EP1723435A1 - Energiez hleranordnung und verfahren zum kalibrieren - Google Patents

Energiez hleranordnung und verfahren zum kalibrieren

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Publication number
EP1723435A1
EP1723435A1 EP05733931A EP05733931A EP1723435A1 EP 1723435 A1 EP1723435 A1 EP 1723435A1 EP 05733931 A EP05733931 A EP 05733931A EP 05733931 A EP05733931 A EP 05733931A EP 1723435 A1 EP1723435 A1 EP 1723435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase
energy meter
meter arrangement
signal
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05733931A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Fritz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Publication of EP1723435A1 publication Critical patent/EP1723435A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/133—Arrangements for measuring electric power or power factor by using digital technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/06—Arrangements for measuring electric power or power factor by measuring current and voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/04—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass of instruments for measuring time integral of power or current

Definitions

  • the present invention relates to an energy meter arrangement and a method for calibrating the energy meter arrangement.
  • Energy meters are used to record used or generated electrical energy. Such energy meters are also referred to as electricity meters or kilowatt hour meters.
  • voltage dividers In order to obtain signals proportional to electrical voltage and electrical current, voltage dividers, voltage converters, current converters or other means for signal decoupling can be used.
  • phase shift results on the one hand between the output signal and the input signal of the transformer.
  • the phase shift also results between the signal representing the current and the voltage.
  • this causes undesirable measurement errors when multiplying voltage and current.
  • voltage and current are usually not available as DC signals, but rather as AC signals with a more or less harmonic signal form.
  • RC networks which include resistors and capacitors could be used.
  • resistors and capacitors could be used.
  • these usually have to be implemented as additional external components and usually cannot be integrated with the disadvantage.
  • this does not fundamentally solve the problem of tolerances related to production and temperature.
  • an energy meter arrangement comprising
  • a first input for supplying a signal derived from a voltage, to which a first analog / digital converter is connected, which has an output
  • a second input for supplying a signal derived from a current, to which a second analog / digital converter is connected, which has an output
  • phase evaluation block with two inputs, which are coupled to the outputs of the two analog / digital converters, and with an output, which is coupled to a control input of a phase correction block, and
  • the phase correction block which is coupled to an output of one of the two analog / digital converters, is designed for correction of a phase deviation of the digitized signal derived from a current or a voltage.
  • a phase shift between the input of the energy meter arrangement, at which a signal derived from an electrical voltage is supplied, and that input of the energy meter arrangement, at which a signal derived from an electrical current is supplied, is detected and compensated for.
  • the signal inputs for supplying the signal derived from the voltage and the signal derived from the current can also be referred to as input channels, namely voltage channel and current channel.
  • the phase evaluation and correction is advantageously carried out entirely in digital signal processing.
  • phase evaluation block and the phase correction block advantageously bring about a so-called on-chip phase correction of the energy meter arrangement without external components.
  • the phase deviation between the two input channels can be measured by applying an identical input signal to both inputs.
  • a sine signal to both is preferred
  • the zero crossings of both digitized signals can advantageously be compared with the phase evaluation block.
  • an evaluation of the respective phase positions of the signal peak values of the digitized signals is also advantageously possible.
  • phase difference From the time interval between the zero crossings of the two signals can be advantageous, for example be effected by a logic unit in the phase evaluation block. With the phase difference determined, it is then possible without any problems to correct exactly this phase difference in one of the two channels.
  • the phase correction value can advantageously be stored in the phase evaluation block so that the correction value is also available in normal operation after the calibration mode.
  • the proposed energy meter arrangement can advantageously be implemented very inexpensively.
  • the proposed, integrable energy meter arrangement is therefore particularly well suited for mass production.
  • the time required to calibrate the energy meter arrangement according to the proposed principle is particularly short.
  • the phase difference between the two input channels can be determined within only one period of the input signal, preferably the test signal.
  • the period can be easily calculated from the reciprocal of the respective signal frequency.
  • the signal frequency for energy meters is usually 50 Hertz or 60 Hertz, depending on national standards.
  • a phase deviation between the input signals of the energy meter arrangement already present as digital signals is detected.
  • the phase error is also corrected in the field of digital signal processing.
  • the phase evaluation block advantageously includes means for permanently storing a phase correction value.
  • the means for permanently storing a phase correction value is preferably designed as a non-volatile memory, for example as an EEPROM.
  • phase correction value determined in a calibration operating mode Due to the permanent storage of the phase correction value, the phase correction value determined in a calibration operating mode is still available even after the energy meter arrangement has been switched off and on again.
  • the analog / digital converters are each advantageously designed as a sigma-delta converter or as a sigma-delta modulator. This makes it possible to sample the input signals, which are derived from voltage and current, with high resolution and easy integration.
  • An integrator which integrates the signal provided by the multiplier is advantageously provided at the output of the multiplier.
  • the integrator can advantageously be designed as an accumulator.
  • the integrator is advantageously designed in such a way that it receives the signal provided by the multiplier, which is the instantaneous represents electrical power, integrated into a signal which is a measure of the electrical energy consumed or generated.
  • the first and the second analog / digital converter, the phase correction block and the phase evaluation block are further preferably formed in integrated circuit technology.
  • the sigma-delta converter as well as further function blocks and / or components in the signal processing chain of the energy meter arrangement can, if present, be advantageously formed in integrated circuit technology.
  • the energy meter arrangement can advantageously be implemented in a single integrated semiconductor circuit.
  • the output of a transformer can advantageously be connected, which brings about a galvanic separation.
  • a non-galvanic transformer can advantageously be a transformer.
  • a means for generating a test signal is preferably provided, which is coupled to the first and the second input of the energy meter arrangement.
  • the means for generation of the test signal is advantageously designed such that the test signal is fed in at the input of the transmitter or coupling element.
