zu ermittelnde elektrische Energie. Die am Ausgang des Monoflop 11 auftretenden Referenzstromimpulse werden - evtl. über einen Impulsteiler - auf einen zählbaren Wert reduziert und einer Zählstufe 12 zugeführt, die die Summe in kWh anzeigt.

Die Schaltungsanordnung wird von einem Kondensator-Netzteil 13 aus dem Netz L; N gespeist. Das Kondensator-Netzteil 13 setzt die Netzspannung zunächst in eine ungeregelte, von einem Glättungskondensator 14 geglättete Gleichspannung um, die, über den Spannungsregler 15 geführt, als konstante Speisegleich­ spannung an den Ausgangsklemmen V_p; V_n auftritt.

Nachdem der Integrator 8 sowohl positive wie negative Spannungs­ werte zu integrieren hat, benötigt der Operationsverstärker 10 zum Bezugspotential positive und negative Speisespannungen. Diese werden dadurch gewonnen, daß zwischen den Ausgangsklemmen V_p; V_n ein Spannungsteiler, bestehend aus der Serienschaltung einer Referenzdiode 16 und eines Teilerwiderstandes 17, angeord­ net ist, deren gemeinsame Verbindungsleitung am Bezugspotential liegt. Bei geeigneter Dimensionierung von Referenzdiode 16 und Teilerwiderstand 17 tritt an der Ausgangsklemme V_p gegenüber dem Bezugspotential eine positive und an der Ausgangsklemme V_n eine etwa gleich große negative Spannung auf.

Anhand des Schalterdiagramms nach Fig. 2 wird nun die Funktion der Schaltungsanordnung im folgenden näher erläutert. Nimmt man zunächst einmal an, der Fehlerstrom des invertierenden Ope­ rationsverstärkers 10 sei Null, dann arbeitet der Umschalter 7 in der bekannten Weise so, daß die positiven und negativen Wechselspannungsamplituden entsprechend der Höhe des gemessenen Stroms zeitlich moduliert werden, d.h. die Schließungszeiten des Umschalters 7 sind bei hohem Strom relativ lang und bei niedrigem Strom relativ kurz. Daraus resultiert eine Gleich­ stromkomponente, die die vom Verbraucher dem Speisenetz ent­ nommene elektrische Leistung repräsentiert. Tatsächlich läßt sich nun der Fehlerstrom des Operationsverstärkers 10 gegenüber dem Nutzsignal nicht vernachlässigen, was zur Folge hat, daß der Integrationskondensator 9 ständig aufgeladen und damit eine entsprechende Stromentnahme des Verbrauchers 1 aus dem Netz L; N vorgetäuscht wird. Nun enthalten die bisher vorgeschlagenen Kompensationseinrichtungen für den Fehlerstrom relativ komplizierte Schaltungsanordnungen, die zu einer voll­ ständigen oder nahezu vollständigen Kompensation des Fehler­ stromes führen.

Mit der vorliegenden Schaltungsanordnung besteht nun die Mög­ lichkeit, den Abstand zwischen dem Fehlerstrom und dem der ge­ ringsten noch zu messenden Leistungsentnahme entsprechenden Nutz­ signal dadurch zu verringern, daß die Wirkung des Fehlerstromes halbiert wird. Diese Halbierung reicht aus, um zumindest bei üblichen Haushaltszählern einen ausreichenden Abstand vom Schwell­ wert zu halten, so daß bei lastfreiem Betrieb keine Zählimpulse ausgelöst werden. Auch beim Betrieb unter geringer Last, bei dem Fehler am stärksten in Erscheinung treten, werden durch die Halbierung der Offset-Spannung und die nahezu vollständige Kompensation der Schalterfehler die tolerierbaren Fehlergrenzen nicht überschritten.

