DE69222120T2 - Gerät zur Messung des realen Lastfaktors eines elektrischen Generators - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des realen Lastfaktors eines elektrischen Generators, der einen Wechselstrom an einen Verbraucher liefert.
• Der Lastfaktor eines Wechselstromgenerators wird im allgemeinen durch Messung des Effektivwerts der Leistung oder des Stroms bewertet, der von dem Verbraucher gezogen wird, sowie durch Vergleich des Ergebnisses dieser Messung mit dem Maximalwert der entsprechenden Größe, wie er in den Nenndaten des Generators spezifiziert ist.
• Diese Meßmethode eignet sich gut, wenn der Generator in eine rein ohm'sche Last speist, aber nicht gut, wenn es sich um eine sogenannte "verformende" Last handelt, d.h. mit einer nicht-linearen Kennlinie (beispielsweise um eine Last mit einer Eingangsstufe bestehend aus einer Gleichrichterbrücke, auf die ein Filterkondensator folgt). In einem solchen Fall ist der Spitzenwert des Stroms deutlich größer als der in einer äquivalenten, nicht-verformenden Last, wobei dieser Spitzenwert in diesem Fall gleich dem um den Faktor 2 vergrößerten Effektivwert ist, während der Spitzenwert des Stroms 2 bis 5 mal größer als der Effektivwert sein kann, wenn die Last "verformend" ist. Der Vergleich der Effektivwerte führt also zu fehlerhaften Schlüssen, die den tatsächlichen Lastfaktor des Generators stark unterbewerten.
• Dieser systematische Fehler, der in klassischen Meßgeräten nicht erfaßt werden kann, die im Generator oder dem diesen Generator belastenden Nutzgerät vorgesehen sein können, bringt schwere Nachteile mit sich. Nicht nur ist der tatsächliche Lastfaktor des Generators unbekannt, sondern auch die mögliche Überschreitung der intrinsischen Grenze des Generators gefährdet die Zuverlässigkeit der Anlage und führt zu unerwünschtem Verhalten dieser Anlage, wie z.B. zu Begrenzungseffekten, einer Notabschaltung oder einer Umschaltung auf eine Notstromquelle.
• Die Druckschrift DE-A-1 588 373 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des tatsächlichen Lastfaktors eines elektrischen Generators, der einen Wechselstrom an einen Verbraucher liefert,
• - mit einer Strommeßsonde, die ein zur Stärke des vom Generator abgegebenen Stroms permanent proportionales Signal liefert,
• - mit einem Gleichrichterkreis, der dieses Signal empfängt und ein gleichgerichtetes Signal liefert,
• - und mit Eichmitteln.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die obigen Nachteile zu beheben und die Messung des tatsächlichen Lastfaktors eines Generators zu erlauben, der als das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert des abgegebenen Stroms und dem in den Kennwerten des Generators spezifizierten Grenzwert definiert ist.
• Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine Meßvorrichtung
• - mit einer Strommeßsonde, die ein zur Stärke des vom Generator abgegebenen Stroms permanent proportionales Signal liefert,
• - mit einem Gleichrichterkreis, der dieses Signal empfängt und ein gleichgerichtetes Signal liefert,
• - und mit Eichmitteln, wobei die Meßvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß
• - sie eine Spitzenwert-Detektorschaltung aufweist, die das gleichgerichtete Signal empfängt und daraus den Spitzenwert zur Anzeige in einem Anzeigeorgan entnimmt,
• - und die Eichmittel eine Regelung der Meßvorrichtung so ermöglichen, daß das Anzeigeorgan für den Spitzenwert 100% anzeigt, wenn der Spitzenwert des gemessenen Wechselstroms den vorgeschriebenen Maximalpegel erreicht.
