DE8807518U1

DE8807518U1 - Wirkleistungs-, Effektivwert- und Oberschwingungsmeßgerät

Info

Publication number: DE8807518U1
Application number: DE8807518U
Authority: DE
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1987-06-12
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1988-08-11

Description

BERGWERKSVERTSAND GMBH VERSUCHSBETRIEBE DER BERGBAU-FORSCHUNG

4300 Eisen 13 (Kray)

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20.05.1988

₈ H.ZGS

Wirkleistungs-, Effektivwert- und Oberschwingungsmeßgerät

Die Neuerung betrifft ein Gerät zur Erfassung des Effektivwertes der Spannung des Stromes, des Mittelwertes der elektrischen Wirkleistung eines oder mehrerer Drehstromverbraucher und des Oberschwingungsgehaltes eines 50-Hz-Neztes mit je zwei Spannungs-. und Stromwandlern und einem Elektronikmodul.

Mit derartigen Meßgeräten soll das Verhalten von Maschinen und Maschinenteilen im Bergbau unter Tage geklärt und überwacht werden. Insbesondere geht es um das Messen physikalischer Größen, die nach Möglichkeit so umgeformt sind, daß die ermittelten Meßwerte entweder vor Ort gespeichert oder aber nach über Tage übertragen werden. Zur Wirkleistungsmessung werden Einrichtungen in Aron-Schaltung verwendet, die aber ein erhebliches Bauvolumen erfordern und von daher im Zusammenhang mit der Überwachung von untertägigen Maschinen nur in Ausnahmefällen Verwendung finden.

Zur Effektivwertmessung sind Geräte grundsätzlich bekannt, die aber bei hohem Oberschwingungsgehalt und schnellen Lastsprüngen nicht zum Einsatz kommen können. Von daher sind auch im untertägigen Bergbau bisher solche Geräte nicht verwendet worden. Im untertägigen Bergbau wird in der Regel bei Asynchronmotoren der aufgenommene Motorstrom erfaßt und im Einzelfall zur Erfüllung von Überwachungs- und Steuerungszwecken auch zu übertägigen Zentralen übertragen. Oabei ist es aber nicht möglich, ai-s dem Stromverlauf von Mehrmotorenantrieben auf einen möglichen Generatorbetrieb eines oder mehrerer Antriebe zu schließen. Es ist außerdem üblich, Planungsaufgaben, wie Antriebsdimensionierungen, mangels vorliegender Leistungsbedarfs-Ermittlungen allein aufgrund von Erfahrungswerten und nach Herstellerangaben auszuführen. Durch dieses Vorgehen bedingt sind Überdimensionierungen nahezu die Regel. Zieht man in Betracht, daß nahezu die gesamte elektrische Wirkleistung über die maschinellen Anlagen in Wärme umgewandelt wird, folgt hieraus eine unnötig hohe, vermeidbare Erwärmung der Grubenwetter. Nachteilig ist, daß die das Energienetz belastenden Oberschwingungen im allgemeinen nur bei der TÜV-Jahresrevision mit einem mobilen Netzanalysator ermittelt werden können, was sehr aufwendig ist. Wünschenswert wäre eine dauernde Erfassung der das Energienetz belastenden Oberschwingungen, was sowohl für die Überprüfung der Belastung des Netzes wie auch für die Ermittlung von Ausgangswerten, wie sie für die Planung von Blindstromkompensations-Anlagen benötigt werden, gilt.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Erfassung des Effektivwertes der Spannung und des Stromes sowie zur Ermittlung des Mittelwertes der elektrischen Wirkleistung von Drehstromverbrauchern und gleichzeitig auch den Nachweis von Oberschwingungen zu schaffen.

Die Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß das Elekironikmodul aus Anpassung und Präzisions-IC-Multiplizierern mit nachgeschaltetem Bessel-Tiefpass vierter Ordnung und zwei Echt-Effektivwert-ICs mit zugeordneten Filter besteht, wobei die einzelnen Bauteile auf einer Grundplatine angebracht und in einem Relaisgehäuse angeordnet sind und daß auf die Grundplatine eine Zusatzplatine zur Oberschwingungsmessung aufgesteckt ist, die einen 50-Hz-Sperrfilter sowie einen zugeordneten Hochpassfilter sechster Ordnung oder bis zu sieben selektive Filter aufweist.

Bei einem derart ausgebildeten Gerät ist es möglich, unter Verwendung von vier handelsüblichen Wandlern die erfaßten Spannungen und Ströme so zu analogen Gleichspannungssignalen umzuformen, daß sie dem Mittelwert der Wirkleistung eines oder mehrerer Verbraucher in beliebig belastenden Drehstromnetzen, dem Effektivwert der Spannung zwischen zwei Außenleitern bzw. dem Strom eines Außenleiters bzw. der Oberschwingungen des Meßwertes (Spannung/Strom) mit hoher Genauigkeit entsprechen.

