DE69324107T2

DE69324107T2 - Dreiphasen-Leistungsanalysator

Info

Publication number: DE69324107T2
Application number: DE69324107T
Authority: DE
Inventors: Steven Lombardi
Original assignee: Allen Bradley Co LLC
Current assignee: Allen Bradley Co LLC
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2013-11-26
Also published as: DE69324107D1; EP0599648A1; US5378979A; EP0599648B1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Instrumente zum Messen von Drehstrom und insbesondere ein Instrument zur Durchführung einer Echtzeitanalyse der symmetrischen Komponenten von Drehstromsystemen, um zu ermitteln, ob ein Drehstromsystem symmetrisch ist.

Hintergrund der Erfindung

Wohnanlagen sind gewöhnlich für einphasigen Wechselstrom verdrahtet, wobei zwei aktive Leiter verwendet werden, an die eine sinusförmige Spannung angelegt wird. Im Gegensatz dazu sind Industrieanlagen häufiger für Drehstrom verdrahtet und haben drei aktive Leiter, wobei an jedem Paar davon eine von drei verschiedenen sinusförmigen Spannungen anliegt. Jede dieser drei Spannungen ist von den anderen um jeweils 120º phasenverschoben.
Die Vorteile von Drehstrom gegenüber einphasigem Strom sind durchaus bekannt; dies sind u. a. eine verbesserte Leistungsfähigkeit von Generator und Motor, z. B. verursacht Drehstrom weniger "Eisenverlust" bei rotierenden Maschinen, und eine verbesserte Energieübertragung, d. h. bei symmetrischen Lasten ist die Übertragung von Energie in einem Drehstromsystem konstant.
Drehstrom wird durch die richtige Positionierung von drei Wicklungen in einem Drehstromgenerator erzeugt. Wenn eine Seite jeder Wicklung an einem einzelnen Punkt angeschlossen ist, dann wird die Schaltungskonfiguration dieser Wicklungen als "sternförmig" bezeichnet. Wenn die Wicklungen ringförmig angeschlossen sind, wobei die Enden jeder Wicklung mit ihren Nachbarn verbunden sind, dann wird die Konfiguration der Wicklungen als "deltaförmig" bezeichnet. Bei der nachfolgenden Erörterung wird zwar auf ein sternförmig angeschlossenes System Bezug genommen, aber die vorliegende Erfindung funktioniert sowohl mit stern- als auch mit deltaförmigen Drehstromsystemen.
Fig. 1 zeigt einen Drehstromgenerator 10 mit drei Wicklungen, die in einer sternförmigen Konfiguration geschaltet sind, wobei die ersten Enden der Wicklungen einen gemeinsamen Anschluß O haben und die zweiten Enden der Wicklungen jeweils an A, B und C angeschlossen sind. Jeder der Anschlüsse ist mit einem Leiter 11 verbunden, um den generierten Drehstrom zu übertragen.
Strom wird von dem Generator 10 über Paare der Anschlüsse A, B und C erhalten, wobei jedes Anschlußpaar als Stromkreis bezeichnet wird. Die Spannung in jedem Stromkreis wird nach dessen Anschlüssen jeweils bezeichnet als VAB, VBC und VCA, wobei beispielsweise VAB die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt über die Anschlüsse A und B des Drehstromgenerators 10 ist.
Ein Zeigerdiagramm 12 der Spannungen, die durch den Generator 10 erzeugt werden, besteht aus drei Zeigern VAB, VBC und VCA, die gleichmäßig um 120º um einen Ursprung 13 herum beabstandet sind. Jeder Zeiger hat eine konstante Größe VAB, VBC und VCA, die um den Ursprung 13 mit einer Leitungsfrequenz f in einer Phasenfolge rotieren. Die Projektion dieser Zeiger auf einer Achse 14 verfolgt die Spannungswellenformen VAB, VBC und VCA in Abhängigkeit von der Zeit.
Es ist klar, daß ein anderes ähnliches Zeigerdiagramm erstellt werden kann, das die Ströme anzeigt, die zwischen den Anschlüssen A, B und C mit den Zeigern IA, IB oder IC (nicht dargestellt) mit den Größen iA, iB oder iC fließen. Die von jedem Stromkreis des Drehstromgenerators 10 erzeugten Spannungen werden allgemein als "elektrische Signale" bezeichnet.
Ein Drehstromsystem ist dann "symmetrisch", wenn die Größe und der winkelmäßige Abstand der Zeiger (Spannung oder Strom) jedes Stromkreises gleich sind. Ein symmetrisches System erzeugt elektrische Signale mit drei gleichen Spitzenamplituden, wobei jeweils eines zu einem Stromkreis gehört, die um 120º phasenverschoben sind. Ein symmetrisches Drehstromsystem hat den höchsten elektrischen Wirkungsgrad: so erfahren z. B. Drehstrommotoren, die mit unsymmetrischem Drehstrom arbeiten, eine höhere Rotorerhitzung, die Energieverlust repräsentiert, Unsymmetrie in einem Drehstromsystem kann auf eine nicht ordnungsgemäße Verdrahtung von Lasten über nur eine Phase oder auf einen bevorstehenden Geräteausfall hinweisen, z. B. auf eine fehlerhafte Wicklung in einem Motor oder Generator oder auf einen Erdschluß. Aus diesen Grünen ist es wichtig, den Zustand von Symmetrie oder Unsymmetrie eines Drehstromsystems festzustellen.
Symmetrie oder fehlende Symmetrie in einem Drehstromsystem läßt sich dadurch beschreiben, daß einfach die Zeigergrößen und die Winkel des Stroms in den drei Stromkreisen aufgeführt werden. Diese Beschreibung ist jedoch nicht sehr aufschlußreich, und es wird daher bevorzugt, die Symmetrie eines Drehstromsystems durch eine Analyse der symmetrischen Komponenten zu beschreiben. Bei einer solchen Analyse wird das unsymmetrische Zeigerdiagramm des unsymmetrischen Systems in drei symmetrische Zeigerkomponenten zerlegt: eine Mitkomponente, eine Gegenkomponente und eine Nullkomponente.
