DK200600285U3 - EL-måler med switch mode spændingsforsyning - Google Patents

Description

DK 2006 00285 U3

Fig. 1 DK 2006 00285 U3 EL-MÅLER MED SWITCH MODE SPÆNDINGSFORSYNING Frembringelsens anvendelsesområde

Frembringelsen angår en elektricitets-måler, særligt en el-måler til måling af el-forbrug i flerfasede el-systemer, herunder målere af høj præcision til måling af el-forbrug hos en bruger i et el-forsyningsnetværk i forbindelse med afregning af forbrugt el-energi til eludbyderen.

Kendt teknik

En kendt type målere til måling af elektrisk energi indeholder en målekreds, en til hver fase, som bestemmer elektrisk effekt baseret på at detektere en spænding og en strømstyrke, hvor strømstyrken detekteres som en spænding over en kendt shuntmodstand. Disse målekredse er oftest integrerede målekredse som forsynes med lavspænding og behandler lavspændingssignaler. Strømstyrke måles som spænding over en shuntmodstand i forhold til spændingen på en fase. Derfor kan målekredsen befinde sig direkte på fase-potentialet eller på et andet potentiale hvorfor målespændingen må overføres gennem en galvanisk adskillelse. I flerfase-el-målere må fase-potentialerne holdes adskilt, og galvanisk adskillelse af målestørrelserne eller forsyningen af målekredsløbene er derfor nødvendig.

Normalt inkluderer sådanne målere til flere faser en transformator som transformerer forsyningsspændingen (ofte 50 Hz) ned til et spændingsniveau som er passende til forsyning af et målekredsløb for hver fase, en målerenhed som beregner det samlede elforbrug, samt for eksempel et radiomodul til fjernaflæsning og eventuelt moduler med yderligere funktioner tilknyttet el-måleren.

Ofte anvendes almindelige jernkerne transformatorer til at levere lavspænding til målerkredsløbene. Dette kan være lavspænding til forsyning af målekredsløbene, men transformatoren kan også anvendes til at overføre målespænding mellem galvanisk adskilte potentialer. For at kunne fungere i disse sammenhænge anvendes transformatorer med en høj induktion for ikke at belaste, og samtidig skal transformatoren have en god kobling for at sikre et stabilt forhold mellem ind- og udgangsspænding. Induktionen er proportional med jernets permeabilitet, og hvis jernet mættes falder permeabiliteten betydeligt. Idet transformatoren skal transformere forsyningsspændingens ganske lave frekvens 50 Hz, er den sårbar overfor udefrakommende magnetisk påvirkning hvilket vil ændre permeabiliteten og dermed ødelægge transformatorens tilsigtede egenskaber. Dette forekommer for eksempel i forbindelse med forsøg på omgåelse af el-målingen ved at placere en kraftig magnet tæt på måleren. Herved ændres egenskaberne for jernkernen i transformatoren betydeligt, og resultatet er at det er muligt at påvirke strømmålingen og dermed den samlede el-forbrugsmåling i retning af et detekteret fejlagtigt el-forbrug.

2 DK 2006 00285 U3

Kort beskrivelse af frembringelsen

Med baggrund i ovenstående er det således ønskeligt at tilvejebringe en el-måler til måling af el-forbrug i el-net med flere faser, hvor el-måleren er immun eller tilnærmelsesvis immun overfor udefrakommende magnetisk påvirkning.

Dette og andre formål opfyldes med en el-måler til måling af el-forbrug i et elforsyningsnet med en eller flere faser, hvor el-måleren omfatter - et målekredsløb for hver af den ene eller flere faser til måling af elektrisk energi for hver fase, - en spændingsforsyning som forsynes med el fra el-forsyningsnettet, hvor spændingsforsyningen omfatter - et switch mode kredsløb, og - en transformator med en primærvikling der forbundet til udgangen af switch mode kredsløbet, og hvor transformatoren omfatter separate galvanisk adskilte sekundære viklinger til spændingsforsyning af de respektive separate målekredsløb for hver fase.

En af fordelene ved en sådan el-måler er at det er muligt, ved hensigtsmæssig dimensionering af switch mode spændingsforsyningen, at transformatoren på passende vis kan forsyne målekredsløbene selv om egenskaberne for transformatorens kerne påvirkes betydelig med en kraftig magnet. Dette skyldes primært at transformatoren spændingsforsynes fra switch mode spændingsforsyning som fortrinsvis arbejder med en switch frekvens som er væsentligt højere end el-forsyningsnettets 50 Hz, fx 10 kHz eller 100 kHz eller eventuelt højere. Herved bliver kravene til induktion i transformatoren betydeligt reduceret, og resultatet er at el-måleren i langt højere grad er immun overfor udefrakommende påvirkning afen kraftig magnet. For eksempel kan transformatoren have ferritkerne, eller den kan fremstilles helt uden kerne.