  • the inputs can be switched between a useful signal mode and a calibration mode in which the inputs are connected to the means for generating the test signal.
  • a digital filter is preferably connected downstream of the analog / digital converters.
  • the digital filters advantageously each have a control input for controlling the sampling rate of the digitized signal.
  • a change in the sampling rate can advantageously be carried out between the normal operating mode and the calibration operating mode.
  • the phase correction block can advantageously comprise one of the digital filters.
  • the means for generating the test signal can advantageously be activated in a calibration mode, while it can be deactivated in the normal mode, that is to say in the actual energy measurement mode.
  • the task is solved by a method for calibrating an energy meter arrangement with the steps:
  • Digitizing the test signal present at the two inputs determining a phase deviation between the two digitized test signals, - Generation of a phase correction signal and application of the phase correction signal to one of the two digitized test signals.
  • the phase deviation can be determined, for example, by comparing the phase positions of the signal zero crossings of the two signals.
  • the phase deviation can be determined by comparing the phase positions of the peak signal values with one another.
  • the phase deviation can be determined in a particularly precise manner by influencing the sampling rate of the digitized signals in the calibration mode.
  • the sigma-delta oversampling rate can be reduced in the calibration mode, since there is a smaller dynamic range. There is a larger number of samples in a 50 Hertz clock period, so that the accuracy of the determination of the phase deviation is increased.
  • the proposed principle offers the advantage of a significant cost reduction, since no external components are required for the phase correction.
  • calibration can be carried out in a particularly short time, even within a 50-Hertz or 60-Hertz cycle period.
  • the figure is a block diagram of an embodiment of the proposed energy meter arrangement.
  • the figure shows an energy meter arrangement with a first input 1 and a second input 2.
  • the first input 1 is designed to supply a signal derived from an electrical voltage V.
  • the second input 2 is designed to supply a signal derived from an electrical current I.
  • the electrical voltage V and the electrical current I are related to the same signal.
  • the input of a first analog / digital converter 3 is connected to the first input 1.
  • the input of a second analog / digital converter 4 is connected to the second input 2.
  • the analog / digital converters 3, 4 are each designed as sigma-delta modulators. The exit of the first
  • Analog / digital converter 3 is connected to the input of a multiplier 7 via a first digital filter 5.
  • the output of the second analog / digital converter 4 is via second digital filter connected to a further input of the multiplier 7.
  • the second digital filter comprises a phase correction block 6, which has a control input.
  • An integrator 8 is connected to the output of the multiplier 7 and converts a signal present at its input, which is a measure of the instantaneous electrical power P, into a signal which represents the electrical energy E.
  • a phase evaluation block 9 is also provided.
  • the phase evaluation block 9 has a phase position detector 10 for determining the respective phase positions of the signal peak values.
  • the phase position detector 10 has two inputs which are connected to the outputs of the digital filter 5 and the phase correction block 6. Two outputs of the
  • Phase position detectors 10 are connected to two inputs of a phase difference detector 11, which is used to determine the phase deviation.
  • the phase difference detector has a multi-bit wide output.
  • the output of the phase difference detector 11 is at the input of a control block
  • the control block 12 comprises a non-volatile memory 18 in which the measured phase deviation or the associated correction value can be stored permanently.
  • a sampling rate controller 19 has two outputs, which are connected to respective control inputs of the phase correction block 6 with a digital filter and the second digital filter 5. This allows the sampling rate of the second digital filter 5 and the phase correction block 6 with a digital filter be determined. The sampling rate is set depending on the respective operating mode.
  • the energy meter arrangement described so far is arranged on a single chip using integrated circuit technology.
  • a voltage divider 14 is provided, the output of which is connected to the first input 1 of the energy meter arrangement and the input of which is a voltage input 13 for supplying the electrical
  • a transformer 16 is provided, which is connected between a current input 15 and the second input 2 of the energy meter arrangement.
  • the transformer 16 provides galvanic decoupling between the current input 15 and the second input 2.
  • test signal generator 17 The output of a test signal generator 17 is connected to the voltage input 13 and the current input 15.
  • the test signal generator 17 provides a harmonic, in the present case sinusoidal signal with a nominal frequency of 50 or 60 Hertz, depending on the country specification.
  • the voltage divider 14 and the transformer 16 result in different phase shifts for the two input channels of the energy meter.
  • the relative phase difference ⁇ between the two input channels at the inputs 1, 2 of the energy meter arrangement is of particular importance. This phase deviation ⁇ is determined with the phase evaluation block 9.
  • phase deviation ⁇ is determined in a calibration mode by the test signal generator 17 is activated and accordingly in each case feeds an in-phase, sinusoidal signal at the voltage input 13 and the current input 15. This signal experiences a different phase shift in the voltage divider 14 and the transformer 16.
  • the relative phase deviation ⁇ at the inputs 1, 2 is determined in the phase evaluation block 9 in the detectors 10, 11 in that the time period between the zero crossings or peak values of the two signals is detected at the inputs of the phase evaluation block 9 and into a corresponding one Phase deviation is converted.
  • a corresponding correction value is provided by the control block 12 and output at the output of the phase evaluation block 9. This controls a phase correction block 6 in the digital filter that just compensates for the phase difference ⁇ .
  • the oversampling rate of the sigma-delta modulators is relatively high.
  • a suitable signal-to-noise ratio can also be achieved in this way.
  • the oversampling rate of the modulators can be reduced. That means more Samples available within one clock period.
  • the accuracy of the detection of the phase deviation is determined by the frequency of the sampling clock.
  • the power factor in the present case, is defined, in accordance with conventional convention, in such a way that with a power factor of 1, current and voltage are in phase, ie there is a phase shift of 0 degrees between current and voltage. With a phase deviation between current and voltage of, for example, 60 degrees, the power factor is therefore 0.5 and thus corresponds to the cosine of the phase difference.
