FI110964B - Menetelmä ja laitteisto tehon mittaamiseksi vaihtovirtajärjestelmässä - Google Patents

Description

110964

Menetelmä ja laitteisto tehon mittaamiseksi vaihtovirtajärjestelmässä Förfarande och anläggning för att mätä effekt i ett växelströmsystem * 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä tehon mittaamiseksi vaihtovirtajärjestelmässä.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 5 johdanto-osan mukainen laitteisto.

10 Tässä hakemuksessa tarkoitetaan termillä kulutuskohde sähköverkkoon kytkettyä laitteistoa, jolla joko otetaan sähkötehoa verkosta tai syötetään sähkötehoa verkkoon.

KWh-mittarissa. jossa keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää mitataan tehoa normaalisti siten, että ensin muodostetaan kulutuskohteen virtaan verrannollinen sig-15 naali ja kulutuskohteen jännitteeseen verrannollinen signaali. Hetkellinen pätöteho lasketaan tämän jälkeen kertomalla määrätyllä hetkellä mainitun virtaan verrannollisen signaalin arvo ja mainitun jännitteeseen verrannollisen signaalin arvo keskenään. Kulu-tuskohteessa kulutettu energia lasketaan puolestaan integroimalla tehoa halutun aikavälin yli.

20

Kulutuskohteen virran mittaus perustuu yleensä resistanssiin, joka muuttaa virran jännitteeksi, rauta- tai ferriittisydämiseen virtamuuntajaan. induktioilmiöön. missä ensiövirta indusoi toisiokäämiin jännitteen, magneettisiin antureihin (esim. Hall-anturi tai magnetoresistiivinen anturi) tai eräissä tapauksissa magneettikenttää aistivaan valo-25 kuituun. Kaikissa paitsi vastukseen perustuvassa muuntimessa mittaus perustuu tavalla tai toisella ensiövirran aiheuttaman magneettikentän hyödyntämiseen.

Induktioilmiössä virtamuuntimen ensiöpiirissä kulkeva vaihtovirta synnyttää virta-, : muuntuneen ajan suhteen muuttuvan magneettivuon. Kyseinen magneettivuo indusoi 30 puolestaan virtamuuntimen toisiopiiriin jännitteen. Tämä virtamuuntimen toisiopiirin ' jännite on verrannollinen virtamuuntimen ensiöpiirin vaihtovirran aikaderivaattaan.

Jotta virtamuuntimen ensiöpiirissä kulkevan vaihtovirran arvo saataisiin selville, täytyy virtamuuntimen toisiopiirin jännite integroida ajan suhteen.

110964 2

Tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa integroidaan virtamuuntimen toisiopiiristä saatava virtamittaussignaali. jonka jälkeen kyseinen integroitu virtamittaussignaali kerrotaan jännitemittaussignaalilla tehon selville saamiseksi. Tällaisissa ratkaisuissa on 5 yleensä käytetty aktiivisia, eli vahvistimella varustettuja integraattoreita. Tämä johtuu siitä, että induktiivisen virtamuuntimen lähtösignaalin taso on yleensä pieni. Kun passiivinen RC-suodatin vielä vaimentaa jo perustaajuudella signaalin noin sadanteen osaan, passiivista integraattoria ei yleensä ole voitu käyttää tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa.

10

Hakijan FI-patentissa 98865 on esitetty eräs induktioilmiöön perustuva menetelmä vaihtovirran mittaamiseksi, vaihtovirran mittaamiseen tarkoitettu mittausanturi ja sen käyttö kWh-mittarissa. Menetelmässä sovitetaan virtajohdinjärjestelmän sisälle tai välittömään läheisyyteen ainakin ensimmäisen kertaluvun gradiometri, jolloin virtajär- 15 jestelmässä kulkeva virta indusoi gradiometriin jännitteen. Virtajohdinjärjestelmän muoto ja gradiometrin käämirakenleen muoto sovitetaan yhteen siten, että ulostulosignaali on olennaisesti riippumaton virtajohdinjärjestelmän ja gradiometrin keskinäisessä asemassa tapahtuvista pienistä muutoksista.

