DE4115418A1

DE4115418A1 - Schaltungsanordnung zur messung elektrischer leistung

Info

Publication number: DE4115418A1
Application number: DE19914115418
Authority: DE
Inventors: Ewald Edl; Elmar Dipl Ing Dr Woschnagg
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1990-05-15
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1991-11-21
Also published as: AT397162B; CH682519A5; ATA107190A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung, wobei wobei die Eingangs spannung bzw. der Eingangsstrom über einen Spannungsein gangs- bzw. über einen Stromeingangsschutz geführt sind, und wobei die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom über einen Spannungsausgangs- bzw. über einen Stromaus gangsschutz geführt sind.

Leistungsmessungen werden üblicherweise mit Wattmetern, beispielsweise aber auch mit Temperatur-Sensoren durch geführt. Bei Verwendung dieser temperaturempfindlichen Sensoren wird die Temperaturdifferenz zweier Heizwider stände, welche proportional der Verlustleistung ist, gemessen. Nachteilig ist, daß die Sensoren nur mit großem technischen Aufwand kalibrierbar sind.

Standard-Wattmeter arbeiten mit integrierender Pulswei tenmodulation und weisen an den Eingängen Spannungs- und Stromwandler auf. Analoge Meßgrößen werden nach Umformung eines digitalen Abtastwertes über einen DAC ausgegeben. Diese Geräte funktionieren nach der 2- oder 3-Wattmeter methode.

Ein Nachteil solcher Meßgeräte besteht in der relativ langen Einschwingzeit von etwa einer Sekunde. Zudem schränken die Spannungs- und Stromwandler den Frequenz bereich auf etwa 10 Hz bis 2 kHz ein und reduzieren die Meßgenauigkeit. Die Fehlergröße beträgt etwa 1% bei 2 kHz; bei höheren Frequenzen sinkt die Meßgenauigkeit rapide ab.

Weiters ist nachteilig, daß nur etwa 2,5 Werte pro Sekunde ausgegeben werden, so daß sich ein treppenförmig ansteigender asynchroner Analogwert ergibt.

Als weiterer großer Nachteil sei erwähnt, daß über bestimmte Zeiträume nur in Form von Mittelwerten Auskunft gegeben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßgerät zu schaffen, mit welchem die Nachteile der bekannten Geräte vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung einem Spannungseingangs-Modul zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über ein Controller-Interface und über eine Mutterplatine einem Analogmultiplizierer zugeführt ist, und daß der Ein gangsstrom einem Eingangsstrom-Modul zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über das Controller-Interface und über die Mutterplatine dem Analogmultiplizierer zugeführt ist, und daß die Mutterplatine über eine Steuerungs- und Zählerplatine und über eine Summierverstärkerplatine sowie über einen Analog-/ Frequenzausgang des Multiplikators mit einer Momentanleistungsausgangs-Buchse und einer Summenmomentan leistungsausgangs-Buchse verbunden ist.

Das integrationslose Meßverfahren mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß damit Spannungs-, Strom- und Leistungspendelungen augenblickswertrichtig angezeigt werden.

Vorteilhaft ist weiters, daß - zusätzlich zur Momentan wertanzeige - der gesamte Kurvenverlauf zu jedem Zeit punkt mit einem Aufzeichnungsgerät, also einem Digital speicheroszilloskop oder einem Transientenrekorder, aufgezeichnet werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind im Spannungs eingangs-Modul und im Stromeingangs-Modul Isolierver stärker vorgesehen sind.

Da die Eingangspotentialtrennung nicht mit Spannungs- und Stromwandlern, sondern mit Isolierverstärkern erfolgt, und die Multiplizier- und Summierverstärkerschaltung ohne kapazitive Ankopplung arbeitet, ist die Messung von Gleich-, Wechsel- und Mischstromleistung innerhalb eines großen Frequenzbereiches gewährleistet, wobei die hohe Meßgenauigkeit erhalten bleibt.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Mikroprozessoreinheit über die Steuerungs- und Zählerpla tine mit dem Analogmultiplizierer verbunden ist.