• Eine solche Vorrichtung, die eine Spitzenwertmessung durchführt, liefert eine kontinuierliche Angabe über den augenblicklichen Maximalwert des Stroms in der Strommeßsonde unabhängig von der von einem Sinusverlauf mehr oder weniger unterschiedlichen Form des zeitlichen Stromverlaufs. Diesen Spitzenwert muß der Generator tatsächlich liefern können, und er wird vom Anzeigeorgan in Form eines Prozentsatzes zwischen der tatsächlichen Last und der Maximallast des Generators unabhängig vom Verformungsgrad des Stroms geliefert, der vom den Generator belasteten Verbraucher hervorgerufen wird.
• In der Praxis kann die Strommeßsonde aus einem Widerstand bestehen, der von dem zu messenden Strom durchflossen wird, oder aus einem Stromtransformator, der über einen Widerstand abgeschlossen wird. Diese letztere Lösung hat den Vorteil, eine galvanische Isolierung zwischen dem Meßgerät und dem Generator zu gewährleisten.
• Die Gleichrichterschaltung sollte eine solche ohne Schwellwert sein, um den systematischen Fehler zu beseitigen, den ein üblicher, mit einer Schwelle in der Nähe des Nullpegels versehener Gleichrichter einführen würde. Außerdem ist es günstig, wenn der Gleichrichter eine Zweiweg- Gleichrichtung durchführt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Gleichrichter aus einem Einweg-Gleichrichter gefolgt von einem Summierglied, das dem Ausgangssignal des Gleichrichters die Hälfte des Eingangssignals zufügt.
• Die Spitzenwert-Detektorschaltung kann ihrerseits einen Komparatorverstärker enthalten, dessen Ausgang über eine Diode an eine Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstands angeschlossen ist, dessen einer Eingang das Ausgangssignal des Gleichrichters empfängt und dessen anderer Eingang über einen Verstärker mit Einheitsverstärkung an den Kondensator angeschlossen ist.
• Die Verwendung eines wie oben definierten Meßgeräts in Verbindung mit einem Generator, der die elektrische Energie liefert, ergibt eine genaue Messung des tatsächlichen Lastfaktors des Generators, eine Überprüfung und ggf. Korrektur der energetischen Nenndimensionierung, eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und eine Erleichterung seines Betriebs.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt ein Beispiel für den Verlauf des von einem "verformenden" Verbraucher gezogenen Stroms.
• Figur 2 zeigt die allgemeine Struktur einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.
• Figur 3 zeigt das detaillierte Schaltbild der Meßvorrichtung aus Figur 2.
• Figur 4 zeigt die Wellenformen, die an verschiedenen Punkten der Schaltung in Figur 3 auftreten.
• In Figur 1 erkennt man, wie der von einem elektrischen Wechselstromgenerator, wie z.B. einem aus mehreren Moduln zusammengesetzten Zerhacker, an eine verformende Last gelieferte Strom sich verhält. Während ein klassischer Strommesser eine Stromstärke von 35 A angeben würde, liegt der Spitzenwert Ic wesentlich höher und erreicht 80 A. Er kann ohne Wissen des Betreibers den Spitzenstromwert überschreiten, den der Zerhacker liefern kann. Eine solche außerordentliche Situation, die zu Betriebsstörungen führt, kann durch die Messung des Spitzenwerts des effektiven Stroms und den Vergleich dieses Werts mit dem dem Generator zugewiesenen Grenzwert erkannt werden.
• Diese Messung kann mit Hilfe einer Vorrichtung geschehen, deren allgemeine Struktur in Figur 2 gezeigt ist. Die Meßvorrichtung, die in Reihe zwischen dem Generator G und einem Verbrauchsgerät U angeschlossen ist, enthält eine Strommeßsonde 1, die von dem Strom 1 durchflossen wird, dessen Spitzenwert bestimmt werden soll, und die ein Wechselstromsignal liefert, dessen Spannung in jedem Augenblick proportional zur Intensität des Stroms ist. In diesem Beispiel verläuft die Spannung dieses Signals genauso wie die Stromstärke, deren Veränderungen in Figur 1 dargestellt sind. Das von der Sonde 1 gelieferte Wechselstromsignal gelangt an einen Zweiweg-Gleichrichter 2, der ein gleichgerichtetes Signal aus Halbwellen gleicher Polarität liefert, deren Amplitude der der positiven und negativen Halbwellen des Ausgangssignals der Sonde 1 entspricht. Das gleichgerichtete Signal wird von einem Spitzenwert-Detektor 3 empfangen, der an seinem Ausgang ein Gleichsignal liefert, dessen Amplitude entsprechend dem Spitzenwert des gleichgerichteten Signals in einem Anzeigeorgan 4 wie z.B. einem Spannungsmesser angezeigt wird. Außerdem sind Eichmittel 5 vorgesehen, die die Regelung der Vorrichtung zu erlauben, daß das Anzeigeorgan 100% anzeigt, wenn der Spitzenwert des Stroms I den Grenzwert des Augenblicksstroms erreicht, den der in jedem besonderen Fall verwendete Generator liefern kann.