20 Hakijan FI-patenttihakemuksessa 20001048 on esitetty eräs induktioilmiöön perustuva virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi. Virtamuunnin käsittää ensiövirtajohtimen. jossa on kaksi rinnakkain kytkettyä olennaisesti ympyrän muotoista virtasilmukkaa. Virtasilmukat sijaitsevat samankeskisesli päällekkäin välimatkan päässä toisistaan olevissa yhdensuuntaisissa tasoissa. Virtasilmukoiden välissä sijaitsee ainakin yksi 25 gradiometri virtasilmukoiden tasoihin nähden yhdensuuntaisessa tasossa tai tasoissa. Ensiövirtajohtimen virtasilmukoissa kulkeva ensiövirta kytkeytyy magneettikentän välityksellä mainittuun ainakin yhteen gradiometriin ja synnyttää siinä ensiövirtaan ‘ verrannollisen jännitteen.

30 Keksinnön mukaisen menetelmän pääasialliset tunnusmerkit on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

x 110964 o

J

Keksinnön mukaisen laitteiston pääasialliset tunnusmerkit on puolestaan esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukainen ratkaisu perustuu siihen oivallukseen, että kun halutaan mitata , 5 kulutuskohteen sähkötehoa ei välttämättä tarvita tietoa kulutuskohteen virran todelli sesta arvosta. Jos virtamuunnin antaa toisiopiiristään virtamittaussignaalin. joka on verrannollinen kulutuskohteen virran aikaderivaattaan, voidaan integrointi kohdistaa virtamuuntimen toisiopiirin virtamittaussignaalin sijaan jännitemuuntimen jännitemit-taussignaaliin. Sähköteho saadaan selville kertomalla virran aikaderivaattaan verrannol-10 linen virtamittaussignaali integroidulla jännitemittaussignaalilla.

Signaalia voidaan integroida ajan suhteen monella eri tavalla. Menetelmät voivat olla analogisia, joko pelkästään passiivisiin RC- tai LR-piireihin perustuvia tai aktiivisiin, eli vahvistimella varustettuihin piireihin perustuvia. Digitaalisissa kWh-mittareissa voidaan 15 integrointi suorittaa numeerisin menetelmin erilaisilla aika- tai taajuustason algoritmeilla. Integrointi toimii tyydyttävästi silloin kun se approksimoi ideaalisen integraatto-rin siirtofunktiota Hi(jo>) = (jcö)' riittävän hyvin kulloinkin kyseeseen tulevalla taajuusalueella. Esim. kWh-mittauksessa tärkeä taajuusalue on yleensä noin 10 H/ - 1 kHz. Integrointi ei myöskään saa tuottaa häiriösignaaleja muille taajuusalueille. Integrointi on 20 operaatio, joka korostaa pienitaajuisia signaaleja ja tasavirralla vahvistus on peräti ääretön.

Käytännön integraattorit pyritän toteuttamaan siten, että niiden lähtösignaalissa on pääasiassa tulosignaalin hyödyllisen osan integraali. Tässä siis pyritään siihen, että 25 integraattori approksimoi ideaalista integraattoria riittävän tarkasti halutulla taajuusalueella ja että se vaimentaa tämän taajuusalueen ulkopuolisia komponentteja. Sen ei myöskään tulisi generoida lähtösignaaliin mitään uutta signaalia kuten esim. IX-, ’ komponenttia tai pienitaajuisia kohinaa. Integraattorin on oltava riittävän lineaarinen, jotta se ei synnytä liikaa harmonisia komponentteja.

Riippumatta menetelmästä, jolla integrointi suoritetaan on edullista, jos integroitava signaali on sopivan suuruinen tai helposti sellaiseksi muutettavissa, ei sisällä tasa\irta- 30 4 110964 komponenttia ja on kapeakaistaista. Integrointi onkin edullisempaa kohdistaa kulutus-kohteen jännitesignaaliin kuin kulutuskohteen virran derivaattaan koska: kulutuskohteen jännitesignaalia (esim. 230 V) ei yleensä tarvitse vahvistaa, jolloin 5 vältytään vahvistimen offset-jännitteestä aiheutuvasta haitallisesta DC-komponentista kulutuskohteen jännitesignaalissa ei yleensä ole haitallista DC-komponenttia tai jos on niin se on hyvin pieni kulutuskohteen jännitesignaali on huomattavasti kapeampikaistaista kuin kulutus-10 kohteen virtasignaali. jolloin integrointitehtävä yksinkertaistuu.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei siis saada selville kulutuskohteen todellista virtaa, mutta kulutuskohteen kuluttama sähköteho ja energia voidaan silti laskea.