I foretrukne udførelser får switch mode kredsløbet desuden feedback om spændingen på en sekundærvikling på transformatoren, sådan at switch mode kredsløbet kan regulere energitilførsel til primærviklingen på transformatoren for at opretholde en konstant spænding på sekundærviklingen. Sådan feedback fra transformatorens sekundærside vil bevirke at forandringer i transformatoren, i hvert fald inden for visse grænser, ikke påvirker udgangsspændingen.

I foretrukne udførelser anvendes transformatoren udelukkende som spændingsforsyning til målekredsløbene for hver fase, men ikke som transformator for målespænding til hver fase. Dette bevirker at udefrakommende påvirkning udelukkende vil kunne påvirke måleresultatet hvis transformatorens egenskaber ændres så meget at spændingsforsyningen ikke kan levere tilstrækkelig spænding til at målekredsløbene kan fungere. Sandsynligheden for dette er betydeligt reduceret med brugen af switch mode spændingsforsyningen i kombination med en transformator med lav induktion og for eksempel feedback som nævnt ovenfor.

3 DK 2006 00285 U3

Idet der er galvanisk adskilte sekundærviklinger til spændingsforsyning af hvert af målekredsløbene for hver af faserne, kan målekredsløbene anvende shuntmodstandsprincippet til måling af strømforbrug.

I foretrukne udførelsesformer omfatter transformatoren yderligere mindst en separat galvanisk adskilt sekundær vikling til spændingsforsyning af yderligere kredsløb i relation til el-måleren, fx et beregningskredsløb til modtagelse af energiforbrugsdata fra hvert af de separate målekredsløb og beregning af et samlet energiforbrug som en sum heraf. Yderligere kredsløb kan også omfatte et radiomodul til trådløs kommunikation af elforbrugsdata, diverse kredsløb til brugerinterface såsom display etc. Beregningskredsløb og yderligere kredsløb kan fortrinsvis forsynes fra én fælles sekundærvikling.

I foretrukne udførelser af el-måleren har den to målekredsløb til måling på hver af to faser, eller tre målekredsløb til måling på hver af tre faser.

I fler-fase el-målere fortrækkes det at spændingsforsyningen er forbundet til alle faser, sådan at spændingsforsyningen, herunder switch mode kredsløbet, spændingsforsynes når der er spænding på blot én af faserne. Herved kan det sikres at beregningskredsløbet spændingsforsynes når der er spænding på blot én af faserne.

El-måleren ifølge frembringelsen er velegnet til alle typer af måling af el-forbrug med høj præcision, dvs. til opsætning hos private forbrugere eller virksomheder som forsynes med el fra en el-udbyder via et el-forsyningsnet.

Kort beskrivelse af figuren I det følgende beskrives en udførelsesform af frembringelsen med reference til Fig. 1 som viser et oversigtsdiagram over en tre-fase-el-måler ifølge frembringelsen.

Detaljeret beskrivelse af figuren

Fig. 1 viser en el-måler til måling af det samlede el-forbrug på de tre faser LI, L2 og L3. N betegner "neutral". Separate målekredsløb for hver af faserne LI, L2, L3 måler og beregner et energiforbrug for hver fase og kommunikerer dette resultat, via en optokobler, til et beregningskredsløb som summerer forbrugsresultaterne for hver af faserne LI, L2, L3 og således beregner et samlet energiforbrug.

Som det ses er der i den viste udførelse yderligere kredsløb forsynet fra samme sekundærvikling som beregningskredsløbet. De yderligere kredsløb kan være et kommunikationsmodul fx et radiomodul koblet til beregningskredsløbet sådan at det samlede energi, og evt. andre data, kan sendes trådløst til tilsvarende målere koblet i et trådløst netværk, eller direkte til en aflæsningscentral.

De separate målekredsløb for hver af de tre faser LI, L2, L3 er direkte koblet til faserne LI, L2, L3 sådan at de kan måle spændingen af hver af faserne LI, L2, L3. Som det er 4 DK 2006 00285 U3 indikeret på Fig. 1 bestemmer målekredsløbene strømstyrken trukket på hver af faserne baseret på shunt-modstandsprincippet. De er derfor koblet direkte til spændingspotentialet for hver fase og må derfor spændingsforsynes separat med galvanisk adskillelse. Som det ses af Fig. 1 har transformatoren T derfor separate sekundærviklinger som er galvanisk adskilt fra hinanden til spændingsforsyning af hvert af målekredsløbene.

Beregningskredsløb, yderligere kredsløb og feedback (optokobler) til switch mode kredsløbet i switch mode spændingsforsyningen, er desuden spændingsforsynet fra en yderligere separat sekundærvikling på transformatoren T, idet denne sekundærvikling er galvanisk adskilt fra sekundærviklingerne til forsyning af målekredsløbene.

Transformatorens T primærvikling oplades med energi fra et tilkoblet switch mode kredsløb som arbejder med en switch frekvens på fortrinsvis 100 kHz eller mere. Som det ses er switch mode kredsløbet forbundet til transformatorens primærvikling, og primærviklingen er forbundet til faserne LI, L2, L3 via dioder sådan at der vil være forsyningsspænding til switch mode kredsløb og beregningskredsløb når blot der er spænding på en enkelt af de tre faser LI, L2, L3.