Fig. 2 zeigt ein Zeigerdiagramm eines unsymmetrischen Drehstromsystems 14, das durch Zeiger V'AB, V'BC und V'CA mit verschiedenen Größen repräsentiert werden kann, die verschiedene Winkelabstände α, β und γ voneinander haben. Wie oben erwähnt, wird der Grad der Unsymmetrie in einem solchen System durch Zerlegen des unsymmetrischen Systems 15 in seine symmetrischen Komponenten geklärt: eine Mitkomponentenspannung 16, eine Gegenkomponentenspannung 17 und eine Nullkomponentenspannung 18.
Die Mitkomponentenspannung 16 wird durch einen Satz von drei gleichmäßig beabstandeten Zeigern gleicher Größe repräsentiert, die mit einer Frequenz f rotieren, die der des unsymmetrischen Systems 15 entspricht. Die Mitkomponentenspannung ist der symmetrische Teil des unsymmetrischen Systems, der das positive Kraftmoment zu an dem System angeschlossenen Motoren und dergleichen liefert.
Die Gegenkomponentenspannung 17 ist ebenfalls ein Satz von drei gleichmäßig beabstandeten Zeigern gleicher Größe, die jedoch in der entgegengesetzten Richtung der Zeiger der Mitkomponente mit einer Frequenz f rotieren. Die Gegenkomponentenspannung repräsentiert ein Gegendrehmoment auf Motoren oder Leistungsverlust, verursacht durch Unsymmetrie in dem unsymmetrischen System 15.
Die Nullkomponentenspannung ist ein nicht rotierender Zeiger. Die Nullkomponentenspannung 18 repräsentiert ein unsymmetrisches System 15, das beispielsweise mit einem Erdschluß in einem deltaförmigen System oder mit einem Einfachstrom in einem sternförmigen System assoziiert sein könnte.
Der Vektorzusatz der Zeiger der Mitkomponentenspannung 16, der Gegenkomponentenspannung 17 und der Nullkomponentenspannung 18 erzeugen die Zeiger des unsymmetrischen Systems 15. Die Größe der Zeiger der Mit-, Gegen- und Nullkomponentenspannungen für ein bestimmtes unsymmetrisches System 15 mit den Zeigern V'AB, V'BC und V'CA, werden wie folgt errechnet:
Mitkomp.-Spannung =
(V'AB) * (1 0º) + (V'BC) * (1 120º) + (V'CA) * (1 240º)/3 (1)
Gegenkomp.-Spannung =
(V'AB) * (1 0º) + (V'BC) * (1 240º) + (V'CA) * (1 120º)/3 (2)
Nullkomp.-Spannung =
(V'AB) * (1 0º) + (V'BC) * (1 0º) + (V'CA) * (1 0º)/3 (3)
Dabei bedeutet beispielsweise (1 0º) einen Einheitslängenvektor bei einem Phasenwinkel von 0º in bezug auf eine feste Referenz allgemein lotrecht zur Projektionsachse 14, und der '*' Operator ist ein skalares oder punktförmiges Produkt wie:
V&sub1; * V&sub2; = v&sub1;v&sub2; cos θ (4)
wobei θ der Winkel zwischen den Vektoren oder Zeigern ist. Die Ergebnisse der Gleichungen (1) bis (3) sind skalare Zeitfunktionen. Die Größe der Zeiger für jede der symmetrischen Komponenten 16, 17 und 18 ist der Spitzenwert dieser skalaren Funktion während eines Zyklus.
Die Größe von Stromvektoren für den Mitkomponentenstrom, den Gegenkomponentenstrom und den Nullkomponentenstrom können ebenfalls wie folgt errechnet werden:
Mitkomp.-Strom =
(I'A) * (1 0º) + (I'B) * (1 120º) + (I'C) * (1 240º)/3 (5)
Gegenkomp.-Strom =
(I'A) * (1 0º) +(I'B) * (1 240º) + (I'C) * (1 120º)/3 (6)
Nullkomp.-Strom =
(I'A) * (1 0º) + (I'B) * (1 0º) + (I'C) * (1 0º)/3 (7)
Die Ähnlichkeit der Gleichungen für die Komponentenspannungen, die durch die Gleichungen (1)-(3) ausgedrückt werden, und der Komponentenströme, die durch die Gleichungen (5)-(7) ausgedrückt werden, wird benutzt, um die folgende Erörterung zu vereinfachen, bei der "Mitkomponente" sich z. B. auf einen Mitkomponentenstrom oder eine Mitkomponentenspannung bezieht. Die Komponenten der Gleichungen (1)-(3) und (5)-(7) werden allgemein als "symmetrische Komponenten" bezeichnet.
Trotz der Nützlichkeit der Analysen der symmetrischen Komponenten von unsymmetrischen Drehstromsystemen erfordert die Bestimmung der Spannungen in Zusammenhang mit jedem Komponentenzeiger komplexe Vektorberechnungen. Eine solche mathematische Analyse läßt sich leicht mit einem digitalen Computer durchführen, aber die Kosten für Computerhardware, die in der Lage ist, diese Berechnungen in Echtzeit oder nahe Echtzeit durchzuführen, wie dies normalerweise gewünscht wird, sind für viele Anwendungen, bei denen solche Informationen gewünscht werden, viel zu hoch.
Aus diesem Grund ist es bekannt, die für symmetrische Komponentenanalysen benötigte Vektormathematik mit "analoger" Schaltungsanordnung durchzuführen, wobei die Vektormultiplikationen durch Kombinationen von Phasenumkehrungen und Phasenschiebernetzwerken von Kondensatoren und Induktoren näherungsweise ermittelt werden, und die skalaren Additionen werden mit einem Additionspunkt durchgeführt. Solche Analogsysteme sind in der Lage, nahezu in Echtzeit eine Berechnung der symmetrischen Komponenten eines Drehstromsystems durchzuführen, sind jedoch äußerst frequenzempfindlich und geben falsche Zerlegungen, wenn die Frequenz des Drehstroms erheblich von der Frequenz abweicht, mit der die Netzwerke kalibriert wurden.
Die EP-A-0153614 offenbart ein Instrument zum Analysieren der Unsymmetrie in Drehstrom, ausgedrückt durch drei elektrische Signale, die entsprechende Phasen und Amplituden und gemeinsam eine Phasenfolge haben (Seite 1, Zeilen 1-4), umfassend ein Datenerfassungsmittel, das die elektrischen Signale abtastet, um digitalisierte Proben der elektrischen Signale bei einer Mehrzahl von Zeitpunkten zu erzeugen (Seite 11, Zeile 21, Fig. 11, Bezugsziffern 16R, 16S und 16T).
Ein Verfahren zum Analysieren von Unsymmetrie in einem Drehstromsystem mit drei elektrischen Signalen mit entsprechenden Phasen und Amplituden und einer Phasenfolge (Seite S. Zeile 29 bis Seite 6, Zeile 2), umfassend den Schritt des Erfassens digitalisierter Proben der Amplituden der elektrischen Signale zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten (Seite 11, Zeile 22).