• Gemäß Figur 3 enthält die Sonde 1 einen Stromtransformator 6 zur Absenkung des Stroms, dessen Primärwicklung an Eingangsklemmen E&sub0;, E&sub1; angeschlossen ist, über die der Transformator in den Leistungskreis des elektrischen Generators eingefügt werden kann, während die Sekundärwicklung an einen Widerstand 7 angeschlossen ist, d.h. einen Widerstand kleinen Werts, an dessen Klemmen sich ein Spannungssignal VA ergibt, das für den Strom I in der Primärwicklung repräsentativ ist. Dieses Signal VA ist an der Klemme A des Widerstands 7 verfügbar, dessen andere Klemme mit der Masse der Vorrichtung verbunden ist. In einer Variante kann der Transformator 6 entfallen, und der Strom I wird unmittelbar in den Widerstand 7 eingespeist, der dann das gleiche oben erwähnte Signal VA liefert. Die durch den Transformator 6 gebotene Isolierung zwischen dem Leistungskreisund der Meßvorrichtung entfällt dann, was ggf. ein Nachteil ist.
• Die Klemme A des Widerstands 7 ist über einen Schalter 10 an die Eingangsklemme E&sub2; des Zweiweg-Gleichrichters 2 angeschlossen. Dies ist ein Gleichrichter ohne Schwellwert, d.h. daß die Schwelle, jenseits von der er eine Ausgangsspannung zu liefern beginnt, wenn die Eingangsspannung den Pegel 0 verläßt, den Wert Null hat. Der Gleichrichter enthält zwei Operationsverstärker 20, 21. Der invertierende Eingang des ersten Verstärkers 20 ist an den Eingang E&sub2; über einen Widerstand R&sub2;&sub0; sowie an seinen eigenen Ausgang über einen Widerstand R&sub2;&sub1; in Reihe mit einer Diode 21 und über einen Widerstand R&sub2;&sub2; in Reihe mit einer Diode D&sub2;&sub2; angeschlossen. Diese beiden Dioden sind in zueinander umgekehrter Richtung geschaltet, wobei die Diode D&sub2;&sub1; mit ihrer Kathode und die Diode D&sub2;&sub2; mit ihrer Anode an den Ausgang S angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des zweiten Verstärkers 21 ist über einen Widerstand R&sub2;&sub3; an den gemeinsamen Punkt B des Widerstands R&sub2;&sub1; und der Diode D&sub2;&sub1; und über einen Widerstand R&sub2;&sub4; an den Eingang E&sub2; des Gleichrichters 2 angeschlossen. Der Verstärker 21 ist außerdem über einen variablen Widerstand R&sub2;&sub5; rückgekoppelt, der an den invertierenden Eingang und den Ausgang dieses Verstärkers angeschlossen ist, wobei dieser Ausgang den Ausgang S2 des Gleichrichters 2 bildet. Die erwähnten Widerstände werden so gewählt, daß ihre Werte die folgende Bedingung erfüllen:
• R&sub2;&sub0; = R&sub2;&sub1; = R&sub2;&sub2; R&sub2;&sub3; = R&sub2;&sub4;/2
• Der Spitzenwert-Detektor 3 enthält einen ersten Operationsverstärker 30, dessen nicht-invertierender Eingang an den Ausgang S2 des Gleichrichters 2 und dessen Ausgang an die Anode einer Diode D&sub3;&sub0; angeschlossen ist, deren Kathode mit einer Klemme eines Kondensators C verbunden ist, dessen andere Klemme an Masse liegt. Parallel zu diesem Kondensator liegt ein Widerstand R&sub3;&sub0;&sub0; Der gemeinsame Punkt D der Diode D&sub3;&sub0;, des Kondensators C und des Widerstands R&sub3;&sub0; ist an den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers 31 angeschlossen, welcher so rückgekoppelt ist, daß er eine Einheitsverstärkung liefert, und dessen Ausgang S&sub3; an den invertierenden Eingang des ersten Verstärkers 30 sowie an ein Voltmeter 4 angeschlossen ist, das die am Ausgang des Verstärkers 31 vorliegende Spannung anzeigt.
