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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strommeßschaltung, die einen wechselweise
gekoppelten Transformator sowie eine Integrationsschaltung umfaßt, die das Signal des
wechselweise gekoppelten Transformators integriert.
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Die Verwendung wechselweise gekoppelter Transformatoren (auch als induktiv
gekoppelte Transformatoren bekannt) zum Messen von Strömen besitzt im Vergleich zu
anderen Meßvorrichtungen bestimmte Vorteile. Insbesondere im Gebiet der
Elektrizitätsmessung vermeidet die Verwendung eines wechselweise gekoppelten Transformators
die Probleme der Sättigung durch Gleichströme, die bei Eisenkern-Transformatoren
entstehen, außerdem ermöglicht sie die Messung des Stroms getrennt von anderen
Messungen, beispielsweise Messungen des Stroms auf den anderen Phasen eines mehrphasigen
Netzes. Wechselweise gekoppelte Transformatoren weisen jedoch ein besonderes
Problem auf, da das durch den Transformator gelieferte Signal die Ableitung des
gemessenen Stroms ist. Deswegen erfordert die Verwendung eines wechselweise gekoppelten
Transformators eine Integrationsschaltung für die Verarbeitung des Signals.
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Eine Meßschaltung, die einen wechselweise gekoppelten Transformator enthält, und
eine Integrationsschaltung sind in der Patentanmeldung EP 0 403 330 beschrieben. Die
Integrationsschaltung dieser Anmeldung ist besonders geeignet, um niederfrequente
Signale und parasitäre Gleichstromsignale zu unterdrücken, die am Ausgang
herkömmlicher Integrationsschaltungen erzeugt werden können.
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Häufig werden Signale, die eine Messung eines Stroms darstellen, durch einen
Analog/Digital-Umsetzer für eine spätere Verarbeitung umgesetzt. Eine bekannte Technik
zum Verbessern der Auflösung eines Analog/Digital-Umsetzers nutzt ein zu dem
gemessenen Signal addiertes Zittersignal vor der Umsetzung durch den Umsetzer. Dieses
Zittersignal kann ein Zufallssignal oder ein periodisches Signal, beispielsweise ein
Dreiecksignal oder ein Signal in Form einer Rampe sein. Bei Verwendung dieser Technik kann
der Wert des gemessenen Signals durch eine Analyse der umgesetzten Werte des Signals
mit einer Auflösung, die feiner als jene ist, die normalerweise in den verfügbaren
Quantisierungsschritten des Umsetzers möglich wäre, bestimmt werden. Die Prinzipien der
Zittertechnik sind seit langem bekannt und Beispiele von Meß- und
Kommunikationssystemen, die ein Zittersignal für die Verbesserung der Leistung eines Umsetzers
verwenden, sind in US 4 187 466, EP 0 181 719 und EP 0 613 256 beschrieben. Das Patent
EP 0 181 719 beschreibt insbesondere die Grundlagen eines Systems, das zu dem
Stromsignal vor der Umsetzung ein dreieckiges Zittersignal addiert.
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Es wäre daher wünschenswert, ein System zum Messen von Strömen zu besitzen, das
die Vorteile eines wechselweise gekoppelten Transformators mit jenen kombiniert, die
mit der Verwendung eines Zittersignals einhergehen. Die Erzeugung eines Zittersignals
kann in bezug auf die Kosten der Komponenten und die Komplexität des Systems, von
dem es erzeugt wird, Probleme aufweisen. Die vorliegende Erfindung zielt auf die
Schaffung eines Systems, das die Vorteile der beiden Techniken vereint, jedoch die Probleme
der Komplexität und der Verdoppelung von Komponenten vermeidet.
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Hierzu ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung
ferner eine Zittersignalschaltung umfaßt, die ein im wesentlichen rechteckiges Signal zu
dem Signal vom Transformator addiert, bevor es in die Integrationsschaltung eingegeben
wird, damit die Integrationsschaltung ein Signal erzeugt, das den gemessenen Strom
repräsentiert und durch ein im wesentlichen dreieckiges Zittersignal gestört ist.
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Im allgemeinen ist ein quadratisches Signal nicht als Zittersignal geeignet, es kann
jedoch in einer elektronischen Schaltung beispielsweise am Ausgang eines
Mikroprozessors einfach erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltung, in der ein
durch ein dreieckiges Zittersignal moduliertes Stromsignal erzeugt wird, das zu einem
Analog/Digital-Umsetzer geschickt werden kann, sie vermeidet aber die Verdoppelung
der Komponenten aufgrund der Tatsache, daß die Integrationsschaltung die beiden
Funktionen der Integration des Signals von dem wechselweise gekoppelten
Transformator sowie der Erzeugung eines Zittersignals ausführt.