Et feedback kredsløb er forbundet til samme sekundærvikling som beregningskredsløb og evt. yderligere kredsløb. Feedback kredsløbet er forbundet til switch mode kredsløbet og giver switch mode kredsløbet information om spændingsniveauet som forsyner beregningskredsløbet. Switch mode kredsløbet regulerer da sin energitilførsel til primærviklingen ud fra denne information. Det er valgt at lade switch mode kredsløbet regulere energitilførsel til primærviklingen ud fra den sekundærvikling som forsyner beregningskredsløb og evt. yderligere kredsløb, idet disse kredsløb har det største forbrug, hvorimod målekredsløbene har et lavt forbrug.

Switch mode kredsløbet spændingsforsynes fortrinsvis fra primærviklingen via en integreret højspændingsregulator, alternativt gennem en ekstra sekundærvikling på transformatoren.

Det foretrækkes at transformatoren T har en ferritkerne i kombination med et stort luftgab, sådan at dens primærinduktion højst er 20 gange større med kernen monteret end uden kernen monteret, fortrinsvis er primærinduktionen 5-15 gange større med kernen monteret end uden kernen monteret. Desuden foretrækkes det at dimensionere spændingsforsyningen sådan at den kan levere tilstrækkelig effekt til de tilkoblede kredsløb, dvs. målekredsløb, beregningskredsløb plus eventuelt øvrige kredsløb, uden kerne i transformatoren T. I kombination med den beskrevne feedback kobling af switch mode kredsløbet, betyder det at el-måleren kan fungere omtrent upåvirket af fx udefrakommende påvirkning af et kraftigt magnetfelt.

5 DK 2006 00285 U3

Krav 1. El-måler til måling af el-forbrug i et el-forsyningsnet med en eller flere faser, hvor elmåleren omfatter - et målekredsløb for hver af den ene eller flere faser til måling af elektrisk energi for hver fase, - en spændingsforsyning som forsynes med el fra el-forsyningsnettet, hvor spændingsforsyningen omfatter - et switch mode kredsløb, og - en transformator med en primærvikling der forbundet til udgangen af switch mode kredsløbet, og hvor transformatoren omfatter separate galvanisk adskilte sekundære viklinger til spændingsforsyning af de respektive separate målekredsløb for hver fase.

2. El-måler ifølge krav 1, hvor transformatoren yderligere omfatter mindst en separat galvanisk adskilt sekundærvikling til spændingsforsyning af yderligere kredsløb i relation til el-måleren.

3. El-måler ifølge krav 2, hvor de yderligere kredsløb omfatter et beregningskredsløb til modtagelse af energiforbrugsdata fra hvert af de separate målekredsløb og beregning af et samlet energiforbrug som en sum heraf.

4. El-måler ifølge krav 3, hvor switch mode kredsløbet får feedback om spændingen på den mindst ene separate sekundærvikling til spændingsforsyning af beregningskredsløbet, og hvor switch mode kredsløbet anvender denne feedback til regulering af energitilførsel til primærviklingen på transformatoren.

5. El-måler ifølge et af krav 2-4, hvor de yderligere kredsløb omfatter et radiomodul til trådløs kommunikation af el-forbrugsdata.

6. El-måler ifølge et af de foregående krav, hvor målekredsløbene for hver af de to eller flere faser måler strømforbrug ved hjælp af en shunt modstand.

7. El-måler ifølge et af de foregående krav, som omfatter to målekredsløb til måling af elektrisk energi for hver af to faser, og hvor transformatoren omfatter to sekundærviklinger til forsyning af de respektive to målekredsløb.

8. El-måler ifølge et af kravene 1-6, som omfatter tre målekredsløb til måling af elektrisk energi for hver af tre faser, og hvor transformatoren omfatter tre sekundærviklinger til forsyning af de respektive tre målekredsløb.

6 DK 2006 00285 U3 9. El-måler ifølge et af de foregående krav, hvor switch mode kredsløbet anvender en switch frekvens på 10 kHz eller mere.

5 10. El-måler ifølge krav 9, hvor switch mode kredsløbet anvender en switch frekvens på 100 kHz eller mere.

11. El-måler ifølge et af de foregående krav, hvor spændingsforsyningen er forbundet til to eller flere faser, sådan at switch mode kredsløbet spændingsforsynes når der er spænding 10 på blot én af de to eller flere faser.

12. El-måler ifølge et af de foregående krav, hvor switch mode kredsløbet og transformatoren er dimensioneret sådan at spændingsforsyningen kan levere tilstrækkelig effekt til at drive målekredsløb og beregningskredsløb uden kerne i transformatoren.

15 13. El-måler ifølge et af de foregående krav, hvor transformatoren har en kerne, og hvor transformatoren er designet med et luftgab så stort at en primærinduktion i transformatoren med kernen monteret er mindre end 20 gange større end den tilsvarende primærinduktion for transformatoren uden kernen monteret.

20 14. El-måler ifølge krav 13, hvor transformatorens kerne er en ferrit-kerne.

DK 2006 00285 U3

Fig. 1