• Wenn ein Wechselstrom beliebiger Form an den Transformator 6 über seine Eingänge E&sub0;, E&sub1; angelegt wird, erscheint ein Spannungssignal VA ähnlicher Form (Figur 4). Dieses Signal enthält positive und negative Halbwellen und wird an den Eingang E&sub2; des Gleichrichters 2 gegeben. Bei den positiven Halbwellen leitet die dem Verstärker 20 zugeordnete Diode D&sub2;&sub1;, während die Diode D&sub2;&sub2; gesperrt ist. Dann ist der Verstärkungsgrad dieses Verstärkers zwischen den Punkten E&sub2; und B gleich -1, so daß die Halbwellen lediglich im Punkt B umgekehrt sind. Bei negativen Halbwellen leitet die Diode D&sub2;&sub2;, während die Diode D&sub2;&sub1; blockiert ist. Der Punkt B ist dann vom Ausgang S des Verstärkers 20 isoliert und sein Potential ist gleich dem des invertierenden Eingangs, d.h. Null. Diese negativen Halbwellen treten also im Punkt B nicht auf. Schließlich erscheint in diesem Punkt ein Signal VB, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Da der Widerstand R&sub2;&sub3;, der an den Punkt B angeschlossen ist, den halben Wert des Widerstands R&sub2;&sub4; hat, der an den Eingang E&sub2; angeschlossen ist, liefert der Verstärker 21 an seinem Ausgang ein Signal
• Vr = -k(2VB + VA)
• Hierbei ist k eine positive Konstante, die von dem Wert des variablen Widerstands R&sub2;&sub5; abhängt. Wie Figur 4 zeigt, ist die Form dieses Signals Vr die gleiche wie die eines Signals, das eine Zweiweg-Gleichrichtung erfahren hätte.
• Das gleichgerichtete Signal Vr gelangt an einen Spitzenwert-Detektor 3, wo es den Kondensator C über den Verstärker 30 und die Diode D&sub3;&sub0; auflädt. Die Spannung VD, die sich dabei am Kondensator ausbildet, erscheint genauso über den Verstärker 31 mit dem Verstärkungsgrad +1 am invertierenden Eingang des Verstärkers 30. Außerdem entlädt sich dieser Kondensator zwischen jeder Ladeperiode unter der Wirkung der Halbwellen des Signals Vr langsam (mit einer Zeitkonstante von etwa einigen Sekunden) in den Widerstand R&sub3;&sub0;. Wenn nun das Signal Vr größer als das Signal VD ist, liefert der Verstärker eine positive Ausgangsspannung, die den Kondensator C über die leitend gewordene Diode D&sub3;&sub0; lädt. Wenn dagegen das Signal Vr kleiner als das Signal VD ist, liefert der Verstärker 30 an seinem Ausgang eine negative Spannung, die die Diode D&sub3;&sub0; blockiert, so daß der Kondensator C sich weiter in den Widerstand R&sub3;&sub0; entlädt und die Spannung des Signals VD langsam abnimmt, bis sie unter die Spitzenspannung des Signals Vr absinkt, worauf der Kondensator C sich erneut auflädt. Durch dieses Wechselspiel zwischen Ladung und Entladung aufgrund des Vergleichs der Pegel der Signale Vr und VD variiert die Spannung des Signals VD an den Klemmen des Kondensators C in engen Grenzen um den Spitzenwert des Signals Vr, der proportional zum als langsam variierend angenommenen Spitzenwert des Stroms I ist, der an den Eingang der Vorrichtung gelangt. Daher liefert das Spannungsmeßgerät 4 am Ausgang S&sub3; des Verstärkers 31 ein Maß für die Spannung des Signals VD und damit einen Wert, der proportional zum Spitzenwert des Stroms I ist. Diese Angabe kann in Prozentsätzen geliefert werden, wobei 0% einem Strom I und damit einem Lastfaktor des Generators mit dem Wert Null entspricht, während 100% einem Strom I entspricht, dessen Spitzenwerte den maximal zulässigen Pegel gemäß den Kennwerten des Generators erreichen, d.h. den maximalen Lastfaktor des Generators.