15 Keksinnön mukaista ratkaisua selitetään seuraavaksi viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa esitettyihin piireihin, joihin keksintöä ei ole kuitenkaan tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviokuva erään sinänsä tunnetun yksivaiheisen k\Yh-miUarin 20 mittauspiiristä.

Kuviossa 2 on esitetty eräs aktiivinen, eli vahvistimella varustettu sinänsä tunnettu integraation, jolla keksintö voidaan toteuttaa.

25 Kuviossa 3 on esitetty eräs passiivinen sinänsä tunnettu integraation, jolla keksintö voidaan toteuttaa.

: Kuviossa 1 on esitetty kaaviokuva erään sinänsä tunnetun yksivaiheisen kWh-miiturin mittauspiiristä. Jännitehaaran mittauspiiri käsittää suojauspiirin 11. jonka tehtävänä on 30 suojata kWh-mittaria sähköverkosta tulevilta ylijännitepiikeiltä. Suojauspiiriä 1 1 seuraa jännitepiiri 12. joka kytketään mitattavan kulutuskohteen jännitteeseen vaihejohtimen ja nollajohtimen välille. Jännitepiirissä verkkojännitteestä muodostetaan kertojalle 15 « 5 110964 sopivan suuruinen signaalitaso. Virtahaaran mittauspiiri käsittää virtamuuntimen 13. jota seuraa esivahvistin 14. jolla virtamuuntimen 13 toisiopiiristä saatua jännitesignaalia vahvistetaan kertojalle 15 sopivalle tasolle. Kertojassa 15 kerrotaan mitattavan kulutus-kohteen jännitteeseen ja virtaan verrannolliset signaalit keskenään, jolloin saadaan arvo 5 kulutuskohteen kulloisellekin teholle. Tehoa integroidaan ajan suhteen, jolloin saadaan kulutuskohteen kuluttama sähköenergia. Mittauspiirin laskulaitteena 16 voidaan kä\ttää mekaanista rumpulaskuria tai digitaalista LCD-näyttöä. Mittauspiiriin kuuluu lisäksi standardin mukaiset pulssilähdöt 17, joiden pulssimäärä on verrannollinen sähköenergian kulutukseen, pulssia/kWh.

10

Tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa integroidaan virtahaaran kertojaan 15 syötettävää signaalia ennen kuin virtamittaussignaalin arvo kerrotaan jännitemittaussignaalin arvolla tehon selville saamiseksi. Kyse on siis induktiivisen virtamuuntimen 13 toisio-puolen jännitteen integroinnista, jolloin integraattori sijoitetaan virtahaaraan kertojan 15 15 tuloportin yhteyteen.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa integroidaan jännitehaaran kertojaan syötettävää signaalia ennen kuin jännitemittaussignaalin arvo kerrotaan virtamittaussignaalin arvolla tehon selville saamiseksi. Virtahaaran kertojaan 15 syötettävää signaalia ei sen sijaan 20 integroida. Integraattori sijoitetaan jännitehaaraan kertojan 15 tuloportin yhteyteen.

Seuraavaksi selostetaan kuvioihin 2 ja 3 viitaten kahta sinänsä tunnettua integraattoria. jota soveltuvat keksinnön mukaiseen ratkaisuun.

25 Kuviossa 2 on esitetty eräs aktiivinen, eli vahvistimella varustettu integraattori 20. Piiri käsittää operaatiovahvistimen 21. operaatiovahvistimen 21 tuloporttiin kytketyn ensimmäisen vastuksen Ri ja operaatiovahvistimen 21 tuloportin ja lähtöportin välille rinnan , ' kytketyn toisen vastuksen R.2 ja kondensaattorin C. Tällaisen piirin siirtofunktio on: ,,, &> 1 //(/cy) = — — -- , R, jcoCR2 +1 30 Piiri on mitoitettava siten, että termi comiirC-R2 on riittävän iso, edullisesti > 100.

» 110964 6

Kytkennän siirtofunktio Η(]ω) lähestyy' suurilla taajuuksilla (ω > (Omin) funktiota: JOJCR, joka voidaan kirjoittaa muotoon: 5 joka puolestaan on vakio kertaa ideaalisen integraattorin siirtofunktio. Pienillä taajuuksilla siirtofunktio lähestyy arvoa -R2/R1, joka on kytkennän DC-vahvistus. Myös vahvistimen oma offset-jännite summautuu integroituun signaaliin kertoimella -R2/R!.