  • the relative error is calculated with a power factor of 1 and a phase shift of 0.64 degrees according to the regulation
  • the calibration mode is activated once during the production of the energy meter arrangement.
  • Galvanic isolation of at least one channel at the input of the energy meter arrangement is possible without measurement errors occurring as a result.
  • Galvanic insulation is particularly important if more than one channel is measured, as is usual with electrical energy meters.
  • Resistor capacitance networks required for phase correction.
  • the non-volatile memory 18 means that the phase correction value is still available even when the energy counter is switched off.
  • the phase evaluation block 9 advantageously has a clock input which is synchronized with the clock inputs of the sigma-delta modulator. ren 3, 4 is connected. As a result, the clock edges between two zero crossings can be counted and the phase deviation can be determined in a simple and precise manner.
  • the relative phase deviation is recorded at the two outputs of the analog / digital converter in the digital signal range.
  • the phase deviation is also corrected in digital signal processing.
  • phase evaluation block 1 input 2 input 3 analog / digital converter 4 analog / digital converter 5 digital filter 6 digital filter with phase correction 7 multiplier 8 integrator 9 phase evaluation block
  • test signal generator 18 non-volatile memory

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Abstract

Es ist eine Energiezähleranordnung mit zwei Eingängen (1, 2) angegeben, an denen Signale zugeführt werden, welche von einer elektrischen Spannung (V) und einem elektrischen Strom (I) abhängig sind. Diese werden in Analog-/Digital-Wandlern (3, 4) digitalisiert und miteinander verknüpft. Zur Korrektur von Phasenabweichungen, welche durch Mittel zur Einkopplung der Signale (14, 16) verursacht werden können, ist ein Phasenauswertungsblock (9) mit Ausgängen der Analog/Digital-Wandler gekoppelt. Der Phasenauswertungsblock (9) steuert einen Phasenkorrekturblock (6) am Ausgang eines Analog/Digital-Wandlers (4) an. Die Phasenauswertung kann in der digitalen Signalverarbeitung erfolgen. Hierdurch ist mit geringem Aufwand eine kostengünstige Kompensation von Phasenfehlern möglich, so dass bei Vermeidung von Messfehlern eine galvanische Trennung am Eingang möglich ist. Die beschriebene Energiezähleranordnung ist besonders zur Implementierung in integrierter Schaltungstechnik geeignet.

Description

Beschreibung
Energiezahleranordnung und Verfahren zum Kalibrieren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiezahleranordnung und ein Verfahren zum Kalibrieren der Energiezahleranordnung .
Energiezähler dienen zur Erfassung von verbrauchter oder er- zeugter elektrischer Energie. Solche Energiezähler werden auch als Stromzähler oder Kilowattstundenzähler bezeichnet.
Bei elektronisch arbeitenden Energie zählern werden normalerweise Spannung und Strom erfasst, digitalisiert und miteinan- der multipliziert. Nach der Multiplikation steht die momentane elektrische Leistung bereit. Integriert oder akkumuliert man diese elektrische Leistung über der Zeit, so erhält man ein Signal, welches ein Maß für die in einem bestimmten Zeitintervall erzeugte oder verbrauchte elektrische Energie ist.
Um zu elektrischer Spannung und elektrischem Strom proportionale Signale zu erhalten, können Spannungsteiler, Spannungswandler, Stromwandler oder andere Mittel zur Signalauskopplung verwendet werden.
Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, zumindest in einem der beiden Kanäle zur Erfassung von Spannung und Strom eine galvanische Trennung vorzusehen. Eine solche galvanische Trennung der Stromkreise stellt beispielsweise ein Transfor- mator bereit.
Problematisch bei derartigen Transformatoren ist jedoch die von der induktiven Kopplung des Transformators verursachte Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung ergibt sich zum einen zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal des Transformators. Zum anderen ergibt sich die Phasenverschiebung aber auch zwischen dem den Strom und dem die Spannung repräsentierenden Signal. Dadurch werden jedoch unerwünschte Messfehler bei der Multiplikation von Spannung und Strom verursacht. Zu beachten ist hierbei, dass Spannung und Strom meist nicht als Gleichsignale, sondern vielmehr als Wechsel - stromsignale mit mehr oder weniger harmonischer Signalform vorliegen.
Die beschriebene Problematik wird noch zusätzlich dadurch verschärft, dass selbst dann, wenn in Spannungs- und Strom- Messkanal jeweils ein transformatorischer Übertrager einge- setzt wird, dennoch eine nicht exakt vorhersehbare Phasenverschiebung zwischen beiden Eingangskanälen durch Fertigungstoleranzen, Temperatureffekte, Alterungseffekte oder andere, unvermeidbare Effekte einer Massenherstellung verursacht werden kann.
