FI67960C - Kopplingsarrangemang i en statisk kwh-maetare - Google Patents

Description

67960

Kytkentäjärjestely staattisessa kWh-mittarissa Koppiingsarrangemang i en statlsk kWh-mätare

Keksinnön kohteena on staattinen kWh-mittari, johon sisältyy sähköverkon johtimiin kytketyt elimet virtaan ja jännitteeseen verrannollisten mittaussignaalien kehittämiseksi, pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja mittaussignaalien tuloa edustavan pulssinleveys-pulssinkorkeus-5 moduloidun signaalin muodostamiseksi, pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan lähdön syöttämä integraattori muunninpiirissä, jolta saadaan tehoon verrannollinen taajuussignaali ja taajuussignaalin ohjaama las-kulaite kulutetun energian määräämiseksi sekä verkon johtimiin kytketty virtalähde mittarin piirejä syöttävän käyttöjännitteen muodostami-10 seksi.

Pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojaan eli aikajakoiseen kertojaan perustuvat staattiset kWh-mittarit ovat yleisesti tunnettuja ja esimerkkeinä tunnetuista ratkaisuista voidaan mainita US-patenttijulkai-15 sut 4 315 212 ja 3 794 917.

Tämän tyyppisen tunnetun kolmivaihemittarin pääosat on esitetty kuvion 1 lohkokaaviossa. Mittarissa muodostetaan näytepulssijono, jossa pulssien leveys on verrannollinen jännitteen hetkellisarvoon ja puls-20 sien korkeus on verrannollinen virran hetkellisarvoon, niin että pulssien pinta-ala on verrannollinen jännitteen ja virran tuloon eli tehoon. Näytepulssitaajuus valitaan noin 10 kertaa suuremmaksi kuin verkkotaajuus, jotta myös yliaallot tulisivat huomioiduiksi. Pulssin-leveysmodulaattorin 1 moduloivana signaalina on verkkojännitteeseen 25 verrannollinen signaali, joka muodostetaan jännitemuuntajien 2 avulla. Tunnetuissa mittareissa pulssinleveysmodulaatio on tavallisesti toteutettu komparaattorina toimivalla operaatiovahvistimella, jonka toiseen tulonapaan tuodaan kolmioaalto ja toiseen tulonapaan moduloiva jännitteeseen verrannollinen signaali. Tällöin komparaattorin kynnys-30 tasoa ohjataan moduloivalla jännitteellä ja komparaattorin lähdöstä saadaan kolmioaallon taajuinen mutta pulssisuhteeltaan ohjausjännitteen arvosta riippuva sakara-aalto. Saadulla pulssinleveysmoduloidul-la sakara-aallolla ohjataan virtamittamuuntajien 3 toisiopiirissä olevia analogiakytkimiä 4, joiden lähdöistä saadaan pulsseja, joiden 35 67960 korkeus on verrannollinen mittausvirtapiirissä kulkevaan virtaan ja jotka ovat leveydeltään edelleen verkkojännitteellä moduloituja. Pulssit suodatetaan, jolloin saadaan tehoon verrannollinen tasajännite, joka syötetään jännite/taajuusmuuntimelle 5. Jännite/taajuusmuunnin 5 5 koostuu kertojan lähtöä integroivasta integrointivahvistimesta sekä kynnystason ilmaisimesta, joka aloittaa uuden jakson integraattorin lähdön ylittäessä ilmaisimen kynnystason. Muuntimen lähdöstä saadaan tällöin sille syötettyyn tasajännitteeseen eli tehoon verrannollinen pulssitaajuus, jolla ohjataan ohjelmoitavan jakajayksikön 6 kautta 10 mittarin laskulaitetta 7 käyttävää askelmoottoria. Laskulaite integroi tehoa eli näyttää kulutetun energian. Mittarin piirien tehonsyöttöä ♦ varten on lisäksi virtalähdeyksikkö 8, joka muodostaa käyttöjännitteen verkkoj ännitteestä.

15 Tunnetuissa staattisissa kWh-mittareissa siten sekä kertojapiireihin että jännite/taajuusmuuntimeen sisältyy operaatiovahvistimia, joiden offset-jännitteet vaikuttavat mittaustulokseen. Tämä haitallinen ilmiö tulee etenkin esille jännite/taajuusmuuntimen tulossa, kun integraattorin tulojännite on pieni. Käytännössä tulojännite voi olla samaa luok-20 kaa kuin operaatiovahvistimen offset-jännite, jolloin varsin suuret mittaustuloksen virheet ovat mahdollisia. Lisäksi offset-jännite on ajan ja lämpötilan funktio, mikä vaikeuttaa offset-jännitteen kompensoinnin säilyttämistä tunnetuissa kWh-mittareissa.

25 Keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä esitetyt ongelmat ja toteuttaa staattinen kWh-mittari yksinkertaisella tavalla siten, että operaatiovahvistimen käytöstä johtuva offset-jännitteen haitallinen vaikutus jännite/taajuusmuuntimen tarkkuuteen tulee kompensoiduksi.