Tilanteessa, jossa integraattoriin johdetaan suoraan esim. pienjänniteverkkoon kytketyn 10 kulutuskohteen vaihejännite Uin = 230 V, voidaan integraattori mitoittaa siten, että R2 = Ri = 1 ΜΩ ja C = 300 nF. Tällöin integraattorin vaihevirhe taajuudella 50 Hz on jo kohtuullisen pieni, signaalin suuruus integraattorin lähdössä sopiva jatkokäsittelyä varten ja DC-vahvistus noin 1.

15 Tilanteessa, jossa integraattoriin johdetaan pieni, muutamia voltteja oleva signaali, tulee suhteen R2/R1 olla suuri, edullisesti > 100. Tällöin DC-vahvistus kasvaa ainakin arvoon 100. mikä saattaa olla haitallista.

Kuviossa 2 esitetty aktiivinen integraattori soveltuu paremmin suuren signaalin, esim. 20 230 V vaihejännitteen integrointiin kuin pienen, virran derivaattaan verrannollisen signaalin integrointiin.

Kuviossa 3 on esitetty eräs yksinkertainen passiivinen RC-integraattori 30. Piirin siirto-funktio on: 25 HUo»= . , : /<z>RC +1

Piiri on mitoitettava siten, että termi comin-R-C on riittävän suuri, edullisesti > 100.

7 110964 Tämä piiri toimii samoin kuin kuviossa 2 esitetty piiri, jos kuviossa 2 esitetyssä piirissä valitaan R2 = Ri. Tässä passiivisessa piirissä ei kuitenkaan tarvita vahvistinta, jolloin vahvistimen haitallinen offset-jännite myös vältetään.

, 5 Piiri voidaan mitoittaa siten, että R = 1 ΜΩ ja C = 300 nF. Tällöin piiri vaimentaa kulutuskohteen vaihejännitteen 230 V volttitasolle, joka on sopiva arvo signaalin jatkokäsittelyä varten.

Edellä on esitetty ainoastaan eräitä esimerkkejä keksinnön mukaisen ratkaisun sovelta-10 misesta ja alan ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

♦

Claims (8)

8 110964

1. Menetelmä tehon mittaamiseksi vaihtovirtajärjestelmässä. jossa kulutuskohteen virta johdetaan induktioilmiöön perustuvan ensimmäisen muuntimen kautta mittauspiiriin. 5 jolloin mittauspiirissä on käytettävissä kulutuskohteen virran aikaderivaattaan verrannollinen virtamittaussignaali, ja jossa kulutuskohteen jännite johdetaan suoraan tai toisen muuntimen kautta mittauspiiriin, jolloin mittauspiirissä on käytettävissä kulutus-kohteen jännitteeseen verrannollinen jännitemittaussignaali. tunnettu siitä, että integrointi kohdistetaan jännitemittaussignaaliin virtamittaussignaalin sijaan ja että kulutus-10 kohteen hetkellisteho lasketaan kertomalla kullakin laskentahetkellä virtamittaussignaalin arvo integroidulla jännitemittaussignaalin arvolla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännitemittaussignaalin integrointi suoritetaan operaatiovahvistimeen perustuvalla aktiivisella RC-piirillä. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännitemittaussignaalin integrointi suoritetaan passiivisella RC-piirillä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännitemittaussig-20 naalin integrointi suoritetaan numeerisin menetelmin aika- tai taajuustason algoritmilla.

5. Laitteisto vaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, joka laitteisto käsittää induktioilmiöön perustuvan ensimmäisen muuntimen (13). jolla kulutuskohteen virta muunnetaan kulutuskohteen virran aikaderivaattaan verrannolliseksi virtamittaussignaa- 25 liksi. ja kertojan (15). jossa kulutuskohteen jännitteeseen verrannollinen jännitemittaussignaali kerrotaan virtamittaussignaalin kanssa, tunnettu siitä, että laitteisto lisäksi käsittää integraattorin (20. 30). jolla jännitemittaussignaali integroidaan, jonka jälkeen kulutuskohteen hetkellisteho lasketaan kertomalla kullakin laskentahetkellä virtamii-taussignaalin arvo integroidulla jännitemittaussignaalin arvolla. 30

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että integraattori (20) on operaatiovahvistimella varustettu aktiivinen RC-piiri. 9 110964

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että integraation (30) on passiivinen RC-piiri.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että integraation on numee rinen aika- tai taajuustason algoritmiin perustuva menetelmä. J 110964