Beim Auftreten eines Netzstromes arbeitet der Time-Division- Multiplizierer 2 in der bekannten Weise. Dabei wird aus dem Netzstrom mit Hilfe des Stromwandlers 3 ein diesem proportio­ nales erstes Signal erzeugt und dem Puls-Weiten-Modulator 4 zugeführt. Das aus der Netzspannung abgeleitete zweite Signal wird dem gemeinsamen Pol c des Schalters 7 zugeleitet. Dieser wird vom Puls-Weiten-Modulator 4 in der Weise gesteuert, daß eine dritte, der dem Netz entnommenen elektrischen Leistung entsprechende Größe gebildet wird.

Der Schalter 7 ist als Umschalter ausgebildet, dessen einer Pol b mit dem Integrator 8 und dessen anderer Pol a mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der ge­ meinsame Pol c ist über die Serienschaltung eines Widerstan­ des 5 und eines Kondensators 6 mit dem Phasenleiter L ver­ bunden. Diese R/C-Kombination ist so dimensioniert, daß der Wechselstromwiderstand des Kondensators 6 bei Netzfrequenz wesentlich kleiner ist als der Widerstand 5.

Im folgenden soll nur der Fehlerstrom betrachtet werden.

Ohne den Kondensator 6 fließt, wenn sich der Umschalter 7 in Position b befindet, also auf den Integrator 8 geschaltet ist, ein der Offset-Gleichspannung U_off des Integrators 8 propor­ tionaler Fehlerstrom von

Als mittlerer Fehlerstrom folgt daraus:

Am Kondensator 6 mit dem Wert C fällt die Gleichspannung U_off ab. Damit reduziert sich der Spannungsabfall an R auf den Wert von

Da die Zeit im Mittel gleich 1 ist und T_M = R·C ist, wird sich an C etwa die Spannung einstellen.

Für den Fehlerstrom gilt dann:

Bei t₁ = t₂, also T_M = 2·t₁, ergibt sich ein Fehlerstrom von

also eine Halbierung des Fehlerstromwertes mit dem Kondensator 6 gegenüber einer Schaltung ohne Kondensator.

Bedeutung der Formelzeichen:

t₁ = Einschaltdauer des Umschalters 7,
t₂ = Umschaltdauer zur Entladung des Kondensators 5 (C),
T_M = t₁ + t₂,
U_off = Fehlerspannung des Operationsverstärkers 10,
R = Widerstand 5,
C = Kondensator 6

Ein weiterer, durch diese Schaltungsanordnung erzielter Vorteil besteht darin, daß das Bezugspotential der Elektronik nicht mehr notwendigerweise an den Nulleiter N des Speisenetzes gelegt werden muß. Es ist demzufolge auch nicht mehr erforderlich, die positiven und negativen Versorgungs­ spannungen V_p und V_n der Schaltungsanordnung symmetrisch zum Nulleiter N des Speisenetzes auszuführen. Bei einem Kondensator­ netzteil wurden bisher zwei relativ kostspielige Glättungs­ kondensatoren benötigt. Durch die Anordnung der RC-Kombination 5, 6 ist es möglich, entweder die positive Versorgungsspannung V_p oder die negative Versorgungsspannung V_n mit dem Nulleiter N des Speisenetzes zu verbinden. Wenn der Nulleiter N mit V_n verbunden ist, fällt am Kondensator 6 die Gleichspannung, die zwischen dem Bezugspotential und dem Nulleiter N liegt, ab. Nach dem Einschalten der Schaltungs­ anordnung wird der Kondensator 6 aufgeladen und in der folgenden Betriebsphase nicht mehr entladen, so daß kein Gleichstrom mehr auftreten kann.

Ein weiterer, durch die Schaltungsanordnung bewirkter Vorteil, betrifft den Umschalter 7 selbst. Dieser be­ steht gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 aus zwei soge­ nannten Transmissionsgates 18, 19 in CMOS-Technik für die Schalt­ strecken c-a und c-b. Zur funktionsgerecht koordinierten, gegen­ phasigen Ansteuerung dieser Transmissionsgates ist diesen ein vom Puls-Weiten-Modulator 4 getriggertes Schalteransteuerungs­ gerät 20 zugeordnet. Die Abhängigkeit der Durchlaßwiderstände dieser Transmissionsgates von der Polarität der jeweils anlie­ genden Spannung hätte ohne den Kondensator 6 zur Folge, daß im Integrator 8 auch dann eine Gleichstromkomponente aufintegriert würde, wenn konstant und der Fehlerstrom = 0 wäre.