Die in Form von analogen Gleichspannungssignalen ausgegebenen Ausgangsgrößen (elektrische Wirkleistung, Spannung, Strom, Oberschwingungen) können auch von handelsübli-.; chen Instrumenten vor Ort angezeigt werden. Über vorhandene

' Einrichtungen lassen sich die Ausgangsgrößen bei

ti veränderbarer Abtastrate nach über Tage übertragen und dort

[_ zur Ermittlung der Schein- und Blindleistung des

§ Leistungsfaktors und des Wirkungsgrades der Verbraucher oder

ij des Klirrfaktors rechnergestützt weiterverarbeiten.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung ist vorgesehen, daß auf der Grundplatine über den Trenntransformator, den Brückenfleichrichter und zwei Festspannungsreglern aus der Steuer- »pannung 42 V die stabilisierte Sppnnung zur Versorgung tfer Elektronik gewonnen wird (+_15 V) . Die ftifferenzverstärker passen die Sekundärspannung dor Spannungswandler an die Elektronik an. Zur optimalen Anpassung des Strommeßbereiches sind die beiden tingangsverstärker für die Strommessung umschaltbar ausgebildet. Entsprechend der Aron-Schaltung wird mit zwei fräzisions-IC-Multiplizierern die elektrische Wirkleistung trmittelt. Am Ausgang des nachgeschalteten Besfcel-Tiefpasses vierter Ordnung steht der Mittelwert der Wirkleistung als entsprechende Gleichspannung zur Verfügung. Die Effektivwerte der Spannung und des Stromes Stehen am Ausgang der Echt-Effektivwert-ICs als Gleichspannung zur Verfügung. Den Echt-Effektivwert-IC's ist ein Filter zugeordnet, der für die niedrigste Frequenz Optimal abgestimmt ist.

Auf der Zusatzplatine ist der Sperrfilter für den Frequenzbereich 49,9 bis 50,1 Hz unterdrückend ausgebildet, wodurch eine genaue Ermittlung der Oberschwingungen des Meßwertes als Gleichspannungssignal gesichert ist. Mit nachgeschaltetem Hochpaßfilter sechster Ordnung wird der lEff ektivwert der Oberschwingungen des Meßwertes (Spannung/Strom) oder mit selektiven Filtern, die 3., 5., 7., 11., 13., 17. und 19. Oberschwingung ermittelt. Den filtern ist vorzugsweise ein Verstärker nachgeschaltet, der •uf den Faktor 5 oder 10 umschaltbar ist, so daß am Ausg?·
lies Echt-Ef fektivwert-IC' s mit zugeordnetem F'lter d~s Oberschwingungen als Gleichspannung angezeigt werden können. Dieser Filter ist der Grundplatine angepaßt.

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Eine optimale Auslequng des Elektronikmoduls ist die, bei der der Mittelwert der Wirkleistung eines oder mehrerer Drehstromverbraucher mit einer Genauigkeit von 0,5Si in ein analoges Gleichspannungssignal (0 bis 10 V) mit einer Restwelligkeit von 0,25% und der wahre Effektivwert einer Span- nung zwischen zwei Außenleitern sowie eines Außenleiterstromes auch bei hohem Oberschwingungsgehalt mit einer Genauigkeit von 0,5% in ein analoges üleichspannungssignal mit einer Restwelligkeit von 0,25% umformbar ist. Das Elektonikmodul ist für 50 Hz-Energienetze so dimensioniert, daß die Ausgangsgrößen bei einer Änderung (Sprung) der Meßgrößen um 100% nach einer Ansprechzeit von 70 ms einen zusätzlichen Fehler von weniger als 3%, nach einer Ansprechzeit von 140 ms nur noch einen zusätzlichen Fehler von weniger als 0,2% aufweist. Für die Oberschwingungsmessung gilt entsprechendes, wobei die Grundrchwingung typisch auf 0,?.% unterdrückt wird.

Unter Verwendung angepaßter Wandler ist das Elektronikmodul für Messungen in umrichtergespeisten Energienetzen (Oberschwingungsmessung ausgeschlossen) für Frequenzen oberhalb von 5 Hz so bemessen, daß die Ausgangsgrößen bei einer Änderung (Sprung) der Meßgrößen 100% nach einer Ansprechzeit von 750 ms einen zusätzlichen Fehler von weniger als 3%, nach 1,5 Sek. nur noch einen zusätzlichen Fehler von 0,2% aufweisen. Eine Abstimmung auf andere Frequenzen ist möglich.

Die Neuerung zeichnet sich durch einen hohen technischen Fortschritt aus, da auf einfachste Art und Weise ein optimiertes Meßgerät geschaffen ist, mit dessen Hilfe die insbesondere im untartägigen Bergbau für die Auslegung und überwachung von Antriebssystemen benötigten Werte vorhanden sind.

In naher Zukunft wird der Einsatz moderner Antriebssysteme im Bergbau unter Tage sich weiter stark ausweiten. Die Eingangsschaltungen dieser Antriebssysteme belasten dabei das Energienetz mehr oder weniger mit Oberschwingungen, die nun genau ermittelt werden können, so daß sowohl für die Überwachung des Energienetzes wie auch für die Ermittlung gesicherter Ausgangswerte für die Planung die notwendigen Daten zur Verfugung stehen.