Zusammenfassung der Erfindung

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen ein einfaches und potentiell kostenarmes Instrument zum Analysieren von Drehstrom bereit, da er in symmetrische Komponenten zerlegt werden kann, um Unsymmetrie aufzuzeigen. Das Instrument kann in Echtzeit arbeiten.
Das Instrument arbeitet insbesondere mit einem Datenerfassungssystem, das die elektrischen Signale für jeden Stromkreis des Drehstromsystems empfängt. Das Datenerfassungssystem erzeugt digitalisierte Proben der elektrischen Signale in Probenahmeintervallen und speichert diese digitalisierten Proben in einem Computerspeicher, so daß die Probennummer und der Stromkreis der Probe erhalten werden können. Ein Speicherzugriffsbauelement liest Proben aus dem Speicher für jeden der Stromkreise und summiert diese zur Erzeugung symmetrischer Komponentensignale wie z. B. des positiven Spannungssignals. Die summierten Proben werden dann so voneinander nach Probennummer verschoben, daß sich die Phase des elektrischen Signals jeder Probe von der Phase der elektrischen Signale der anderen gelesenen Proben um im wesentlichen 120º unterscheidet.
Daher vermeidet eine Ausgestaltung der Erfindung die Notwendigkeit für komplexe trigonometrische Berechnungen oder ungenaue analoge Netzwerke bei der Berechnung von symmetrischen Komponenten. Durch Speichern der Signale von jedem der drei Stromkreise des Drehstromsystems kann die effektive Vektormultiplikation durch die Berechnung eines Probennummerversatzes und den Zugriff auf Proben realisiert werden, die zu verschiedenen Zeiten genommen wurden. Wenn die abgetasteten Daten der Reihe nach in einem Computerspeicher gespeichert werden, dann entspricht der Probennummerversatz einfach einem Adreßversatz, der sich schnell mit derzeitigen kostenarmen Mikroprozessoren errechnen läßt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung stellt auch Gegen-, Mit- und Nullkomponentenwerte ohne Notwendigkeit für zusätzliche Hardware bereit. Eine Analogschaltung zur Bereitstellung jeder dieser symmetrischen Komponenten würde zusätzliche Schaltungsanordnung für jede Komponente verlangen. In dem vorgeschlagenen Instrument können dieselben gespeicherten Probenwerte der Drehstromsignale benutzt werden, um die Gegen- und Mit- und Nullkomponente des Drehstromsystems einfach durch Justieren der Adreßversätze zu erhalten.
Das Instrument kann einen Nulldurchgangsdetektor zur Ermittlung einer ersten, zweiten und dritten Probe in dem Computerspeicher für den ersten, zweiten und dritten Stromkreis des Drehstromsystems aufweisen, wo die Signale dieser Stromkreise zum erstenmal von negativ auf positiv wechseln. Diese Proben können von einem Phasenfolgenidentifikator empfangen werden, um das Signal des zweiten Stromkreises nur dann als das zweite Signal der Phasenfolge zu identifizieren, wenn die Probennummer der zweiten Probe kleiner ist als die Probennummer der dritten Probe, und um ansonsten das Signal des dritten Stromkreises als das zweite Signal der Phasenfolge zu identifizieren.
Ferner beurteilt das Instrument unsymmetrische Systeme, die an Stromkreisen des Drehstromsystems angeschlossen sein können, ohne Rücksicht auf die Phasenfolge der Signale auf den jeweiligen Leitern. Die Ermittlung der Phasenfolge für den Zweck des Berechnens der symmetrischen Komponenten kann automatisch erfolgen.
Das Instrument kann auch einen Nulldurchgangsdetektor aufweisen, der eine erste und zweite Probe in dem Computerspeicher für einen Stromkreis ermittelt, wo die Werte der Proben zum ersten Mal von negativ auf positiv gewechselt sind. Ein Verhältnisprozessor beurteilt die Zeit, die die erste und zweite Probe voneinander trennt, und bestimmt eine entsprechende Zeit zwischen Proben, die um 120º Signalphase voneinander getrennt sind. Diese entsprechende Zeit wird von dem Speicherzugriffsbauelement benutzt, um die richtigen Proben zum Errechnen der symmetrischen Komponenten zu wählen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung stellt somit ein System zum Messen von Unsymmetrie in einem Drehstromsystem bereit, das gegenüber Frequenzänderungen robust ist. Die Erfassung der Nulldurchgänge der elektrischen Signale macht es möglich, die Probenzeit genau auf den Phasenwinkel der Wellenform zu beziehen. Nach der Bestimmung dieser Beziehung kann der Versatz in der Probenadresse so eingestellt werden, daß Drehstromsysteme verschiedener Frequenzen aufgenommen werden können.
Die obengenannten sowie andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. In der Beschreibung wird auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, die einen Bestandteil davon bilden und bei denen hier zur Illustration eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gezeigt wird. Eine solche Ausgestaltung repräsentiert nicht unbedingt den vollen Umfang der Erfindung. Aus diesem Grund ist für ein Verständnis des Umfangs der Erfindung auf die beiliegenden Ansprüche Bezug zu nehmen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Wicklungen eines Drehstromgenerators und der entsprechenden Spannungen, die von diesem Generator erzeugt werden, wie durch ein Zeigerdiagramm und das zugehörige Kurvendiagramm von Spannungsamplitude gegenüber Zeit gemäß der Beschreibung im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" oben dargestellt ist;
Fig. 2 ist eine bildliche Darstellung der Zerlegung eines Zeigerdiagramms eines unsymmetrischen Drehstromsystems in eine Mitkomponente, eine Gegenkomponente und eine Nullkomponente, ebenfalls wie durch Zeigerdiagramme repräsentiert und oben im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschrieben ist;
Fig. 3 ist ein Verdrahtungsdiagramm des Anschlusses des Instruments der vorliegenden Erfindung, wenn es in ein Modul einer programmierbaren Steuerung eingebaut ist, an zwei Drehstromquellen;
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm des Instruments von Fig. 3 mit einem Datenerfassungssystem zum Abtasten der Stromkreise eines Drehstromsystems, das eine Mikrosteuerung und einen zugehörigen Direktzugriffspeicher aufweist, der diese Proben empfängt;
Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Programms, das auf der Mikrosteuerung von Fig. 4 abläuft, um eine Analyse der symmetrischen Komponenten bei der Beurteilung von Unsymmetrie in Drehstromsystemen durchzuführen;
Fig. 6 ist ein Plot von Spannung gegenüber Zeit für ein hypothetisches Drehstromsystem, das von dem Instrument der Fig. 3 und 4 überwacht wird und das die Probenintervalle zeigt, bei denen Daten bei der Datenerfassung von Fig. 4 abgetastet werden; und
Fig. 7 ist eine Darstellung einer Tabelle von Proben, die in dem Speicher von Fig. 4 gespeichert sind, und das Punkte des Nulldurchgangs für jedes der drei elektrischen Signale von Fig. 6 zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung

Gemäß Fig. 3 ist der Drehstrommonitor 20 der vorliegenden Erfindung in ein Modul 22 für die Verwendung in einer programmierbaren Steuerung 19 (nicht dargestellt) eingebaut. Programmierbare Steuerungen 19, wie sie jede durchschnittliche Fachperson kennt, sind spezialisierte Computer für die Verwendung in einer industriellen Umgebung und sind in den US-Patenten Nr. 3,810,118; 3,942,158; 4,165,534 und 4,442,504 beschrieben, die jeweils auf die Zessionarin der vorliegenden Erfindung übertragen wurden.
Der Monitor 20 hat Verbindung mit einer Rückwand 23 der programmierbaren Steuerung 19 durch einen Steckverbinder 20, um Betriebsstrom zu erhalten und um mit anderen Modulen zu kommunizieren, die möglicherweise in der programmierbaren Steuerung 19 enthalten sind, wie z. B. dem Prozessormodul und miteinander verbundenen Ein- und Ausgangs- (E/A) Modulen (nicht dargestellt).
Eine Fronttafel 24 des Monitors 20 enthält Statusanzeigelampen 26, die den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltungsanordnung des Monitors 20 anzeigen, und Steckverbinder 28 und 30, die einen Anschluß des Monitors 20 an Drehstromquellen ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Steckverbinder 30 ist ein entfernbarer Anschlußblock, wie er in dem hiermit durch Bezugnahme eingeschlossenen US-Patent Nr. 4,151; 583 gelehrt wird. Der Steckverbinder 28 ist vom Schraubtyp, der ein versehentliches Abtrennen der daran angeschlossenen Leitung verhindert, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Während des Betriebs ist der Monitor 20 an einen Drehstrombus 32, der im allgemeinen Bestandteil des Stromnetzes eines zentralen Versorgers ist, und an einen lokalen Drehstromgenerator 10 angeschlossen. Die Geschwindigkeit des lokalen Drehstromgenerators 10 wird typischerweise von der programmierbaren Steuerung 19 bestimmt, die Steuersignale von anderen E/A-Modulen zu der Steuerschaltungsanordnung des Drehstromgenerators (nicht dargestellt) überträgt.
Drei Leiter des Busses 32 und entsprechende drei Leiter des Drehstromgenerators 10 sind über einen Schalter 34 verbunden, so daß der Drehstromgenerator 10 den Strom vom Bus 32 ergänzen kann. Ein Schließen des Schalters 34 verlangt, daß die Drehstromsysteme des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 perfekt synchronisiert und im wesentlichen symmetrisch sind, ansonsten wird durch den Anschluß des Schalters 34 ein potentiell schädlicher hoher Stromfluß zwischen dem Drehstromgenerator 10 und dem Bus 32 erzeugt.
Der Monitor 20 erhält Spannungsinformationen von jedem der Leiter des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 über Anschlüsse am Steckverbinder 30. Der Monitor 20 erhält Strominformationen vom Bus 32 und vom Drehstromgenerator 10 durch Stromtransformatoren 36, die induktiv mit den Leitern 11 des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 gekoppelt sind. Leitungen von diesen Stromtransformatoren 36 sind an den Steckverbinder 28 angeschlossen, der, wie bemerkt, so aufgebaut ist, daß ein versehentliches Abtrennen des sekundären der Stromtransformatoren 36 von dem Steckverbinder 28 und dem Monitor 20 verhindert wird, während Strom in dem primären der Stromtransformatoren 36 fließt. Bei solchen Abtrennungen besteht die Gefahr eines Überschlags oder einer Lichtbogenbildung am sekundären der Stromtransformatoren 36.
Durch die Anschlüsse am Steckverbinder 28 und 30 kann der Monitor 20 die Spannungen an und die Stromflüsse in jedem der Stromkreise des Drehstromsystems des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 überwachen.
Gemäß Fig. 4 gehen die einzelnen Strom- und Spannungseingänge von dem Bus 32 und dem Drehstromgenerator 10 zu den Steckverbindern 28 und 30 in Eingangsschaltungen 40 ein, die Überspannungs- und -stromschutz zu der Schaltungsanordnung des Monitors 20 durch Dioden- und Kondensatornetzwerke 41 und 42 bieten. Eingangsschaltungen 40 beinhalten auch Filter 43, um hochfrequente Oberwellen und Rauschen von den elektrischen Signalen jedes Stromkreises zu beseitigen, die die nachfolgenden Nulldurchgangs-Phasenmessungen beeinträchtigen könnten, wie nachfolgend beschrieben wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Filter 43 Butterworth-Tiefpaßfilter fünfter Ordnung mit geschaltetem Kondensator und einer Abschaltfrequenz von 96 Hz.
Die Ausgänge jeder Eingangsschaltung 40 gehen in einen Eingang eines Multiplexers 44, der nacheinander jeden der zwölf Strom- und Spannungseingänge von den drei Stromkreisen des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 mit Eingängen eines A/D-Wandlers 46 unter der Steuerung der Steuer- und Synchronisationsschaltungsanordnung 48 verbindet. Der kombinierte Betrieb des Multiplexers 44 und des A/D-Wandlers 46 tastet die elektrischen Signale der Drehstromkreise ab, um digitalisierte Probenwerte zu erzeugen, die in einem FIFO-Pufferspeicher 50 gespeichert werden.