Zur Korrektur der beschriebenen, unerwünschten Phasenverschiebung könnten beispielsweise RC-Netzwerke, welche Widerstände und Kondensatoren umfassen, verwendet werden. Diese müssen jedoch üblicherweise als zusätzliche externe Komponen- ten ausgeführt werden und können normalerweise mit Nachteil nicht integriert werden. Zudem wird die Problematik der fer- tigungs- und temperaturbedingten Toleranzen dadurch nicht grundsätzlich gelöst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit geringem Aufwand integrierbare Energiezahleranordnung sowie ein Verfahren zum Kalibrieren zu schaffen, derart, dass die Spannung und/oder der Strom mit galvanischer Trennung erfasst werde=n können, ohne dass dadurch Messfehler entstehen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Anordnung durch eine Energiezahleranordnung gelöst, aufweisend
- einen ersten Eingang zum Zuführen eines von einer Spannung abgeleiteten Signals, an den ein erster Analog/Digital - Wandler angeschlossen ist, welcher einen Ausgang hat,
- einen zweiten Eingang zum Zuführen eines von einem Strom abgeleiteten Signals, an den ein zweiter Analog/Digital- Wandler angeschlossen ist, welcher einen Ausgang hat,
- einen Multiplizierer, der die Ausgänge der beiden Analog/Digital -Wandler miteinander verknüpft,
- einen Phasenauswertungsblock mit zwei Eingängen, die mit den Ausgängen der beiden Analog/Digital-Wandler gekoppelt sind, und mit einem Ausgang, der mit einem Steuereingang eines Phasenkorrekturblocks gekoppelt ist, und
- den Phasenkorrekturblock, der an einen Ausgang eines der beiden Analog/Digital-Wandler gekoppelt ist, ausgelegt zι_ιr Korrektur einer Phasenabweichung des digitalisierten, von einem Strom oder einer Spannung abgeleiteten Signals.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird eine Phasenverschiebung zwischen dem Eingang der Energiezahleranordnung, an dem ein von einer elektrischen Spannung abgeleitetes Signal zugeführt wird, und demjenigen Eingang der Energiezahleranordnung, an dem ein von einem elektrischen Strom abgeleitetes Signal zugeführt wird, erfasst und kompensiert. Die Signal— eingänge zum Zuführen des von der Spannung abgeleiteten Sicg- nals und des von dem Strom abgeleiteten Signals können aucti als Eingangskanäle, nämlich Spannungskanal und Stromkanal, bezeichnet werden. Die Phasenauswertung und -korrektur wird dabei mit Vorteil vollständig in der digitalen Signalverarbeitung durchgeführt.
Mit der vorgeschlagenen Messung und Kompensation der Phasen- Verschiebung zwischen beiden Kanälen ist es mit Vorteil möglich, die Kanäle voneinander und/oder zumindest einen Eingang von der Energiezahleranordnung galvanisch zu isolieren. Durch den Abgleich der Phasenverschiebung werden Messfehler der Anordnung vermieden. Dabei sind mit Vorteil keinerlei externe Kompensationsnetzwerke wie Widerstands-Kapazitätsnetzwerke zur Phasenverschiebung erforderlich.
Der Phasenauswertungsblock sowie der Phasenkorrekturblock bewirken mit Vorteil ohne externe Komponenten eine sogenannte On-Chip-Phasenkorrektur der Energiezahleranordnung.
Beispielsweise kann in einer Kalibrier-Betriebsart die Phasenabweichung zwischen beiden Eingangskanälen dadurch gemessen werden, dass ein identisches Eingangssignal an beide Ein- gänge angelegt wird. Bevorzugt wird ein Sinus-Signal an beide
Eingänge der Energiezahleranordnung in der Kalibrier- Betriebsart angelegt .
Dabei können mit Vorteil beispielsweise die Null -Durchgänge beider, digitalisierter Signale mit dem Phasenauswertungs- block verglichen werden. Alternativ ist auch eine Auswertung der jeweiligen Phasenlagen der Signal-Spitzenwerte der digitalisierten Signale, englisch: peak, mit Vorteil möglich.
Somit ist es möglich, den. relativen zeitlichen Abstand der
Null-Durchgänge voneinander zu bestimmen. Die Berechnung des Phasenunterschieds aus dem zeitlichen Abstand der Null -Durchgänge der beiden Signale kann mit Vorteil beispielsweise durch eine Logik-Einheit in dem Phasenauswertungsblock bewirkt werden. Mit der ermittelten Phasendifferenz ist es anschließend problemlos möglich, in einem der beiden Kanäle eine Korrektur genau dieser Phasendifferenz durchzuführen.
Der Phasenkorrekturwert kann mit Vorteil im Phasenauswertungsblock abgespeichert werden, damit der Korrekturwert auch nach der Kalibrier-Betriebsart in einem Normalbetrieb zur Verfügung steht .
Dadurch, dass zur Phasenkorrektur keine externen Bauteile benötigt werden, ist die Implementierung der vorgeschlagenen Energiezahleranordnung mit Vorteil sehr kostengünstig möglich. Daher ist die vorgeschlagene, integrierbare Energiezäh- leranordnung besonders gut für eine Massenherstellung geeignet .
Ein zusätzlicher Vorteil ist dadurch gegeben, dass die Zeit, die zur Kalibrierung der Energiezahleranordnung nach dem vor- geschlagenen Prinzip benötigt wird, besonders gering ist. Prinzipiell kann der Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangskanälen innerhalb lediglich einer Periodendauer des Eingangssignals, bevorzugt des TestSignals, bestimmt werden. Die Periodendauer kann dabei in einfacher Weise aus dem Kehr- wert der jeweiligen Signalfrequenz berechnet werden. Die Signalfrequenz bei Energiezählern beträgt üblicherweise 50 Hertz oder 60 Hertz, je nach nationaler Standardisierung.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird eine Phasenabweichung zwischen den bereits als Digitalsignale vorliegenden Eingangssignalen der Energiezahleranordnung erfasst . Die Korrektur des Phasenfehlers erfolgt ebenfalls im Bereich der digitalen Signalverarbeitung. Um eine besonders schnelle Ermittlung der Phasenabweichung zwischen den Eingangskanälen der Energiezahleranordnung zu erzielen, ist es vorteilhaft, den Takteingang des Phasenaus- wertungsblocks mit den Takteingängen der Analog-/Digital- Wandler zu verbinden und so für die Phasenauswertung das Taktsignal der Analog-/Digital-Wandler mit zu verwenden, das ohnehin zum Betrieb der Energiezahleranordnung benötigt wird.