• Die Eichmittel 5 enthalten ein Potentiometer P, an das eine sehr stabile Bezugsspannung Vref angelegt wird, die von einer nicht dargestellten, speziellen Schaltung erzeugt wird. Mit dem Umschalter 10 kann der Eingang E&sub2; des Gleichrichters 2 entweder an den Punkt A für eine Spitzenstrommessung oder an den Abgriff des Potentiometers P für eine Eichung angeschlossen werden. In diesem letzteren Fall wird das Potentiometer so eingestellt, daß die Spannung am Punkt E&sub2; der Spitzenspannung gleicht, die im Punkt A erscheint, wenn der verwendete elektrische Generator seine maximal mögliche Spitzenleistung liefert. Nun regelt man mit dem variablen Widerstand R&sub2;&sub5; den Verstärkungsgrad des Verstärkers 21 so, daß das Spannungsmeßgerät seinen Maximalwert (100%) anzeigt. Dann bringt man den Punkt E&sub2; wieder mit dem Punkt A durch Betätigung des Umschalters 10 in Verbindung und die Messung des Lastfaktors des Generators kann beginnen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung des tatsächlichen Lastfaktors eines elektrischen Wechselstromgenerators, der ein Verbrauchsgerät speist,

- mit einer Strommeßsonde (1), die ein zur Stärke des vorn Generator abgegebenen Stroms (1) permanent proportionales Signal (VA) liefert,

- mit einem Gleichrichterkreis (2), der dieses Signal empfängt und ein gleichgerichtetes Signal (Vr) liefert,

- und mit Eichmitteln (5),

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Meßvorrichtung eine Spitzenwert-Detektorschaltung (3) aufweist, die das gleichgerichtete Signal empfängt und daraus den Spitzenwert (VD) zur Anzeige in einem Anzeigeorgan (4) entnimmt,

- und daß die Eichmittel (5) eine Regelung der Meßvorrichtung so ermöglichen, daß das Anzeigeorgan (4) für den Spitzenwert 100% anzeigt, wenn der Spitzenwert des gemessenen Wechselstroms den vorgeschriebenen Maximalpegel erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßsonde (1) von einem Widerstand gebildet wird, der von dem zu messenden Strom (1) durchflossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßsonde von einem Stromtransformator (6) gebildet wird, der von einem Widerstand (7) abgeschlossen wird.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (2) keinen Schwellwert besitzt.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung eine Zweiweg-Gleichrichtung bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung einen Einweg-Gleichrichter gefolgt von einem Summierglied enthält, das dem Ausgangssignal des Gleichrichters die Hälfte des Eingangssignals nochmals hinzufügt.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwert-Detektorschaltung (4) einen Komparatorverstärker (30) enthält, dessen Ausgang über eine Diode (D&sub3;&sub0;) an die Parallelschaltung eines Kondensators (C) und eines Widerstands (R&sub3;&sub0;) angeschlossen ist, und der an einem Eingang das Ausgangssignal (Vr) des Gleichrichters empfängt und mit seinem anderen Eingang über einen Einheitsverstärker (31) an den Kondensator angeschlossen ist.