Anhand zweier Figuren wird die Neuerung weiter erläutert. Dabei ist auf die Darstellung der bekannten Spannungs- und Stromwandler verzichtet worden.

Dargestellt ist das Elektronikmodul 1, das zunächst die vorgeordnete Anpassung 2, 3, 4, 5 wiedergibt, über die die eingehende Spannung bzw. der Strom aufgewertet und angepaßt werden. Die beiden Präzisions-IC-Hultiplizierer 6 sind in dieser Schemazeichnung mittig wiedergegeben. Den Präzisionsmultiplizierern 6 ist ein Bessel-Tiefpass vierter Ordnung 7 nachgeschaltet, an dessen Ausgang 10 der Mittelwert der Wirkleistung entsprechend der Aron-Schaltung abgenommen werden kann.

Die Echt-Effektivwert-ICs sind mit 8 bzw. 9 bezeichnet, an deren Ausgang 11 bzw. 12 der Effektivwert der Spannung 12 bzw. des Stromes 1 als Gleichspannung zur Verfugung steht. Der nicht bezeichnete eingebaute Filter ist für die niedrigste Frequenz optimal abgestimmt.

Die bezeichneten Bauteile sind einer Grundplatine 13 zugeordnet, der zusätzlich als Modul eine Zusatzplatine 14 aufgesteckt ist.

Der Zusatzplatine 14 sind die Teile zugeordnet, die das Oberschwingungsmeßgerät ergeben bzw. ergänzen. In dem Oberschwingungsmeßgerät können die Signale der Spannung 12 und des Stromes ¹I jeweils über ein 50-Hz-Sperrfilter weiterverarbeitet werden. Bei ?iner ersten Version ist dem Sperrfilter 15 ein Hochpassfilter sechster Ordnung 16 zugeordnet. Bei einer zweiten Version sind dem Sperrfilter 15 bis zu sieben selektive Filter 17, 18, 19 zugeordnet. Die so gewonnenen Oberschwingungen werden um den Faktor 5 oder 10 mit Hilfe des Verstärkers 20 verstärkt und stehen am Ausgang des Echt-Effektivwert-lCs 21 mit dem zugeordneten Filter als Gleichspannung zur Verfügung.

1	Elektronikmodul
2	Anpassung
3	Anpassung
4	Anpassung
5	Anpassung
6	Prä&zgr;isions-IC-Multiplizierer
7	Bessel-Tiefpass 4. Ordnung
8	Echt-Effekti.vwert IC
9	Echt-Effektivwert IC
10	Ausgang von 7
11	Ausgang von 8
12	Ausgang von 9
13	Grundplatine
14	Zusatzplatine
15	Sperrfiltsr 50 Hz
16	Hochpassfilter 6. Ordnung
17	selektiver Filter
18	selektiver Filter
19	selektiver Filter
20	Vorstärker
21	Echt-Effektivwert IC

Claims

Schutzansprüche:

Gerät zur Erfassung des Effektivwertes der Spannung und des Stromes, des Mittelwertes der elektrischen Wirkleistung eines oder mehrerer Drehstromverbraucher und des Oberschwingungsgehaltes eines 50-Hz-Netzes mit je zwei Spannungs- und Stromwandlern und einem Elektronikmodul dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronikmodul (1) aus Anpassung und Präzisions-IC-Multiplizierern mit nachgeschaltetem Bessel-Tieipass vierter Ordnung und zwei Echt-Effektivwert-lC's mit zugeordnetem Filter besteht, wobei die einzelnen Bauteile auf einer Grundplatine (13) angebracht und in einem Relaisgehäuse angeordnet sind und daß auf die Grundplatine (13) eine Zusatzplatine (14) zur Oberschwingungsmessung aufgesteckt ist, die einen 50-Hz-Sperrfilter (15) sowie einen zugeordneten Hochpassfilter sechster Ordnung (16) oder bis zu sieben selektive Filter (17, 18, 19) aufweist.

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2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungen (2, 3, 4, 5) aus Differenzverstärkern gebildet sind, von denen zwei (4, 5) umschaltbar ausgebildet sind.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrfilter (15) den Frequenzbereich 49,9 - 50,1 Hz unterdrückend ausgebildet ist.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiven Filter (17, 18, 19) die 3., 5., 7., 11., 13., 17. und 19. Oberschwingung durchlassend geschaltet sind.
5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Filtern (17, 18, 19) gin Verstärker (20) nachgeschaltet ist, der auf den Faktor 5 oder 10 umschaltbar ist.
6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronik-Modul so ausgelegt ist, daß die Meßwerte mit einer Genauigkeit von 0,5% in ein analoges Gleichspannungssignal (0 bis 10 V) mit einer Restwelligkeit von 0,25% umformbar sind.
7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile des Elektonik-Moduls (1) auf einer Grunöplantine (13) vorzugsweise der Größe 85 &khgr; 75 mm und einer Zusatzplatine (14) vorzugsweise der Größe 85 &khgr; 45 mm angeordnet und mit die&ei in ein steckbares Gehäuse mit den äußeren Abmessungen 105 &khgr; 30 &khgr; 40 mm eingebaut sind.