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Die Erfindung betrifft eine statische kwh-Messeinrichtung
gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Hinsichtlich des Stands der Technik wird auf die FI-
Patent Nrn. 67,960 und 67,961 (welche WO 85/00893
entsprechen und den Oberbegriff von Anspruch 1
darstellen) Bezug genommen, in welchen statische kWh-
Messeinrichtungen beschrieben werden, die auf einer
Impulsbreiten-/Impulshöhenmultipliziereinrichtung, das
heißt auf einer Zeitunterteilungsmultipliziereinrichtung
beruhen. Die Hauptkomponenten einer derartigen kWh-
Messeinrichtung, das heißt einer
Dreiphasenmesseinrichtung, umfassen mit den Leitungen des
elektrischen Netzes verbundene Elemente zur Erzeugung von
Messsignalen Uu, Ii, welche proportional zu der Spannung
U und zu dem Strom I sind, eine Multiplizierschaltung für
die Ausbildung eines
Impulsbreiten/Impulshöhenmodulierten Signals, das das Produkt der Messsignale
darstellt, und Integrationselemente einer
Wandlerschaltung, welche durch die Ausgabe der
Impulsbreiten/Impulshöhenmultipliziereinrichtung versorgt
werden, von welcher ein zu der Leistung proportionales
Frequenzsignal erlangt wird, wobei das Signal durch eine
Dividierschaltung zu der Zähleinheit der Messeinrichtung
zur Bestimmung der verbrauchten Energie geführt wird.
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Eine derartige bekannte statische kwh-Messeinrichtung ist
gemäß Fig. 1 in der Zeichnung dargestellt. In der
Messeinrichtung wird eine Folge von Abtastimpulsen
ausgebildet, in welchen die Impulsbreite proportional zu
dem Momentanwert der Spannung ist und in welchen die
Impulshöhe proportional zu dem Momentanwert des Stroms
ist, wobei die Fläche der Impulse proportional zu dem
Produkt aus der Spannung und dem Strom, das heißt zu der
Leistung ist. In der Regel ist die Abtastimpulsfrequenz
etwa 10 bis 20 mal höher als die Netzfrequenz. Das
Modulationssignal der Pulsweitenmodulationseinheit bzw.
der Pulsbreitenmodulationseinheit entspricht einem
Signal, das proportional zu der Netzspannung ist, wobei
das Signal durch eine Spannungsteilereinheit ausgebildet
wird. Aus der Pulsbreitenmodulationseinheit wird eine
Impulsfolge erzielt, in der die Breite eines jeden
Impulses proportional zu dem Momentanwert der
Netzspannung ist.
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Angesichts der Messgenauigkeit werden vorzugsweise
Strommesswandler in der bzw. für die Stromform (current
form) verwendet, da in einem derartigen Fall weder
Präzisionswiderstände parallel zu den Sekundärschaltungen
der Strommesswandler notwendig sind, noch sind zweite
Präzisionswiderstände notwendig, durch welche die von den
Abtastverbindungseinheiten empfangenen Spannungsimpulse
in Stromimpulse gewandelt werden, welche zu der
Integrationseinheit des Spannungs-Frequenz-Wandlers
geführt werden. Das Betriebsprinzip eines Spannungs-
Frequenz-Wandlers ist gleichartig zu dem eines Strom-
Frequenz-Wandlers, mit dem Unterschied, dass in einem
Spannungs-Frequenz-Wandler die zu wandelnde Spannung
zunächst in einen Strom gewandelt wird und dieser Strom
zu dem Integrationsverstärker des Wandlers geführt wird.
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Wird ein Strommesswandler in der bzw. für die Stromform
verwendet, darf die Sekundärschaltung des
Strommesswandlers während der Zeit zwischen den
Abtastimpulsen nicht offen bleiben, da die
Sekundärspannung des Strommesswandlers in einem
derartigen Fall sehr hoch werden würde und die
Komponenten der Schaltung zerstören würde. Dies ist der
Grund, warum in der Sekundärschaltung eines
Strommesswandlers die Verwendung von zwei analogen
Schaltern notwendig ist, so dass, wenn der Abtastschalter
sich richtig in dem nicht leitenden Zustand befindet, der
weitere analoge Schalter, welcher die Sekundärschaltung
des Strommesswandlers kurzschließt, in dem leitenden
Zustand ist. Ein derartiges Vorgehen ist beispielsweise
in der US-A-3,794,917 und ebenso in Fig. 2 der Zeichnung
mit Bezug auf die Beschreibung des Stands der Technik
beschrieben.