Der Phasenauswertungsblock umfasst mit Vorteil Mittel zum dauerhaften Speichern eines Phasenkorrekturwertes . Das Mittel zum dauerhaften Speichern eines Phasenkorrekturwertes ist bevorzugt als nicht-flüchtiger Speicher, beispielsweise als EEPROM, ausgebildet.
Durch das dauerhafte Speichern des Phasenkorrekturwertes steht der in einer Kalibrierbetriebsart ermittelte Phasenkor- rekturwert auch noch nach einem Aus- und Wiedereinschalten der Energiezahleranordnung zur Verfügung.
Die Analog-/Digital-Wandler sind mit Vorteil jeweils als Sigma-Delta-Wandler oder als Sigma-Delta-Modulator ausgebildet. Dadurch ist eine Abtastung der Eingangssignale, die von Spannung und Strom abgeleitet sind, mit hoher Auflösung bei guter Integrierbarkeit möglich.
Am Ausgang des Multiplizierers ist mit Vorteil ein Integrator vorgesehen, der das vom Multiplizierer bereitgestellte Signal integriert. Der Integrator kann mit Vorteil als Akkumulator ausgebildet sein.
Der Integrator ist mit Vorteil so ausgelegt, dass er das vom Multiplizierer bereitgestellte Signal, welches die momentane elektrische Leistung repräsentiert, zu einem Signal integriert, welches ein Maß für die verbrauchte oder erzeugte elektrische Energie ist.
Weiter bevorzugt sind der erste und der zweite Analog-/Digital-Wandler, der Phasenkorrekturblock und der Phasenauswertungsblock in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet.
Auch die Sigma-Delta-Wandler sowie weitere Funktionsblöcke und/oder Bauteile in der Signalverarbeitungskette der Energiezahleranordnung können, soweit vorhanden, mit Vorteil in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet sein. Die Energiezahleranordnung kann mit Vorteil in einem einzigen integrierten Halbleiterschaltkreis implementiert sein.
Am ersten Eingang der Energiezahleranordnung und/oder am zweiten Eingang der Energiezahleranordnung kann mit Vorteil der Ausgang eines Übertragers angeschlossen sein, der eine galvanische Trennung bewirkt. Ein derartiger, nicht-galvani- scher Übertrager kann mit Vorteil ein Transformator sein.
Die verhältnismäßig großen Phasenabweichungen derartiger Koppelglieder, welche eine galvanische Trennung der Eingänge bewirken, können mit dem vorgeschlagenen Prinzip in besonders einfacher und wirkungsvoller sowie hochgenauer Weise kompensiert werden.
Bevorzugt ist ein Mittel zur Erzeugung eines Testsignals vorgesehen, das mit dem ersten und dem zweiten Eingang der Ener- giezähleranordnung gekoppelt ist.
Soweit Einkoppelglieder vorgesehen sind, wie beispielsweise transformatorische Übertrager, ist das Mittel zur Erzeugung des Testsignals mit Vorteil so ausgebildet, dass das Testsignal am Eingang des Übertragers bzw. Einkoppelgliedes eingespeist wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, eine Umschalt- barkeit der Eingänge zwischen einer Nutzsignalbetriebsart und einer Kalibrierbetriebsart, in der die Eingänge mit dem Mittel zur Erzeugung des Testsignals verbunden sind, vorzusehen.
Bevorzugt ist den Analog/Digital -Wandlern je ein digitales Filter nachgeschaltet. Die digitalen Filter haben mit Vorteil je einen Steuereingang zur Steuerung der Abtastrate des digitalisierten Signals. Insbesondere kann zwischen der Normal- Betriebsart und der Kalibrier-Betriebsart mit Vorteil jeweils eine Veränderung der Abtastrate durchgeführt werden.
Der Phasenkorrekturblock kann mit Vorteil eines der digitalen Filter umfassen.
Das Mittel zur Erzeugung des Testsignals kann mit Vorteil in einer Kalibrierbetriebsart aktivierbar sein, während es in der Normal-Betriebsart , das heißt in dem eigentlichen Energie-Messbetrieb, deaktiviert werden kann.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Energiezahleranordnung gelöst mit den Schritten:
- Einkoppeln eines Testsignals an zwei Eingängen einer Energiezahleranordnung,
- Digitalisieren des an den beiden Eingängen anliegenden Testsignals, - Ermitteln einer Phasenabweichung zwischen den beiden digitalisierten Testsignalen, - Erzeugen eines Phasenkorrektursignals und Beaufschlagen eines der beiden digitalisierten Testsignale mit dem Phasen- korrektursignal .
Die Ermittlung der Phasenabweichung kann beispielsweise durch Vergleich der Phasenlagen der Signal-Nulldurchgänge der beiden Signale erfolgen.
Alternativ kann die Phasenabweichung durch einen Vergleich der Phasenlagen der Signal-Spitzenwerte miteinander ermittelt werden.
Dabei erfolgen sowohl die Bestimmung der Phasenlage, als auch die Ermittlung der Phasenabweichung vollständig in digitaler Signalverarbeitung.
Es können auch andere Verfahren zur Ermittlung einer Phasenabweichung zwischen zwei digitalisierten Signalen zum Einsatz kommen, die in digitaler Signalverarbeitungstechnik implemen- tierbar sind.
Die Ermittlung der Phasenabweichung kann in besonders präziser Weise dadurch erfolgen, dass in der Kalibrier-Betriebsart die Abtastrate der digitalisierten Signale beeinflusst wird.
Beispielsweise kann in der Kalibrier-Betriebsart die Sigma- Delta-Überabtastrate reduziert werden, da ein geringerer Dynamikbereich vorliegt. Es liegt eine größere Zahl von Abtastwerten in einer 50-Hertz-Taktperiode vor, so dass die Genauigkeit der Ermittlung der Phasenabweichung erhöht ist.