Sowohl der Multiplexer 44 als auch der A/D-Wandler 46 als auch der FIFO-Speicher werden durch die Steuer- und Synchronisationsschaltungsanordnung 48 koordiniert, um eine ausreichende Anzahl von Proben zu speichern, um einen vollständigen Zyklus des ersten elektrischen Signals in der Phasenfolge jeder Drehstromquelle ("die erste Phase") und einen vollständigen Zyklus nach dem ersten Nulldurchgang der ersten Phase in positiver Richtung der elektrischen Signale aufzuzeichnen, die die zweite und die dritte Phase der Phasenfolge umfassen.
In der bevorzugten Ausgestaltung werden für jeden Zyklus der Drehstromsysteme jedes der an den Monitor 20 angeschlossenen zwölf Stromkreise 64 Proben genommen. Der FIFO-Pufferspeicher 50 ist so bemessen, daß er über diese Anforderung hinausgeht, und hat eine Speicherkapazität von vier Kilobyte.
Die Steuer- und Synchronisationsschaltungsanordnung 48 erhält die benötigten kompletten Zyklen der zwölf Signale, die drei Stromkreise der beiden Quellen des Busses 32 und des Drehstromgenerators 10 repräsentieren, gemessen nach Spannung und Strom, und stoppt dann die Probenahme und sendet ein Signal zu einer Mikrosteuerung 52, um anzuzeigen, daß Daten erfaßt wurden. Die Mikrosteuerung 52 liest den FIFO-Pufferspeicher 50 in seinen angeschlossenen Direktzugriffsspeicher ("RAM") 54 ein, um die gewünschten symmetrischen Komponenten zu ermitteln, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Ergebnisse dieser Zerlegung können der programmierbaren Steuerung 19 über die Rückwand 23 (von Fig. 3) über die Rückwandschnittstelle 56 kommuniziert werden, die in dem hiermit durch Bezugnahme eingeschlossenen US-Patent 5,065,314 beschrieben ist. Die Daten aus der Analyse der symmetrischen Komponenten können von der programmierbaren Steuerung 19 für Steuerzwecke benutzt oder protokolliert oder über einen an der programmierbaren Steuerung 19 angeschlossenen Terminal angezeigt werden. Für diesen Zweck geeignete Terminals sind im US-Patent 4,527,450 beschrieben. Die Mikrosteuerung 52 steuert auch das Leuchten von Lampen 26. Die Mikrosteuerung 52 ist eine Universalmikrosteuerung, wie sie beispielsweise von Intel Corporation aus Santa Clara in Kalifornien hergestellt wird.
Bezugnehmend auf die Fig. 6 und 7, für beide Drehstromquellen 32 und 10 werden Proben 60 von jedem der drei elektrischen Signale 66 in Verbindung mit den drei Phasen in Probenahmeintervallen 62 genommen, die zeitlich durch Δt regelmäßig voneinander beabstandet sind. Die Proben 60 haben die Amplituden der elektrischen Signale 66 zum Zeitpunkt des Probenahmeintervalls 62. Die Proben 60 sind im RAM 54 so angeordnet, daß jede Probe anhand einer Probennummer identifiziert werden kann, die dem Probenahmeintervall 62 entspricht und die eine laufende ganze Zahl ist, die mit Null beginnt und bis N, dem letzten Probenahmeintervall, fortläuft. Jede Probe 60 wird auch durch ihr elektrisches Signal 66 [sic...*1] und somit durch den Stromkreis identifiziert, von dem die Probe 60 genommen wurde. Diese Identifikation kann äußerst einfach durch Anordnen der Proben an Adressen im RAM 54 durchgeführt werden, die sich auf die Probennummer 61 und die elektrischen Signale 66 beziehen. Es ist jedoch klar, daß die Probennummer und elektrische Signale als spezifische Daten gespeichert werden können, die mit den Daten der Proben 60 unabhängig von der absoluten Adresse der Proben 60 verbunden sind. Zu Erläuterungszwecken wird davon ausgegangen, daß die Proben 60 in einer Datenanordnung im RAM 54 angeordnet sind, mit "Spalten" nach Probennummer 61 und mit Reihen nach elektrischem Signal 66.
Im allgemeinen ist die Position der elektrischen Signale 66 innerhalb der Phasenfolge des Drehstroms nicht bekannt, so daß die Signale einfach jeweils als I, II und III anstatt mit VAB, VBC und VCA, identifiziert werden. Proben, die für jeden der Stromkreise der Drehstromquellen 32 und 10 in einer Reihe genommen wurden, die eine Probennummer gemeinsam haben, wurden während eines einzigen Probenahmeintervalls 62 und demzufolge gleichzeitig erhalten.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 5, um die Analyse der symmetrischen Komponenten durchzuführen, liest die Mikrosteuerung 52 die Proben aus dem FIFO-Pufferspeicher 50 in bezug auf den Bus 32 oder den Drehstromgenerator 10 und entweder in bezug auf die Spannung oder den Strom des jeweiligen Bauelementes in den RAM 54 ein (siehe Fig. 7). Dieses Einlesen der Proben aus dem FIFO-Puffer 50 in den Speicher des Mikroprozessors 52 wird im Prozeßblock 100 angedeutet. Nach dem Einlesen der Werte für jede der Proben 60 des gewählten Drehstromparameters und -systems in den RAM 54 liest die Mikrosteuerung 52 bei Prozeßblock 102 die Proben 60 für jedes Signal 66 der Reihe nach durch, um eine Probennummer 104 zu identifizieren, bei der das abgetastete elektrische Signal 66 zum erstenmal in positiver Richtung Null überquert. Diese Probennummer 104 wird als Nulldurchgang bezeichnet. Es können für jedes Signal I, II oder III ein oder mehrere solcher Nulldurchgangsproben identifiziert werden.
Da in dem vorliegenden System davon ausgegangen wird, daß die Stromkreise des Drehstromsystems willkürlich in bezug auf ihre Phasenfolge an den Klemmen des Monitors 20 angeschlossen sind, sind die Signale I, II und III möglicherweise nicht die erste, zweite und dritte Phase des Drehstromsystems. Die richtige Reihenfolge der Signale I, II und III wird somit bei Prozeßblock 105 festgestellt, indem die erste Nulldurchgangsprobe 104 des Stromkreises I und die ersten Nulldurchgangsproben 104' und 104" in den Stromkreisen II und III nach dieser Probe 104 des Stromkreises I gefunden werden.