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In dem in der US-A-4,315,212 beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird der Strommesswandler in der bzw.
für die Spannungsform verwendet, welcher die Verwendung
mehrerer Präzisionswiderstände in der Strommessschaltung
erfordert. Ebenso sind in derartigen Lösungen, die den
Strommesswandler gemäß der Spannungsform verwenden,
zumindest zwei analoge Schalter in der Sekundärschaltung
eines jeden Strommesswandler vorhanden.
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Analoge Schalter haben eine nachteilige Eigenschaft, da
sie eine zusätzliche bzw. eine extra Spannung und extra
Stromimpulse in dem zu messenden Signal erzeugen. Extra
Impulse werden erzeugt, wenn die analogen Schalter
geschlossen und geöffnet werden. Der Impuls, der bei
Öffnung eines analogen Schalters erzeugt wird, hat in der
Regel verglichen mit dem Impuls, der beim Schließen eines
analogen Schalters erzeugt wird, ein entgegengesetztes
Vorzeichen, jedoch sind diese Impulse nicht gleich in der
Größe und heben sich somit ihre gegenseitigen Wirkungen
nicht auf. Durch die Wirkung der Schaltimpulse wird eine
extra Gleichstromkomponente beziehungsweise DC-Komponente
IE in der Messschaltung erzeugt, wobei die DC-Komponente
die Messgenauigkeit insbesondere dann verschlechtert,
wenn der zu der zu messenden Spannung proportionale Strom
IP gering ist. Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Lösung
wird die durch die analogen Schalter erzeugte schädliche
DC-Komponente IE durch ein externes Regelelement
kompensiert.
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Ferner offenbart das Dokument IEEE Transactions on
Intrumentation and Measurement, Jahrgang 39, Nr. 1,
Februar 1990, Seiten 15 bis 18, von P. Filipski, mit dem
Titel "A TDM Wattmeter with 0,5-MHz Carrier Frequency"'
ein
Standart-Zeitunterteilungsmultiplizierbeziehungsweise TDM-Wattmeter mit einer konstanten
mittleren Trägerfrequenz eines synchronisierten
Multivibrators und ohne systematischen Phasenfehler eines
astabilen Multivibrators PWM. Im Einzelnen ist in einer
Sekundärschaltung des Strommesswandlers des Wattmeters
eine Multiplizierschaltung vorgesehen, die mit analogen
Verbindungseinrichtungen verbunden ist, welche durch eine
von einer Pulsbreitenmodulationseinrichtung empfangenen
Impulsfolge gesteuert werden, und wobei von den analogen
Verbindungseinrichtungen empfangene Ströme, die
proportional zu der Leistung sind und entgegengesetzte
Vorzeichen aufweisen, zwei Wandlern zugeführt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer im
Vergleich zu dem Stand der Technik verbesserten
statischen kWh-Messeinrichtung. Insbesondere ist es
Aufgabe der Erfindung eine statische kWh-Messeinrichtung
bereitzustellen, bei dem die in der Messschaltung durch
die Wirkung von Schaltimpulsen erzeugte extra DC-
Komponente IE zuverlässig ohne der Notwendigkeit zur
Verwendung eines externen Regelelements eliminiert werden
kann.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine statische
kWh-Messeinrichtung gemäß dem angefügten Anspruch 1
gelöst.
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In der Erfindung wurde realisiert, den nachteiligen
Effekt des durch die analogen Schalter erzeugten
Gleichstroms IE auf einfache Weise zu lösen, so dass
dieser nachteilige Effekt ohne der Notwendigkeit zur
Verwendung eines externen Regelelements kompensiert wird.
Die Lösung gemäß der Erfindung kompensiert den Effekt der
DC-Komponente IE unter allen Umständen unabhängig von
einer Änderung des Werts von IE, beispielsweise als eine
Funktion der Temperatur oder der Zeit.
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Erfindungsgemäß werden die analogen Schalter, die bereits
in der Sekundärschaltung eine Strommesswandlers vorhanden
sind, so verwendet, dass die Gleichströme +IP und -IP mit
entgegengesetzten Vorzeichen, welche von den analogen
Schaltern empfangen werden und welche der zu messenden
Leistung entsprechen, zu separaten Strom-Frequenz-
Wandlern geführt werden, wobei die von den Wandlern
empfangenen Frequenzen zusammenaddiert werden. Da die
Strom-Frequenz-Wandler mit Steuersignalen
entgegengesetzter Vorzeichen betrieben werden, führt der
extra Gleitstrom IE, der durch das Messsignal der
analogen Schalter erzeugt wird, zu einem Anstieg der
Frequenz eines Strom-Frequenz-Wandlers und zu einer
Abnahme der Frequenz des weiteren Strom-Frequenz-Wandlers
um ein entsprechendes Maß. Somit ist die aufsummierte
Frequenz der Strom-Frequenz-Wandler unabhängig von der in
dem Messstrom aufsummierten extra DC-Komponente.