Mit Vorteil ist nach der Digitalisierung eine digitale Filterung mit einstellbarer Dezimationsrate vorgesehen. Insgesamt bietet das vorgeschlagene Prinzip den Vorteil einer deutlichen Kostenreduzierung, da zur Phasenkorrektur keine externen Komponenten erforderlich sind. Zudem ist die Durch- führung der Kalibrierung in besonders kurzer Zeit möglich, sogar innerhalb einer 50 -Hertz- oder 60 -Hertz-Taktperiode .
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figur näher erläutert .
Es zeigt :
die Figur ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorgeschlagenen Energiezahleranordnung .
Die Figur zeigt eine Energiezahleranordnung mit einem ersten Eingang 1 und einem zweiten Eingang 2. Der erste Eingang 1 ist ausgelegt zum Zuführen eines von einer elektrischen Spannung V abgeleiteten Signals. Der zweite Eingang 2 ist ausgelegt zum Zuführen eines von einem elektrischen Strom I abgeleiteten Signals. Dabei sind die elektrische Spannung V und der elektrische Strom I auf das gleiche Signal bezogen. An den ersten Eingang 1 ist der Eingang eines ersten Analog-/Digital-Wandlers 3 angeschlossen. An den zweiten Eingang 2 ist der Eingang eines zweiten Analog-/Digital-Wandlers 4 angeschlossen. Die Analog-/Digital-Wandler 3, 4 sind jeweils als Sigma-Delta-Modulator ausgeführt. Der Ausgang des ersten
Analog-/Digital-Wandlers 3 ist über ein erstes digitales Filter 5 mit dem Eingang eines Multiplizierers 7 verbunden. Der Ausgang des zweiten Analog-/Digital -Wandlers 4 ist über ein zweites digitales Filter mit einem weiteren Eingang des Multiplizierers 7 verbunden. Das zweite digitale Filter umfasst einen Phasenkorrekturblock 6, der einen Steuereingang hat. An den Ausgang des Multiplizierers 7 ist ein Integrator 8 angeschlossen, der ein an seinem Eingang anliegendes Signal, welches ein Maß für die momentane elektrische Leistung P ist, in ein Signal konvertiert, welches die elektrische Energie E repräsentiert . Weiterhin ist ein Phasenauswertungsblock 9 vorgesehen.
Der Phasenauswertungsblock 9 weist einen Phasenlagen-Detektor 10 zur Bestimmung der jeweiligen Phasenlagen der Signal- Spitzenwerte auf. Der Phasenlagen-Detektor 10 hat zwei Eingänge, die mit den Ausgängen des digitalen Filters 5 und des Phasenkorrekturblocks 6 verbunden sind. Zwei Ausgänge des
Phasenlagen-Detektors 10 sind mit zwei Eingängen eines Phasendifferenz-Detektors 11 verbunden, der zur Bestimmung der Phasenabweichung dient. Der Phasendifferenz-Detektor hat einen mehrere Bit breiten Ausgang. Der Ausgang des Phasen- differenz-Detektors 11 ist mit dem Eingang eines Steuerblocks
12 verbunden, der zur Ansteuerung des Phasenkorrekturblocks 6 mit dem Steuereingang desselben verbunden ist.
Der Steuerblock 12 umfasst einen nicht-flüchtigen Speicher 18, in dem die gemessene Phasenabweichung oder der zugehörige Korrekturwert dauerhaft gespeichert werden können.
Eine Abtastratensteuerung 19 hat zwei Ausgänge, die mit jeweiligen Steuereingängen des Phasenkorrekturblocks 6 mit di- gitalem Filter und dem zweiten digitalen Filter 5 verbunden sind. Dadurch kann die Abtastrate des zweiten digitalen Filters 5 und des Phasenkorrekturblocks 6 mit digitalem Filter festgelegt werden. Die Einstellung der Abtastrate erfolgt dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsart.
Die bisher beschriebene Energiezahleranordnung ist in integ- rierter Schaltungstechnik auf einem einzigen Chip angeordnet .
Zur Auskopplung der elektrischen Spannung ist ein Spannungsteiler 14 vorgesehen, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang 1 der Energiezahleranordnung verbunden ist und dessen Eingang einen Spannungseingang 13 zur Zuführung der elektrischen
Spannung bildet . Zur Auskopplung des elektrischen Stroms ist ein Transformator 16 vorgesehen, der zwischen einen Stromeingang 15 und den zweiten Eingang 2 der Energiezahleranordnung geschaltet ist. Der Transformator 16 stellt eine galvanische Entkopplung zwischen dem Stromeingang 15 und dem zweiten Eingang 2 bereit .
An den Spannungseingang 13 und den Stromeingang 15 ist der Ausgang eines Testsignalgenerators 17 angeschlossen. Der Testsignalgenerator 17 stellt ein harmonisches, vorliegend sinusförmiges Signal mit einer Nennfrequenz von 50 oder 60 Hertz bereit, je nach Länderspezifikation.
Durch den Spannungsteiler 14 und den Transformator 16 ergeben sich für die beiden Eingangskanäle des Energiezählers unterschiedliche Phasenverschiebungen. Von besonderer Bedeutung ist der relative Phasenunterschied Δφ zwischen den beiden Eingangskanälen an den Eingängen 1, 2 der Energiezahleranordnung. Diese Phasenabweichung Δφ wird mit dem Phasenauswer- tungsblock 9 ermittelt.
Die Ermittlung der Phasenabweichung Δφ erfolgt in einer Kalibrier-Betriebsart dadurch, dass der Testsignalgenerator 17 aktiviert wird und demnach an dem Spannungseingang 13 und dem Stromeingang 15 jeweils ein phasengleiches, sinusförmiges Signal einspeist. Dieses Signal erfährt in dem Spannungsteiler 14 und dem Transformator 16 eine unterschiedliche Phasenverschiebung.