Da die Schalter c-b und c-a das gleiche elektronische Verhalten aufweisen und über den Kondensator 6 kein Gleichstrom fließen kann, ist verhindert, daß den Integrator 8 infolge der spannungsabhängigen Durchlaßwiderstände der Schalter c-b und a-c ein Fehlergleichstrom erreichen kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist der Einfach­ heit halber für den Betrieb an einem Einphasennetz dargestellt. Sie ist in gleicher Weise auch für ein Mehrphasennetz geeignet und muß dazu lediglich entsprechend der Phasenwahl vervielfacht werden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung für die Fehlerkompensation eines elek­ tronischen Elektrizitätszählers, mit einem Time-Division-Multi­ plizierer (2), dem eine der Netzspannung und eine dem Netzstrom proportionale elektrische Größe zugeführt wird und durch eine Multiplikation beider Größen aufgrund einer Puls-Weiten-Modu­ lation eine der dem Netz entnommenen Leistung proportionale Größe bildet, wobei die Modulation durch von den betreffenden elektrischen Signalen abhängiges Ein- und Ausschalten eines vom Modulator betätigten elektronischen Schalters (7, 18, 19, 20) erfolgt, mit einem Integrator (8) für die Ermittlung der elektrischen Arbeit, bestehend aus der Kombination eines Ope­ rationsverstärkers (10) mit einem Integrationskondensator (9) für die Integration der elektrischen Leistung über die Zeit, dessen Auflade- und Entladeimpulse mit Hilfe eines Komparators (11) in zählbare Impulse umgesetzt und einem elektronischen Zähler für die Ermittlung der Impulsfrequenz und deren Anzeige in Kilowattstunden (kWh) zugeführt werden, sowie mit einem Stromversorgungsteil für die Speisung der elektronischen Bauelemente mit stabilisierter Speisespannung, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter des Modulators (4) als Umschalter (7) ausgebildet ist, dessen Einschalter (b, c) das vom Phasenleiter (L) des zu messenden Netzes abgeleitete elektrische Signal mit dem Eingang des invertierenden Operationsverstärkers (10) des Integrators (8) und dessen Ausschalter (a, c) das Signal während der Einschalt­ pausen mit dem Bezugspotential verbindet, daß zwischen dem Phasenleiter (L) und dem gemeinsamen Kontakt (c) des Umschal­ ters (7) die Serienschaltung eines Kondensators (6) und eines ohmschen Widerstandes (5) angeordnet ist, dessen Widerstands­ wert bei der Netzfrequenz groß ist gegenüber dem Wechselstrom­ widerstand des Kondensators (6) und daß der Operationsverstär­ ker (10) an zwei gegenüber dem Bezugspotential positiven und negativen Versorgungsspannungen angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der Netzfrequenz von 50 Hz und einer Umschaltfrequenz des elektronischen Umschalters (7) von etwa 1 kHz der Widerstandswert des ohmschen Widerstands­ wertes (5) 1 MOhm beträgt und der Kondensator (6) eine Kapazität von 1 µF besitzt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromversorgungsteil ein spannungskonstant geregeltes unipolares Netzteil (13, 14, 15) verwendet ist, dessen einer Pol (V_n) mit dem Nulleiter (N) des Netzes verbunden ist und zwischen diesem und dem anderen Pol (V_p) ein Spannungsteiler, bestehend aus der Serienschaltung einer Referenzdiode (16) und eines ohmschen Teilewiderstandes (17) angeordnet ist, deren gemeinsamer Anschlußpunkt das Bezugspotential bildet.