Mit dem Mikroprozessor wird der Mittelwert der Einzel oder Gesamtleistung errechnet. Diese Leistungs- und Energiewerte werden in einem CMOS-Speicher abgelegt und können nach Abschluß der Messungen auf einem Drucker mit seriellem Interface für Dokumentationszwecke ausgegeben werden.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Controller-Interface mit einer Tastatur für Span nungs- und Strombereichseinstellung, sowie mit einer Segmentanzeige verbunden ist, und daß der Analogmultipli zierer mit einem Bar-Graph-Board und einer Tastatur für Bar-Graph-Steuerung, sowie mit Schutz- und Aussteu erungs-Kontrolleinheiten für Spannung, für Strom und für Leistung verbunden ist.

Damit wird vielseitige Anwendbarkeit eines Meßgerätes mit der erfindungsgemäßen Schaltung nochmals vergrößert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mikropro zessoreinheit mit einer LCD-Anzeigeplatine und einer Tastatur verbunden.

Damit ist es möglich, die Integrationszeiten, die Primär übersetzungen für Strom und Spannung und die Meßart - also Einzelmessung oder kontinuierliche Messung - frei zu wählen. Der Mikroprozessor errechnet anhand der Skalie rungsfaktoren die Leistungs- und Energiewerte und bringt sie auf dem LCD-Display zur Anzeige. Es werden gleichzei tig sowohl der Einzelwert als auch der Summenwert ange zeigt.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Erweiterung für mehrere Spannungseingangs-Kanäle und mehrere Stromeingangskanäle vorgesehen.

Damit können auch in mehrphasigen unsymmetrischen Syste men Leistungsmessungen problemlos und mit voller Anzeige genauigkeit durchgeführt werden.

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll nun die Erfin dung näher erläutert werden, wobei zwecks übersichtlicher Darstellung die Form von Blockschaltbildern gewählt wurde. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Spannungseingangs-Modul, Fig. 2 ein Stromeingangs-Modul, Fig. 3 einen Analogmulti plizierer, Fig. 4 einen Leistungsmesser für einen Eingangskanal, und Fig. 5 einen Leistungsmesser für drei Eingangskanäle.

Das in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Span nungseingangs-Modul 1 ist im Detail aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut:

2 Spannungseingangs-Buchse
3 Spannungsteiler
4 Verstärker
5 Isolierverstärker
6 Filter
7 Phasenkompensation
8 Spannungsausgangs-Buchse
9 Relaisansteuerung
10 BCD-Dezimaldekoder
11 Verbindungsleitung
12 Relaisboard
13 Verbindungsleitung

Das in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Stromein gangs-Modul 21 ist im Detail aus den im folgenden ange führten Komponenten aufgebaut:

22 Stromeingangs-Buchse
23 Shunt-Netzwerk
24 Verstärker
25 Isolierverstärker
26 Filter
27 Phasenkompensation
28 Stromausgangs-Buchse
29 Relaisansteuerung
30 BCD-Dezimaldekoder
31 Verbindungsleitung
32 Verbindungsleitung
33 Verbindungsleitung
34 Verbindungsleitung
35 Relaisboard

Der in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellte Analogmul tiplizierer 41 ist im Detail aus den im folgenden ange führten Komponenten aufgebaut:

42 Stromeingang
43 Spannungseingang
46 Verstärker (A_v=√)
47 Verbindungsleitung
48 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Strom
49 Verbindungsleitung zum Bar-Graph-Board
50 Multiplizierer
51 Verbindungsleitung
52 Verstärker (A_v=-1/5)
53 Verbindungsleitung
54 Analogausgang des Multiplikators
55 Spannungs/Frequenz-Konverter (50 kHz/V, f₀=200 kHz)
56 Frequenzausgang des Multiplikators
57 Verbindungsleitung
58 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Leistung
59 Verbindungsleitung zum Bar-Graph-Board
60 Verbindungsleitung
61 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Spannung
62 Verbindungsleitung zum Bar-Graph-Board
63 Verbindungsleitung zur Steuerungs- und Zählerplatine
64 Verstärker (A_v=√)

Ein auf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung basie rendes Gerät zur Messung elektrischer Leistung ist zweckmäßigerweise modular aufgebaut. Die Leistungmessung erfolgt auf der Basis des analogen Meßverfahrens mittels eines logarithmischen Multiplizierers, welchem die beiden Eingangsgrößen Spannung und Strom zugeführt werden. Der hierbei verwendete Analogmultiplizierer besteht aus den Funktionsgruppen Log-Verstärker, Summierverstärker und Antilog- Verstärker.