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Wie oben beschrieben worden ist, kann der Wert des vom Transformator gemessenen
Signals dann nach der Umsetzung durch die Schritte der Signalverarbeitung mit einer
Auflösung, die feiner als jene ist, die lediglich mit einem Analog/Digital-Umsetzer
möglich wäre, berechnet werden.
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Die Integrationsschaltung kann ein digitaler oder analoger Integrator eines
herkömmlichen Typs sein. Vorzugsweise wird jedoch eine Schaltung verwendet, die jener von
EP 0 403 330 ähnlich ist und einen Verstärker mit einem zugeordneten
Verstärkungswiderstand sowie eine Rückkopplungsschleife umfaßt, wobei die Rückkopplungsschleife
einen Rückkopplungskondensator umfaßt und die Integrationsschaltung ferner einen
zweiten Integrator umfaßt, der vor der Rückkopplungsschleife an den Ausgang des
Verstärkers angeschaltet ist.
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Durch diese Mittel unterdrückt die Integrationsschaltung niedrige Frequenzen und
parasitäre Gleichstromsignale, die in herkömmlichen analogen Schaltungen entstehen
können. Vorzugsweise kann die Integrationsschaltung ferner Mittel zum Korrigieren der
Phasenverzögerungen im integrierten Signal, vor allem der durch den
Verstärkungswiderstand des Integrators eingeführten Verzögerung, umfassen, die ein passives Filter
enthalten, das auf der Eingangsseite des Verstärkers angeschaltet ist. Wenn die
Strommeßschaltung einen Teil der Eingangsschaltung eines Elektrizitätsmeßgeräts, das eine
Spannungsmeßschaltung enthält, bildet, kann das passive Filter so dimensioniert sein, daß alle
Phasenverzögerungen zwischen den Spannungs- und Strompfaden durch dieses Filter
korrigiert werden, wobei die Spannung im Netz direkt und ohne Änderung ihrer Phase
gemessen wird. Somit weist der Spannungskanal keine Beschränkungen hinsichtlich der
Verwendung von Komponenten, die für die Phasenkorrektur verwendet werden, auf, was
vorteilhaft ist, falls der Spannungskanal auch für die Übermittlung von Daten verwendet
wird.
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Wie oben diskutiert worden ist, wird von einer elektronischen Schaltung eine
quadratische oder rechteckige Welle einfach erzeugt. In einer Ausführungsform kann das
rechteckige Signal unter Verwendung eines impulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals)
erzeugt werden, das an einem Ausgang eines Mikroprozessors bereitgestellt wird und
über ein Umschaltmittel, das wenigstens einen Signalspeicher umfaßt, um die mittlere
Frequenz des PWM-Signals zu teilen und um die quadratische Welle zu erzeugen,
geschickt wird.
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Die Verwendung eines Zittersignals mit einer einfachen dreieckigen Signalform kann
Probleme im Zusammenhang mit der Beziehung zwischen der Amplitude des Signals
und den Quantisierungsschritten des Umsetzers zur Folge haben. Insbesondere entsteht
ein Problem, wenn die Amplitude des Zittersignals nicht gleich einer ganzen Zahl von
Quantisierungsschritten des Umsetzers ist. Um diese Probleme zu beseitigen, liefert die
Zitterschaltung vorzugsweise ein rechteckiges Signal, das ferner durch ein
Modulationssignal moduliert wird. Dieses Signal wird dann integriert, um zu einem modulierten
dreieckigen Signal zu werden.
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Die Verwendung eines Signals mit dieser Form beseitigt die Probleme im
Zusammenhang mit den Differenzen zwischen der Amplitude des nicht modulierten dreieckigen
Signals und den Quantisierungspegeln des Umsetzers. Das Modulationssignal führt
nämlich in die umgesetzten Werte eine Komponente ein, die von den Differenzen zwischen
der Amplitude des dreieckigen Signals und den Quantisierungsschritten des Umsetzers
abhängt und die nach der Umsetzung in der gleichen Verarbeitungsoperation, die das
Zittersignal unterdrückt, beispielsweise durch Verwendung eines Dezimierungsfilters,
unterdrückt werden kann.