Die Probennummern der Proben 104' und 104" von Signalen II und III werden mit der Probennummer von Probe 104 verglichen, und wenn die Probennummer von Probe 104" von Signal II kleiner ist als die Probennummer von Probe 104" von Signal III, dann wird davon ausgegangen, daß Signal II in der nächsten Phase in der Phasenfolge hinter der durch Signal I repräsentierten Phase liegt. In diesem Fall wird davon ausgegangen, daß Signal III in der dritten Phase dieser Folge liegt. Umgekehrt, wenn die Probennummer von Probe 104" von Signal III kleiner ist als die Probennummer von Probe 104' von Signal II, dann wird davon ausgegangen, daß Signal III mit der zweiten Phase in der Phasenfolge nach der Phase von Stromkreis I verbunden ist, und es wird davon ausgegangen, daß Signal II die dritte Phase dieser Folge ist. Diese Reihenfolge der Signale 66 wird von der Mikrosteuerung 52 für die Verwendung bei späteren Berechnungen gespeichert.
Bei Prozeßblock 106 beurteilt die Mikrosteuerung 52 die Frequenz f des Drehstromsystems in bezug auf die Abtastrate 1/Δt. Dies erfolgt durch Identifizieren der ersten und zweiten benachbarten, in positiver Richtung durch Null gehenden Probennummer der Probe 104 und 104" von Signal I. Diese Probennummern werden verglichen, und ihre Differenz, mit 360 bezeichnet, ist die Anzahl von Proben 60 pro 360º Phase der Signale 66.
Eine Division von 360º durch 360 ergibt die Gradzahl pro Probenahmeintervall 62. Diese Zahl wird mit 120º multipliziert, so daß sich die Anzahl von Proben pro 120º Phase des gemessenen Drehstromsystems ergibt, ausgedrückt als Probenversatz, &sub1;&sub2;&sub0;. Dieser Probenversatz, &sub1;&sub2;&sub0; wird benutzt, um entsprechende Proben 60 von Signalen I, II und III zu identifizieren, die benötigt werden, um eine Mit-, Gegen- und Nullkomponente für das Drehstromsystem zu entwickeln. Spezifischer ausgedrückt, beginnend mit Probennummer Null, wird die Mitkomponentenspannung ("PSV") gemäß der folgenden Formel entwickelt:
PSV [n] = VAB[n] + VBC[n + &sub1;&sub2;&sub0;] + VCA[n + 2 &sub1;&sub2;&sub0;] (8)
Dabei ist PSV[n] der Wert der Mitkomponentenspannung für jede Probennummer n, und VAB[n] ist die Probe n der Spannung des ersten Signals der Phasenfolge der drei Phasen (gemäß Ermittlung bei Prozeßblock 105), und VBC[n + &sub1;&sub2;&sub0;] und VCA[n + 2 &sub1;&sub2;&sub0;] sind Proben, die um &sub1;&sub2;&sub0; und zweimal &sub1;&sub2;&sub0; für das zweite und dritte Signal der drei Phasen verschoben sind.
Ebenso können, wie durch Prozeßblock 108 angedeutet ist, Gegenkomponentenspannung und -strom ("NSV, NSI") sowie Nullkomponentenspannung und -strom ("ZSV, ZSI") mit Hilfe der folgenden Formeln erhalten werden:
NSV[n] = VAB[n] + VBC[n + 2 ] + VCA[n + ] (9)
ZSV[n] = VAB[n] + VBC[n] + VCA[n] (10)
PSI[n] = IA[n] + IB[n + ] + IC[n + 2 ] (11)
NSI[n] = IA[n] + IB[n + 2 ] + IC[n + ] (12)
ZSI[n] = IA[n] + IB[n] + IC[n] (13)
Jeder dieser errechneten Werte werden in einer separaten Anordnung im RAM 54 gespeichert.
Bei Prozeßblock 110 wird der Effektivwert (RMS) der oben beschriebenen und im RAM 54 gespeicherten Mit-, Gegen- und Nullkomponentenwerte wie folgt errechnet:
RMS(S[n])=
1/3Δt(S²[0] + 4(S²[1]) + 2(S²[2]) + ... + 2(S²[N - 2]) + 4(S²[N - 1]) + S²[N]
wobei S[n] der nte Wert einer beliebigen einen der Folgen von Gleichungen (8) - (13) oben und S²[n] dieser Wert zum Quadrat ist. Formel (14) implementiert die RMS- Berechnung mit der Simpsonschen Regel, die eine akkuratere Charakterisierung des Bereiches unter der Kurve der Quadratwerte ergibt.
Somit können die RMS-Werte für jede symmetrische Folge ermittelt werden. Die resultierenden RMS-Werte werden an die programmierbare Steuerung 19 über den Steckverbinder 24 am Modul 22 übermittelt und können über an der programmierbaren Steuerung angeschlossene Peripheriegeräte gespeichert oder angezeigt werden, wie im allgemeinen in der Technik verstanden wird, um einen Datensatz und eine Anzeige des Zustands des Drehstroms von Bus 32 und Drehstromgenerator 10 zu geben.
Der durchschnittlichen Fachperson werden viele Modifikationen und Variationen in der bevorzugten Ausgestaltung offensichtlich sein, die weiterhin in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt. So ist es beispielsweise offensichtlich, daß zusätzliche Proben für eine verbesserte Genauigkeit erhalten werden können. So kann beispielsweise ein beliebiger Bezugspunkt in den Wellenformen verwendet werden, nicht nur ein Nulldurchgang in positiver Richtung. Es ist ebenfalls klar, daß bei einer bestimmten Probenahmerate diese Interpolation zwischen Proben benutzt werden kann, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern. Um die Öffentlichkeit über die verschiedenen Ausgestaltungen zu informieren, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen können, werden die nachfolgenden Ansprüche gestellt.