Die relative Phasenabweichung Δφ an den Eingängen 1, 2 wird in dem Phasenauswertungsblock 9 in den Detektoren 10, 11 dadurch ermittelt, dass die Zeitspanne zwischen den Null-Durch- gangen oder Spitzenwerten der beiden Signale an den Eingängen des Phasenauswertungsblockes 9 erfasst und in eine korrespondierende Phasenabweichung umgerechnet wird. Ein entsprechender Korrekturwert wird von dem Steuerblock 12 bereitgestellt und am Ausgang des Phasenauswertungsblockes 9 abgegeben. Da- mit wird ein Phasenkorrekturblock 6 im digitalen Filter angesteuert, der den Phasenunterschied Δφ gerade ausgleicht.
Da die Erfassung des Stroms in der Normal-Betriebsart über einen großen Dynamikbereich exakt erfolgen muss, ist die Uberabtastrate der Sigma-Delta-Modulatoren verhältnismäßig hoch. Dadurch ist auch ein geeignetes Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar.
In der Kalibrier-Betriebsart, in der ein harmonisches Test- signal eingespeist wird, ist das Erfordernis eines großen Dynamikbereichs nicht gültig. Vielmehr müssen Peaks oder Nulldurchgänge des digitalisierten Test-Signals in beiden Kanälen erfasst und verglichen werden, um eine Phasenabweichung ermitteln zu können.
Aufgrund der Tatsache, dass in der Kalibrier-Betriebsart ein geringerer Dynamikbereich gefordert ist, kann die Uberabtastrate der Modulatoren reduziert werden. Dadurch sind mehr Abtastwerte innerhalb einer Taktperiode verfügbar. Die Genauigkeit der Erkennung der Phasenabweichung wird durch die Frequenz des Abtast-Taktes bestimmt.
Bei einem 50 Hz-Testsignal, einer Uberabtastrate von 16 und einer Abtastfrequenz von 28 kHz ergeben sich 559 Abtastwerte in einer Taktperiode des Testsignals. Ein Abtastwert entspricht dabei 0,64 Grad, nämlich dem Quotienten von 360 und 559. Bei einer Phasenverschiebung von 0,64 Grad zwischen Spannungs- und Stromkanal wäre die gemessene, elektrische Leistung 0,00054 dB unter dem Optimum. Dies entspricht für einen Leistungsfaktor von 1 einem relativen Fehler von 0,00624 %, der vernachlässigbar ist. Die Genauigkeit der Phasenkorrektur kann durch entsprechende Wahl der Abtastwerte noch weiter erhöht werden.
Der Leistungsfaktor, englisch: power factor, ist vorliegend, in Übereinstimmung mit üblicher Konvention, so definiert, cdass bei einem Leistungsfaktor von 1 Strom und Spannung pha- sengleich sind, also zwischen Strom und Spannung eine Phasenverschiebung von 0 Grad vorliegt. Bei einer Phasenabweichung zwischen Strom und Spannung von beispielsweise 60 Grad beträgt der Leistungsfaktor demnach 0,5 und entspricht damit dem Kosinus der Phasendifferenz.
Der relative Fehler berechnet sich demnach bei einem Leistungsfaktor von 1 und einer Phasenverschiebung von 0,64 Grad nach der Vorschrift
Die Kalibrierbetriebsart wird einmalig bei der Herstellung der Energiezahleranordnung aktiviert.
Mit dem vorgeschlagenen Prinzip wird eine automatische Pha- senkorrektur für integrierte Energiezähleranordnungen bereitgestellt, welche vollständig integriert und vollständig in digitaler Signalverarbeitung realisiert ist.
Die vorgeschlagene Energiezahleranordnung zeichnet sich außerdem durch eine geringe Kalibrierzeit sowie geringe
Kosten bei der Herstellung aus. Zudem ist eine galvanische Isolierung zumindest eines Kanals am Eingang der Energiezahleranordnung möglich, ohne dass dadurch Messfehler auftreten. Die galvanische Isolierung ist besonders dann von hoher Be- deutung, wenn mehr als ein Kanal gemessen wird, wie bei elektrischen Energiezählern üblich.
Insbesondere kann eine Phasenverschiebung, welche von Transformatoren unvermeidbar verursacht wird, kompensiert werden. Dabei werden keine zusätzlichen externen Komponenten wie
Widerstands-Kapazitätsnetzwerke zur Phasenkorrektur benötigt.
Durch den nicht-flüchtigen Speicher 18 steht der Phasenkor- rekturwert auch noch dann bereit, wenn der Energiezähler ab- geschaltet ist.
Da die Bestimmung der Phasenabweichung grundsätzlich innerhalb einer Periodendauer möglich ist, kann mit dem vorgeschlagenen Prinzip eine besonders schnelle Kalibrierung vor- genommen werden.
Der Phasenauswertungsblock 9 hat mit Vorteil einen Takteingang, der mit den Takteingängen der Sigma-Delta-Modulato- ren 3, 4 verbunden ist. Dadurch können die Taktflanken zwischen zwei Null-Durchgängen gezählt und so die Phasenabweichung in einfacher und genauer Weise ermittelt werden.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird im digitalen Signal- bereich eine Erfassung der relativen Phasenabweichung an den beiden Ausgängen der Analog/Digital-Wandler durchgeführt. Die Korrektur der Phasenabweichung erfolgt ebenfalls in der digitalen Signalverarbeitung.