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Vorzugsweise wird das Modulationssignal ebenfalls unter Verwendung des PWM-
Signals des Mikroprozessors erzeugt. In einer Ausführungsform können die beiden
Grenzen des Modulationssignals unter Verwendung zweier Integrationsschaltungen
erzeugt werden, die das PWM-Signal (und seine Umkehrung) integrieren, um jede Grenze
zu erzeugen. Es ist jedoch möglich, die Anzahl der verwendeten Komponenten weiter zu
reduzieren. Vorzugsweise umfaßt die Zitterschaltung einen Integrator, der das
impulsbreitenmodulierte Signal integriert, um ein dreieckiges Signal zu erzeugen, das eine
Grenze des Modulationssignals repräsentiert, wobei dieses Signal an Schaltmittel
geliefert wird, um ein im wesentlichen rechteckiges Signal mit nur einer Grenze zu erzeugen,
die sich gemäß dem Signal vom Integrator ändert, wobei die Zitterschaltung ferner ein
Filter umfaßt, das niederfrequente Komponenten von dem Signal filtert, um ein
Rechtecksignal zu schaffen, das symmetrisch moduliert ist.
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Wenn das modulierte rechteckige Signal vor dem Filterungsschritt betrachtet wird,
umfaßt es eine Frequenzkomponente, die der Frequenz des rechteckigen Signals
entspricht, und eine niederfrequente Komponente, die dem dreieckigen Signal entspricht
und die eine der beiden Grenzen des rechteckigen Signals moduliert. Dieses Filter beseitigt
niederfrequente Komponenten, wobei das Signal eine symmetrische Form annimmt,
derart, daß die beiden Grenzen des Signals gleich moduliert sind.
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Die Erfindung wird am besten verstanden im Lichte der folgenden Beschreibung
einer Ausführungsform der Erfindung, die als erläuterndes und nichtbeschränkendes
Beispiel gegeben wird, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird,
worin:
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Fig. 1 ein Beispiel einer Eingangsschaltung für ein Elektrizitätsmeßgerät zeigt, die
eine Strommeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt;
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Fig. 2 die Schritte des Erzeugens des Zittersignals zeigt, das zu dem von der
Schaltung nach Fig. 1 gemessenen Stromsignal addiert wird.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Eingangsschaltung für ein Elektrizitätsmeßgerät
gemäß dieser Ausführungsform eine Strommeßschaltung, die eine Zitterschaltung 1 und
eine Integrationsschaltung 2 umfaßt, die das Signal von einem induktiv gekoppelten
Transformator 3 (wechselweise gekoppelten Transformator), das mit einer von der
Zitterschaltung gelieferten rechteckigen Signal kombiniert ist, integriert, eine
Spannungsmeßschaltung 4 und einen Analog/Digital-Umsetzer 5.
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Die Zitterschaltung 1 umfaßt einen Signalspeicher 6, der das PWM-Signal eines
dieser Schaltung zugeordneten Mikroprozessors empfängt. Der Signalspeicher teilt die
mittlere Frequenz des PWM-Signals, um eine quadratische Welle zu erzeugen. Das
Modulationssignal wird durch den Schalter 8 erzeugt, der die Referenzspannung Vref als
Antwort auf das PWM-Signal des Mikroprozessors so kappt, daß nach der Filterung
durch den Widerstand und den Kondensator 9 bzw. 11 und nach der Addition der
Referenzspannung Vref durch die Widerstände 9, 10 und 12 das modulierte Vref-Signal
erzeugt wird. Dieses Signal wird in eine dreieckige Form mit der Frequenz des PWM-
Takts und mit einer Modulationstiefe, die von der Beziehung
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R12/(R9 + R10)
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abhängt, moduliert.