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Durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ein
zusätzlicher Vorteil erreicht, indem, wenn die Frequenzen
der Strom-Frequenz-Wandler miteinander verglichen werden,
eine Überwachung des Betriebs der kWh-Messeinrichtung
erzielt werden kann und der Benutzer der Messeinrichtung
vor einem Komponentendefekt oder einem weiteren Fehler
gewarnt werden kann, der in der Schaltung aufgetreten
sein kann. Differieren die Frequenzen der Strom-Frequenz-
Wandler voneinander um ein beträchtliches Maß, kann
angenommen werden, dass ein ernsthafter Defekt der
Messelektronik vorhanden ist, und kann in einem
derartigen Fall die Messung der Energie gestoppt werden.
Durch dieses Verfahren wird ein Defekt der kWh-
Messeinrichtung rechtzeitig erfasst und kann eine
fehlerhafte Rechnungsstellung für den Abnehmer der
elektrischen Energie verhindert werden.
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Durch eine Anordnung gemäß der Erfindung wird ein
zusätzlicher Vorteil erlangt, indem in einer kWh-
Messeinrichtung in aktiver Weise kompensierte
Strommesswandler verwendet werden können, deren
Ausgangssignal in der Regel eine geringe DC-Komponente
aufaddiert haben, da die Lösung der Erfindung ein
Summieren eines Gleichstroms IE ermöglicht, der sogar
gleich dem mit der Leistung vergleichbaren Strom IP der
Messstromschaltung sein kann.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Figuren in der angefügten Zeichnung beschrieben, wobei
die Erfindung als nicht auf dieses alleinige
Ausführungsbeispiel beschränkt angesehen wird.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine bekannte statische kwh-Messeinrichtung als
ein Blockschaltbild,
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Fig. 2 eine bekannte statische kWh-Messeinrichtung als
ein Blockschaltbild, wobei die Schaltanordnung der
Multiplizierschaltung detaillierter bezüglich einer Phase
gezeigt wird,
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Fig. 3 eine statische kWh-Messeinrichtung gemäß der
Erfindung als ein Blockschaltbild, wobei die
Schaltungsanordnung der Multiplizierschaltung
detaillierter bezüglich einer Phase gezeigt wird, und
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Fig. 4 ein Schaltbild eines Strom-Frequenz-Wandlers sowie
die an verschiedenen Punkten des Leitungssystems
auftretenden Verläufe.
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Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte bekannte statische kwh-
Messeinrichtung beinhaltet Spannungsteiler 12 und
Strommesswandler 13, welche mit den Leitungen des
elektrischen Netzes verbunden sind, um Messsignale UU, II
proportional zu der Spannung U und zu dem Strom I zu
erzeugen, und eine Multiplizierschaltung 11, 14, um ein
pulsbreiten-/pulshöhenmoduliertes Signal auszubilden, das
das Produkt der Messsignale darstellt. Durch von der
Pulsbreitenmodulationseinheit 11 empfangene
Rechteckwellen werden die in der Sekundärschaltung der
Strommesswandler 13 angeordneten analogen Schalter K&sub1; und
K&sub2; gesteuert und von den Ausgängen der Schalter K&sub1; und K&sub2;
werden Impulse empfangen, deren Höhe proportional zu dem
durch die Messstromschaltung fließenden Strom ist und
deren Breite noch durch die Netzspannung moduliert ist.
Die Impulse werden gefiltert, wodurch ein zu der Leistung
proportionaler Gleichstrom IP erlangt wird, wobei der
Gleichstrom zu dem Strom-Frequenz-Wandler 15 geführt
wird, dessen Prinzipdarstellung in Fig. 4 veranschaulicht
ist.
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Gemäß Fig. 4 besteht der Strom-Frequenz-Wandler 15 aus
einem Integrationsverstärker 21, der das Ausgangssignal
der Multipliziereinheit 11, 14 integriert, sowie aus
einer Anzeigeeinheit 22 des Schwellenpegels, wobei die
Anzeigeeinheit eine Zeitgeberschaltung 23 startet, welche
einen Stromimpuls IKOMP eines zu dem Vorzeichen des
Messsignals entgegengesetzten Vorzeichens zu dem Eingang
der Integrationseinheit 21 führt. Diese Stromimpulse,
welche die Ladung der Integrationskapazität C1
kompensieren, werden dem Eingang der Integrationseinheit
21 umso häufiger zugeführt, je höher der Eingangsstrom IP
ist, der von der Multipliziereinheit 11, 14 bei der
Integrationseinheit 21 ankommt.