Die Arbeitsweise des Log-Verstärkers beruht auf dem logarithmischen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom eines Halbleiters, der in Form eines Transistors in den Gegenkopplungskreis eines Operationsverstärkers geschaltet ist. Mittels unlinearer Gegenkopplung folgt der Ausgang des Operationsverstärkers dem Logarithmus der Eingangsspannung. Die Übertragungsfunktion ist aber auch temperaturabhängig. Der der Log- und der Antilog-Verstär ker gleiches thermisches Verhalten - jedoch mit entgegen gesetzter Polarität - aufweisen, wird diese Temperatur drift bis zu einem vernachlässigbar kleinen Restwert vollständig kompensiert. Durch Summierung der Ausgangswer te der beiden Log-Verstärker für Strom und Spannung, und anschließender Antilogbildung steht das Produkt der Eingangsgröße verzögerungsfrei am Ausgang des Multipli zierers zur Verfügung.

Da die Eingangspotentialtrennung nicht mit Spannungs- und Stromwandlern, sondern mit Isolierverstärkern erfolgt, und die mit Multiplizier- und Summierverstärkerschaltung ohne kapazitive Ankopplung arbeitet, ist eine exakte Messung von Gleich-, Wechsel- und Mischstromleistung innerhalb eines großen Frequenzbereiches gewährleistet.

In Fig. 4 ist, in Form eines Blockschaltbildes, ein kompletter Präzisions-Momentanwert-Leistungsmessers 71, ohne Zusatzeinrichtungen, für einen Eingangskanal darge stellt, wobei der Leistungsmesser 71 aus den im folgenden angeführten Komponenten aufgebaut ist:

72 Spannungseingangs-Buchse
73 Stromeingangs-Buchse
75 Spannungseingangs-Modul
76 Controller-Interface
77 Spannungsausgangs-Buchse
79 Stromeingangs-Modul
80 Stromausgangs-Buchse
81 Mutterplatine
82 Analogmultiplizierer
83 Steuerungs- und Zählerplatine
84 Summierverstärkerplatine
85 Analog-Frequenzausgang des Multiplikators
86 Momentanleistungsausgangs-Buchse
87 Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse
88 Mikroprozessoreinheit

Bei dem in Fig. 4 dargestellten, nach der erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung konzipierten Leistungsmesser wird die Eingangsspannung über die Spannungseingangs- Buchsen 72 dem Spannungseingangs-Modul 75 zugeführt, wo sie auf einen potentialgetrennten Nennpegel von 5 Volt transformiert und über das Controller-Interface 76 sowohl an die Spannungsausgangs-Buchse 77 als auch als auch über die Mutterplatine 81 in den Analogmultiplizierer 41 weitergeleitet wird. Die Potentialtrennung erfolgt im Eingangskreis mittels 3-Port-Isolierverstärker.

Der Eingangsstrom wird über die Stromeingangs-Buchsen 73 dem Stromeingangs-Modul 79 zugeführt, wird dort ebenfalls potentialgetrennt, auf den Spannungsnormwert von 5 Volt verstärkt und anschließend, auf dem gleichen Signalweg wie die Eingangsspannung, die an die Stromausgangs-Buchse 80 und zum Analogmultiplizierer 82 weitergeleitet.

An der Spannungsausgangs-Buchse 77 und der Stromaus gangs-Buchse 80 steht die Kurvenform (das ist der Momen tanwert) oder der Betrag (das ist die effektivwertäqui valente Gleichspannung) der Spannung und des Stromes, und zwar jeweils umschaltbar, für Analysezwecke zur Verfü gung.