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Dieses Signal wird dann durch den zweiten Schalter 7 als Antwort auf die
quadratische Welle, die durch das durch den Signalspeicher 6 geschickte PWM-Signal erzeugt
wird, gekappt, um ein asymmetrisch moduliertes quadratisches Signal zu schaffen. Der
Kondensator 13 dient zur Angleichung der Anstiegs- und Abfallzeiten des
Modulationssignals.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird dieses Signal, das an seiner oberen Grenze moduliert
ist, durch eine Symmetrisierungsschaltung bearbeitet, die einen Kondensator 15, der die
niedrigen Frequenzen beseitigt, die das modulierte quadratische Signal asymmetrisch
machen, um ein trapezförmig moduliertes quadratisches Signal zu erzeugen, und
Widerstände 16, 17 sowie einen Kondensator 18, die die Störung des vom Kondensator 15
ausgegebenen trapezförmigen Signals kompensieren, umfaßt. Die
Symmetrisierungsschaltung, die die Komponenten 15 bis 18 umfaßt, bildet faktisch ein Bandpaßfilter, das die
Frequenz der quadratischen Welle und ihre ersten Harmonischen durchläßt und die
Frequenzen, die die symmetrische Form des Signals stören, sperrt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist,
wird auf diese Weise ein moduliertes und symmetrisches quadratisches Signal erzeugt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Strommeßschaltung einen wechselweise
induktiven Transformator 3, dessen Signal die Ableitung des Stroms darstellt, der in der Phase
F1 eines Wechselstromnetzes fließt. Dieses Signal wird an die Integratorschaltung 2 und
danach an den Analog/Digital-Umsetzer 5 geliefert. Die Integrationsschaltung 2 umfaßt
einen Verstärker 20 mit einer Rückkopplungsschleife, die aus einem Kondensator 21 und
einem Widerstand 22 gebildet ist, die die Integration des Signals des Transformators
steuern. Die Schaltung umfaßt ferner einen Kopplungskondensator 23, der an den
Ausgang des Verstärkers vor der Rückkopplungsschleife angeschaltet ist und die
Charakteristik der Schaltung ändert, um niedrige Frequenzen und Gleichstromsignale zu
unterdrücken, sowie einen Verstärkungsbegrenzungswiderstand 24, der die Sättigung des
Verstärkers verhindert. An den Ausgang der Schaltung ist vor dem Umsetzer 5 ein
Spannungsteiler 24, 25 angeschaltet. Diese Elemente der Schaltung entsprechen der in EP 0 403 330
beschriebenen Schaltung, die ein Signal liefert, das dem Integral des Signals des
Transformators ohne parasitäre Effekte und Verzerrungen des Signals entspricht.
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Die Strommeßschaltung bildet einen Teil einer Eingangsschaltung eines
Elektrizitätsmeßgeräts, die ferner eine Spannungsmeßschaltung 4 umfaßt, die ihrerseits einen
Spannungsteiler enthält, der zwei Widerstände 26, 27 aufweist. Die Eingangsschaltung
der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von jener der Schaltung von EP 0 403 330
dadurch, daß im Spannungssignalpfad kein Phasenkorrekturelement vorhanden ist, wobei
der Kondensator 28 lediglich dazu dient, unerwünschte hohe Frequenzen zu dämpfen.
Das heißt, daß die Phasenkorrekturelemente durch den Kondensator 29 und den
Widerstand 30 gebildet sind, die in Kombination mit den Widerständen 22 und 31 dahingehend
wirken, daß die Phase im Strompfad korrigiert wird, so daß die Strom- und
Spannungspfade am Eingang des Analog/Digital-Umsetzers in Phase sind. Der Strompfad umfaßt
ferner einen Kondensator 32, der unerwünschte hohe Frequenzen dämpft. Die
Kondensatoren 28 und 32 sind optional und können in anderen Ausführungsformen weggelassen
sein.
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Das Signal von der Zitterschaltung wird zu dem vom Transformator 3 empfangenen
Signal addiert und zu der Integrationsschaltung am Punkt 33 geliefert. Die Kombination
der Signale wird anschließend integriert, um ein Signal zu erzeugen, das das Bild des
Stroms darstellt, der durch den Transformator gemessen wird und durch ein Zittersignal,
das die Form einer trapezförmig modulierten dreieckigen Welle hat, verzittert ist. Die
Amplitude der Signalform und des modulierten Signals werden so gewählt, daß ein
Zittersignal erzeugt wird, das ein dreieckiges Signal 30 mit einer Amplitude umfaßt, die
mehreren Quantisierungsschritten des Umsetzers entspricht und bei jeder Grenze durch
eine Amplitude moduliert wird, die wenigstens der Hälfte eines Quantisierungsschrittes
entspricht. Das Signal wird anschließend zum Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers
geliefert. Wie oben in der Einleitung beschrieben worden ist, verbessert die Verwendung
eines Signals mit dieser Form die Auflösung des Signals durch den Umsetzer. Nach dem
Umsetzungsschritt kann das Zittersignal unter Verwendung eines digitalen
Dezimierungsfilters oder anderer bekannter Mittel, beispielsweise durch die Umsetzung des
analogen Zittersignals in ein digitales Signal und die Subtraktion dieses Signals von dem die
kombinierten Werte des Stroms und des Zittersignals darstellenden Signals entfernt
werden. Das Strom- und Spannungssignal, das auf diese Weise berechnet worden ist, kann
bei der Berechnung der verbrauchten Energie und dergleichen verwendet werden.