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Somit wird von dem Ausgangsanschluss des Strom-Frequenz-
Wandlers 15 eine Impulsfrequenz fP erlangt, die
proportional zu dem zu der Integrationseinheit 21
geführten Gleichstrom IP, das heißt zu der Leistung ist,
wobei die Impulsfrequenz fP durch die Dividiereinheit 16
zu dem Schrittmotor geführt wird, der den Zähler 17 der
Messeinrichtung betätigt. Der Zähler 17 integriert die
Leistung, das heißt zeigt die verbrauchte Energie an.
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Durch den Effekt der Schaltimpulse wird eine extra DC-
Komponente IE in der Messschaltung erzeugt, wobei die
Komponente die Messgenauigkeit verschlechtert,
insbesondere wenn der zu messende Strom gering ist. Gemäß
der Lösung von Fig. 2 wird die DC-Komponente IE durch ein
externes Regelelement 24 kompensiert, von dem ein Strom
-IE
mit entgegengesetztem Vorzeichen und gleicher Größe
zu dem Strom-Frequenz-Wandler 15 geführt wird. Das
Verfahren erfordert ein Regelelement 24 außerhalb der
Schaltung und einen extra Regelvorgang während der
Herstellung der Messeinrichtung. Ebenso kompensiert
dieses Verfahren die Wirkung der DC-Komponente IE nur in
dem Moment und zu der Temperatur, bei der der
Abstimmvorgang ausgeführt wird.
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In der Lösung gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 3
dargestellt ist, werden die Gleichströme +IP und -IP mit
entgegengesetzten Vorzeichen, welche von den analogen
Schaltern K&sub1; und K&sub2; empfangen werden und welche
proportional zu der Leistung sind, zwei Strom-Frequenz-
Wandlern 15a und 15b zugeführt. Da die Strom-Frequenz-
Wandler 15a und 15b mit Steuersignalen mit
entgegengesetzten Vorzeichen betrieben werden, verursacht
der durch die analogen Schalter K&sub1; und K&sub2; in dem
Messsignal erzeugte extra Gleichstrom IE einen Anstieg in
der Frequenz eines Strom-Frequenz-Wandlers und eine
Abnahme der Frequenz des weiteren Strom-Frequenz-Wandlers
um ein entsprechendes Maß. Somit ist die summierte bzw.
aufaddierte Frequenz der Strom-Frequenz-Wandler 15a und
15b unabhängig von der in dem Messstrom aufsurnmierten
extra DC-Komponente IE. Die ausgegebenen Frequenzen f&sub1;
und f&sub2; der Strom-Frequenz-Wandler 15a, 15b werden in der
Summiereinheit 28 aufsummiert und die erzeugte
Summenfrequenz f&sub1;+f&sub2; entspricht der Endfrequenz fP, die
proportional zu der Leistung ist.
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Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; werden zusätzlich zu einer
Frequenzvergleichsschaltung 19 geführt, die einen Alarm
durch Anschalten beispielsweise einer Signallampe 20
ausgibt, falls die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; voneinander um
ein größeres Maß als ein voreingestelltes Maß oder eine
voreingestellte Grenze differieren. Überschreitet die
Differenz der Frequenz eine weitere voreingestellte
Grenze, beendet die Vergleichsschaltung 19 den Betrieb
der Dividierschaltung 16 und verhindert einen Zugang der
Impulse zu der Zähleinheit 17. Anstelle einer Signallampe
20 kann natürlich jede Anzeigevorrichtung oder jeder
weitere Modus oder jede weitere Vorrichtung einer
Fehlererfassung verwendet werden.
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Die kWh-Messeinrichtung gemäß der Erfindung wird
vorzugsweise so ausgeführt, dass die Komponenten 11, 14,
15a, 15b, 16, 18 und 19 zur Messung von Energie und zur
Überwachung als eine maßgeschneiderte bzw. eine auf eine
Anweisung hin hergestellte Mikroschaltung ausgeführt
werden.
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Wie vorstehend angeführt ist lediglich eine Lösung eines
Prinzips der Erfindung beschrieben und ist für einen
Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen
hinsichtlich dieser Lösung in dem Bereich der durch die
angefügten Patentansprüche offenbarten erfinderischen
Idee ausgeführt werden können.