Claims

1. Instrument zum Analysieren von Unsymmetrie in Drehstrom, ausgedrückt durch drei elektrische Signale, die entsprechende Phasen und Amplituden und gemeinsam eine Phasenfolge haben, umfassend:

ein Datenerfassungsmittel (44-50), das die elektrischen Signale abtastet, um digitalisierte Proben der elektrischen Signale bei einer Mehrzahl von Zeitpunkten zu erzeugen;

einen elektronischen Speicher (54), der mit dem Datenerfassungssystem in Verbindung steht, um die digitalisierten Proben gemäß einer Probennummer in bezug auf den Zeitpunkt der Probe und gemäß dem elektrischen Signal der Probe zu speichern;

Speicherzugriffsmittel (52) zum Lesen digitalisierter Proben im elektronischen Speicher an unterschiedlichen Probennummern, so daß sich die Phase des elektrischen Signals jeder Probe von der Phase der elektrischen Signale der anderen gelesenen Proben um im wesentlichen 120º, unterscheidet; und

Additionsmittel (52) zum Addieren der Werte der gelesenen Proben, um ein symmetrisches Folgesignal zu erzeugen, das die Symmetrie des Drehstromsystems repräsentiert.

2. Instrument nach Anspruch 1, bei dem die Phase der Probe in Verbindung mit dem zweiten elektrischen Signal der Phasenfolge hinter der Phase der Probe in Verbindung mit dem ersten elektrischen Signal der Phasenfolge um 120º nacheilt, und bei dem das Additionsmittel ein Folgesignal erzeugt, das ein positives Folgesignal ist.

3. Instrument nach Anspruch 2, das zusätzlich ein Effektivwert-Errechnungsmittel (52) zum Empfangen des positiven Folgesignals und zum Erzeugen einer positiven Folgenummer enthält, die der Effektivwert des positiven Folgesignals ist.

4. Instrument nach Anspruch 1, bei dem die Phase der Probe in Verbindung mit dem dritten elektrischen Signal der Phasenfolge hinter der Phase der Probe in Verbindung mit dem ersten elektrischen Signal der Phasenfolge um 120º nacheilt, und bei dem das Additionsmittel ein Folgesignal erzeugt, das ein negatives Folgesignal ist.