Bezugszeichenliste
1 Eingang 2 Eingang 3 Analog-/Digital -Wandler 4 Analog-/Digital -Wandler 5 digitales Filter 6 digitales Filter mit Phasenkorrektur 7 Multiplizierer 8 Integrator 9 Phasenauswertungsblock
10 Phasenlagen-Detektor
11 Phasendifferenz-Detektor
12 Steuerblock 13 Spannungseingang
14 Spannungsteiler
15 Stromeingang
16 Transformator
17 Testsignalgenerator 18 nicht flüchtiger Speicher
19 Abtastratensteuerung
I Strom
E Energie
P Leistung V Spannung
Δφ Phasenabweichung

Claims

Patentansprüche
1. Energiezahleranordnung, aufweisend einen ersten Eingang (1) zum Zuführen eines von einer Spannung (V) abgeleiteten Signals, an den ein erster Analog/Digital -Wandler (3) angeschlossen ist, welcher einen Ausgang hat, einen zweiten Eingang (2) zum Zuführen eines von einem Strom (I) abgeleiteten Signals, an den ein zweiter Analog/Digital -Wandler (4) angeschlossen ist, welcher einen Ausgang hat, einen Multiplizierer (7) , der die Ausgänge der beiden Analog/Digital -Wandler (3, 4) miteinander verknüpft, einen Phasenauswertungsblock (9) mit zwei Eingängen, die mit den Ausgängen der beiden Analog/Digital -Wandler (3, 4) gekoppelt sind, und mit einem Ausgang, der mit einem Steuereingang eines Phasenkorrekturblocks (6) gekoppelt ist, und den Phasenkorrekturblock (6) , der an einen Ausgang eines der beiden Analog/Digital -Wandler (4) gekoppelt ist, ausgelegt zur Korrektur einer Phasenabweichung (Δφ) des digitalisierten, von einem Strom (I) oder einer Spannung (V) abgeleiteten Signals.
2. Energiezahleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenauswertungsblock (9) einen Steuerblock (12) umfasst zur Ansteuerung des Phasenkorrekturblocks (6) in Abhängigkeit von der Phasenabweichung (Δφ) .
3. Energiezahleranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerblock (12) Mittel zum dauerhaften Speichern eines Phasenkorrekturwertes (18) umfasst.
4. Energiez hleranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenauswertungsblock (9) einen Phasendifferenz- Detektor (11) mit zwei Eingängen, die mit den Ausgängen der beiden Analog/Digital-Wandler (3, 4) gekoppelt sind, und mit einem Ausgang, der mit dem Steuerblock (12) verbunden ist, umfasst.
5. Energiezahleranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenauswertungsblock (9) einen Phasenlagen- Detektor (10) umfasst, der zwischen die Ausgänge der beiden Analog/Digital -Wandler (3, 4) und Eingänge des Phasendifferenz-Detektors (11) gekoppelt ist.
6. Energiezahleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenlagen-Detektor (10) zur Ermittlung von Signal- Spitzenwerten ausgelegt ist.
7. Energiezahleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenlagen-Detektor (10) zur Ermittlung von Signal- Nulldurchgängen ausgelegt ist.
8. Energiezahleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Analog/Digital -Wandler (3, 4) jeweils als Sigma-Delta-Wandler ausgebildet sind.
9. Energiezahleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integrator (8) vorgesehen ist, der dem Multiplizierer (7) nachgeschaltet ist.
10. Energiezahleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Analog/Digital -Wandler (3, 4), der Phasenkorrekturblock (6) und der Phasenauswertungsblock (9) in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet sind.
11. Energiezahleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Eingang (1) und/oder am zweiten Eingang (2) ein nicht-galvanisch koppelnder Übertrager (16) zur Einkopplung des von einer Spannung (V) und/oder von einem Strom (I) abgeleiteten Signals angeschlossen ist.
12. Energiezahleranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-galvanisch koppelnde Übertrager (16) als Transformator ausgebildet ist.
13. Energiezahleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Erzeugung eines Testsignals (17) vorgesehen ist, das mit dem ersten und dem zweiten Eingang (1, 2) der Energiezahleranordnung gekoppelt ist zur Zuführung des Test- signals in einer Kalibrier-Betriebsart.
14. Energiez hleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenkorrekturblock (6) ein erstes digitales Filter umfasst, und dass ein zweites digitales Filter (5) zwischen den Ausgang des ersten Analog/Digital -Wandlers (3) und den Multiplizierer (7) geschaltet ist.
15. Energiezahleranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Abtastratensteuerung (19) vorgesehen ist, das mit je einem Steuereingang des Phasenkorrekturblocks (6) und des zweiten digitalen Filters (5) gekoppelt ist.
16. Verfahren zum Kalibrieren einer Energiezahleranordnung mit den Schritten:
- Einkoppeln eines Testsignals an zwei Eingängen (1, 2) einer Energiezähleranordnung,
- Digitalisieren des an den beiden Eingängen (1, 2) anliegenden Testsignals, - Ermitteln einer Phasenabweichung zwischen den beiden digitalisierten Testsignalen (Δφ) ,
- Erzeugen eines Phasenkorrektursignals und Beaufschlagen eines der beiden digitalisierten Testsignale mit dem Phasenkorrektursignal .
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch
Ermitteln der Phasenlage der beiden digitalisierten Testsignale durch Messung der Signal-Spitzenwerte der digitali- sierten TestSignale zur Ermittlung der Phasenabweichung (Δφ) .
18. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch
Ermitteln der Phasenlage der beiden digitalisierten Testsignale durch Messung der Signal-Nulldurchgänge der digital!- sierten Testsignale zur Ermittlung der Phasenabweichung (Δφ) .
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch jeweiliges, digitales Filtern der beiden digitalisierten Testsignale vor der Ermittlung der Phasenabweichung (Δφ) .
20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Einstellen der Abtastrate der digitalen Filterung der beiden digitalisierten Testsignale vor der Ermittlung der Phasenabweichung (Δφ) .
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch induktives Einkoppeln des Testsignals an zumindest einem Eingang (2) der Energiezahleranordnung.
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