Der Analogmultiplizierer 82 bildet nach vorhergehender Verstärkung um den Faktor √ das momentane Produkt der beiden Eingangsgrößen. Die Momentanleistung eines Kanales ist somit proportional der Ausgangsspannung des Multipli zierers mal der Leistungskonstante CP. Die Anpassung der Leistungspegel wird so vorgenommen, daß sich die Lei stungskonstante aus dem Produkt des jeweiligen Spannungs und Stromausgangsbereiches ergibt. Sie wird an jedem Eingangskanal über ein sechsstelliges 7-Segmentdisplay angezeigt. Die Anzeigesteuerung übernimmt das Controller- Interface 76.

Für die Übernahme in den Mikroprozessor muß das Analog- Ausgangssignal zuvor digitalisiert werden. Diese Aufgabe führt ein Spannungs-/Frequenzkonverter durch, dessen Frequenzimpulsänderung ein Abbild der Momentanleistung darstellt. Beide Signale sind über die Mutterplatine 81 mit dem Analog/Digital-Auswertemodul, bestehend aus der Steuerungs- und Zählerplatine 83, der Summiertverstärker platine 84 und der Mikroprozessoreinheit 88 verbunden.

Die Generierung der Summenmomentanleistung erfolgt durch die verzögerungslose Summierung der Multiplikator-Aus gangsspannnungen im Summierverstärker. Der Analogsummie rer besteht aus einem Operationsverstärker in invertie render Beschaltung mit drei Eingängen. Unter der Voraus setzung, daß die Widerstandswerte aller Widerstände gleich groß sind, folgt die Ausgangsspannung unmittelbar der Summe der Eingangsspannungen. Nach der Pufferung und Entkopplung im Analog-/Frequenzausgang des Multiplikators 85 gelangen die Einzelleistungen auf die Momentanlei stungsausgangs-Buchsen 86, und die Gesamtleistung auf die Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse 87. Die Einzel leistungsausgänge können wahlweise auch auf Frequenzim pulsausgabe geschaltet werden.

Die Mikroprozessoreinheit 88 dient dazu, den Mittelwert der Einzel- oder Gesamtleistung über frei wählbare Integrationszeiten zu errechnen. Weiters ist auch die Ausgabe der Energiewerte möglich. Die Messung beruht darauf, daß die, der Momentanleistung proportionalen, Frequenzimpulse für die Dauer der Integrationszeit in einen, für jeden Kanal getrennt vorhandenen, 32-Bit-Zäh ler der Steuerungs- und Zählerplatine 83 aufsummiert werden. Nach Ablauf der Torzeit liest der Mikroprozessor die Zählerstände ein, errechnet anhand der Skalierungs faktoren die Leistungs- und Energiewerte und bringt sie auf einem 4zeiligen LCD-Display zur Anzeige. Diese Leistungs- und Energiewerte werden in einem CMOS-Speicher abgelegt und werden nach Abschluß der Messungen auf einem Drucker mit seriellem Interface für Dokumentationszwecke ausgegeben.

In Fig. 5 ist, in Form eines Blockschaltbildes, ein kompletter Präzisions-Momentanwert-Leistungsmessers 101, mit Zusatzeinrichtungen, für drei Eingangskanäle darge stellt, wobei der Leistungsmesser 101 aus den im folgen den angeführten Komponenten aufgebaut ist:

102 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 1
103 Stromeingangs-Buchse für Kanal 1
104 Spannungseingangs-Schutz
105 Spannungseingangs-Modul
106 Controller-Interface
107 Spannungsausgangsschutz
108 Spannungsausgangs-Buchse
109 Folientastatur für Spannungs- und Strombereichseinstellung
110 6-Digit 7-Segmentanzeige
111 Stromeingangsschutz
112 Stromeingangs-Modul
113 Stromausgangsschutz
114 Stromausgangs-Buchse
115 Mutterplatine
116 Analogmultiplizierer
117 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Spannung
118 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Strom
119 Schutz- und Aussteuerungs-Kontrolleinheit für Leistung
120 Bar-Graph-Board
121 Folientastatur für Bar-Graph-Steuerung
122 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 2
123 Stromeingangs-Buchse für Kanal 2
124 Spannungseingangs-Buchse für Kanal 3
125 Stromeingangs-Buchse für Kanal 3
126 Netzanspeisung
127 Steuerungs- und Zählerplatine
128 Summierverstärkerplatine
129 Analog-/Frequenzausgang des Multiplikators
130 Momentanleistungsausgangs-Buchse für Kanal 1 bis 3 131 Summenmomentanleistungsausgangs-Buchse
132 Analog-Digital-Konverter
133 Mikroprozessoreinheit
134 LCD-Anzeigeplatine
135 Folientastatur für Mikroprozessor-Steuerung

Das in Fig. 5 dargestellte, auf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung basierende Leistungsmeßgerät ist modular aufgebaut und kann mit bis zu drei Kanälen bestückt werden, welche beliebig austauschbar sind.

Bei dieser Ausführung für drei Eingangskanäle werden insgesamt drei 4-Quadranten-Analog-Multiplizierer - also einer je Kanal - verwendet. Auf diese Weise werden die Momentanleistungen der einzelnen Stränge eines Dreh stromnetzes gleichzeitig erfaßt. Nach Summation der Augenblickswerte kann bei der Drehstromleistungsmessung, in 2-Wattmetermethode oder in 3-Wattmetermethode, die Gesamtwirkleistung am Ausgang integrationslos und somit in Echtzeit zur Anzeige gebracht werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Lei stung, wobei die Eingangsspannung bzw. der Eingangs strom über einen Spannungseingangs- bzw. über einen Stromeingangsschutz geführt sind, und wobei die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom über einen Spannungsausgangs- bzw. über einen Stromausgangs schutz geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung einem Spannungseingangs-Modul (1, 105) zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbei tung aufbereitet wird und und über ein Controller- Interface (76, 106) und über eine Mutterplatine (81, 115) einem Analogmultiplizierer (41, 116) zugeführt ist, und daß der Eingangsstrom einem Eingangsstrom- Modul (21, 112) zugeführt und in diesem zur weiteren Verarbeitung aufbereitet wird und über das Control ler-Interface (76, 106) und über die Mutterplatine (81, 115) dem Analogmultiplizierer (41, 116) zuge führt ist, und daß die Mutterplatine (81, 115) über eine Steuerungs- und Zählerplatine (83, 127) und über eine Summierverstärkerplatine (84, 128) sowie über einen Analog-/Frequenzausgang (85, 129) des Multiplikators mit einer Momentanleistungsausgangs- Buchse (86, 130) und einer Summenmomentanleistungs ausgangs-Buchse (87, 131) verbunden ist.
(Fig. 4 und 5).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß im Spannungseingangs-Modul (1) und im Stromeingangs-Modul (21) Isolierverstärker (5, 25) vorgesehen sind.
(Fig. 1 und 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikroprozessoreinheit (133) über die Steuerungs- und Zählerplatine (127) mit dem Analogmultiplizierer (117) verbunden ist. (Fig. 5).

4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Controller-Interface (106) mit einer Tastatur (109) für Spannungs- und Strombereichseinstellung, sowie mit einer Segmentanzeige (110) verbunden ist, und daß der Analogmultiplizierer (116) mit einem Bar- Graph-Board (120) und einer Tastatur (121) für Bar-Graph-Steuerung, sowie mit Schutz- und Aussteu erungs-Kontrolleinheiten für Spannung (117), für Strom (118) und für Leistung (119) verbunden ist. (Fig. 5).

5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprozessoreinheit (133) mit einer LCD-Anzeigepla tine (134) und einer Tastatur (135) verbunden ist. (Fig. 5).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erweiterung für mehrere Spannungseingangs-Kanäle (102, 122, 124) und Stromeingangskanäle (103, 123, 125) vorgesehen ist. (Fig. 5).