5. Instrument nach Anspruch 4, das zusätzlich einen Effektivwert-Kalkulator (52) zum Empfangen des negativen Folgesignals und zum Erzeugen einer positiven Folgenummer enthält, die der Effektivwert des negativen Folgesignals ist.

6. Instrument nach Anspruch 1, bei dem das Datenerfassungssystem digitalisierte Proben erzeugt, die Stromflußwerte in Leitern des Drehstromsystems sind.

7. Instrument nach Anspruch 1, bei dem das Datenerfassungssystem digitalisierte Proben erzeugt, die Spannungswerte über Leiter des Drehstromsystems sind.

8. Instrument nach Anspruch 1, bei dem das Speicherzugriffsmittel folgendes umfaßt:

einen Nulldurchgangsdetektor zum Finden einer ersten und einer zweiten Probennummer von Proben im elektronischen Speicher, bei denen Werte der digitalisierten Probe für ein bestimmtes elektrisches Signal zuerst die Polarität wechseln, die erste und die zweite Probennummer in Verbindung mit Proben, die um 360º Phase des elektrischen Signals getrennt sind;

ein Verhältnisprozessor zur Beurteilung der Zeit, die die erste und die zweite Probennummer trennt, und zum Ermitteln einer entsprechenden Zeit zwischen Proben, die um 120º Phase des elektrischen Signals getrennt sind;

wobei das Speicherzugriffsmittel diese entsprechende Zeit benutzt, um digitalisierte Proben im elektronischen Speicher für jedes der elektrischen Signale zu lesen, so daß sich die Phase des elektrischen Signals aller Proben von der Phase der elektrischen Signale der übrigen gelesenen Proben um im wesentlichen 120º unterscheidet.

9. Instrument nach Anspruch 1, bei dem das Speicherzugriffsmittel folgendes umfaßt:

einen Nulldurchgangsdetektor zum Finden einer ersten, zweiten und dritten Probennummer von Proben im elektronischen Speicher, bei denen Werte einer Probe für jedes erste, zweite und dritte elektrische Signal jeweils zuerst von negativ zu positiv wechseln;

einen Phasenfolgenkenner zum Identifizieren des ersten elektrischen Signals als das erste elektrische Signal der Phasenfolge und das zweite elektrische Signal als das zweite elektrische Signal der Phasenfolge nur dann, wenn die zweite Probennummer vor der dritten Probennummer ist.

10. Verfahren zum Analysieren von Unsymmetrie in einem Drehstromsystem mit drei elektrischen Signalen mit entsprechenden Phasen und Amplituden und einer Phasenfolge, umfassend die folgenden Schritte:

Erfassen digitalisierter Proben der Amplituden der elektrischen Signale zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten;

Speichern der digitalisierten Proben an Speicheradressen gemäß einer Probennummer in bezug auf den Zeitpunkt der Probe und gemäß dem elektrischen Signal der Probe;

Lesen des Speichers zum Identifizieren einer ersten und einer zweiten Probennummer, bei denen Werte der digitalisierten Probe für ein bestimmtes elektrisches Signal zuerst von negativ auf positiv wechseln;

Beurteilen der Zeit, die die Proben der ersten und der zweiten Probennummer trennt, um eine entsprechende Zeit zwischen Proben zu ermitteln, die um 120º Phase des elektrischen Signals getrennt sind;

Nutzen dieser entsprechenden Zeit, um digitalisierte Proben im elektronischen Speicher für jedes der elektrischen Signale zu lesen, so daß sich die Phase des elektrischen Signals der jeweiligen Proben von der Phase der elektrischen Signale der übrigen gelesenen Proben um im wesentlichen 120º unterscheidet;

Addieren der Werte der gelesenen Proben zum Erzeugen eines Folgesignals, das die Symmetrie des Drehstromsystems repräsentiert.

11. Verfahren zum Analysieren von Unsymmetrie in einem Drehstromsystem mit drei elektrischen Signalen mit entsprechenden Phasen und Amplituden und einer Phasenfolge, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Erfassen digitalisierter Proben der Amplituden der elektrischen Signale zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten;

(b) Speichern der digitalisierten Proben an Speicheradressen gemäß einer Probennummer in bezug auf den Zeitpunkt der Probe und gemäß dem elektrischen Signal der Probe in einem elektronischen Speicher;

(c) Lesen des Speichers zum Finden einer ersten, zweiten und dritten Probennummer im elektronischen Speicher, bei denen Werte einer Probe für Jedes erste, zweite und dritte elektrische Signal jeweils von negativ auf positiv wechseln;

(d) Identifizieren des ersten elektrischen Signals als das erste elektrische Signal der Phasenfolge und das zweite elektrische Signal als das zweite elektrische Signal der Phasenfolge nur dann, wenn die zweite Probennummer vor der dritten Probennummer ist;

(e) Lesen von Proben von dem elektronischen Speicher zum Erhalten eines ersten bis fünften Wertes von Proben für jedes der elektrischen Signale, wobei der erste Wert ein Wert des ersten elektrischen signals der Phasenfolge ist, wobei der zweite und der dritte Wert Werte des zweiten elektrischen Signals der Phasenfolge sind, das der Probe des ersten Wertes jeweils um 120º und 240º nacheilt, wobei der zweite und der dritte Wert Werte des dritten elektrischen Signals der Phasenfolge sind, das der Probe des ersten Wertes jeweils um 240º und 120º nacheilt;

(f) Addieren des ersten, zweiten und vierten Wertes der gelesenen Proben zum Erzeugen eines positiven Folgesignals, das die Symmetrie des Drehstromsystems repräsentiert;

(g) Addieren des ersten, dritten und fünften Wertes der gelesenen Proben zum Erzeugen eines negativen Folgesignals, das die Symmetrie des Drehstromsystems repräsentiert.