30 Tämä tehtävä on ratkaistu keksinnön mukaan siten, että muunninpiiri sisältää ensimmäiset kytkinelimet, jotka sallivat pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan lähdön integroinnin määrättyjen näytteen-ottojaksojen aikana ja että integraattorivahvistimen tulopiirissä on kompensointi-kondensaattori, johon vahvistimen offset-jännite varataan 35 näytteenottojaksojen välillä toimivien toisten kytkinelinten avulla. Tämän mukaisesti keksinnössä pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan lähdön integrointi keskeytetään jaksottain taajuussignaalin kehittä- 3 67960 vässä muunninpiirissä ja integrointi keskeytettäessä offsetjännite ladataan kondensaattoriin. Integroinnin jatkuessa kondensaattori kytketään jälleen tulopiiriin siten, että offset-jännitteen vaikutus tulo-virtaan kompensoituu.

5

Erityisen edullinen mittariratkaisu saadaan, kun lisäksi pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja toteutetaan yksinkertaisella tavalla ilman operaatiovahvistimia siten, että se sisältää summauselimen, jolle tuodaan ensimmäinen mittaussignaali ja kolmioaalto, sekä summasignaalin ohjaa-10 man kytkimen, joka ottaa näytteitä toisesta mittaussignaalista.

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisesti piirustuksessa esitetyn suoritusesimerkin avulla, johon keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus rajoittaa. Piirustuksessa 15

Kuvio 1 esittää tunnetun staattisen kWh-mittarin lohkokaaviota.

Kuvio 2 esittää pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan piirikaaviota.

20 Kuvio 3 esittää kuvion 2 piirissä esiintyviä aaltomuotoja.

Kuvio 4 ja 4A esittävät jännite/taajuusmuunninta eri toimintamuodoissa.

Kuvio 5 esittää kuvion 4 muuntimessa esiintyviä aaltomuotoja.

25

Kuvio 6 esittää mittarin virtalähteen kytkentäkaaviota.

Kuviossa 2 on esitetty staattisen kWh-mittarin pulssinleveys-pulssin-korkeus-kertoja. Kertoja käsittää summauspilrin ja summajännitteen 30 ohjaaman näytteenottokytkimen. Summauspiiri käsittää kaksi vastusta R1,R2, jotka on kytketty yhteen toisista navoistaan. Ensimmäisen vastuksen Rl toiseen napaan on kytketty mittamuuntajalta 2 saatava jännitteeseen verrannollinen signaali ja toisen vastuksen R2 toiseen napaan on kytketty kolmioaalto-oskillaattorin 9 kolmioaalto Uq. Summa-35 jännite saadaan summausvastusten R1,R2 yhteisestä pisteestä.

Näytteenottokytkin 10 on virtamittamuuntajan 3 toisiopiiristä virtaan verrannollisen signaalin vastaanottava analogiakytkin, jonka ohjaus- 4 67960 tulo on kytketty summauspisteeseen. Analogiakytkin 10, joka voi olla esim. J-FET tai MOS-FET, vaihtaa tilansa määrätyllä ohjausjännitteen kynnysarvolla n* Kuten kuviosta 3 nähdään, analogiakytkimen 10 kynnystaso 0^ ^ määrää tällein näytteenottopulssin leveyden siten, 5 että kytkin on sulkeutuneena, kun summa-aalto + Uq on kynnystasoa Ufcynn suurempi ja avautuneena, kun summa-aalto on kynnystason alapuolella. Täten ohjatun näytteenottokytkimen lähdöstä saadaan kertojan lähtönä sakarapulssijono, jossa pulssien leveys on verrannollinen jännitteeseen ja korkeus on verrannollinen virtaan. Pulssijonon suodatuk-10 sen jälkeen saadulla tasajännitteellä ohjataan jännite/taajuusmuunnin-ta 5.

Kuvio 4 esittää kuvion 1 mittarin jännite/taajuusmuunninta 5, joka on varustettu keksinnön mukaisella offset-jännitteen kompensointipiirillä. 15 Jännite/taajuusmuunnin sisältää tavanomaisella tavalla integrointi-kondensaattorin Cl ja vastuksen R3 avulla integraattoriksi kytketyn operaatiovahvistimen 11, integraattorin lähdön ohjaaman kynnystason ilmaisimen 12 sekä ajastinpiirin 13, jolla ohjataan integraattorin tuloon kytkettyä vakiovirtalähdettä. Piirin ollessa kytkettynä toimin-20 taan integraattori integroi tulovirtaa I niin kauan, että integraattorin lähtö ylittää komparaattorin 12 kynnystason U^, jolloin ajastin-piiri 13 käynnistyy ja kytkee kytkimen 14 välityksellä palautusvirta-pulssin 1^ ajaksi Tq integraattorin tuloon. Muuntimen toimintataajuus f saadaan tällöin yhtälöstä 25

1. . t = I . T

in p o ^ _ _1 *in

t I · T

P o 30

Taajuus f on siten suoraan verrannollinen tulovirtaan 1^ ja täten myös tulojännitteeseen U. , koska in

U. U

l - m - os 35 in R3

Vahvistimen 11 offset-jännitteen U tulovirtaan I. aikaansaaman vai- os in 5 67960 kutuksen kompensoimiseksi jännite/taajuusmuunnin sisältää keksinnön mukaisesti kompensointijärjestelyn, joka pitää vastuksen R3 vahvistimen 11 puoleisen navan eli kuviossa A pisteen A integroinnin aikana 0-ta-solla.

5

Kompensointijärjestely käsittää integraattorin kertojaan kytkevän näyt-teenottokytkimen K1, integrointikondensaattorin Cl kanssa sarjassa olevan kytkimen K2, pisteen A ja vahvistimen 11 invertoivan tulon välissä olevan kompensointikondensaattorin C2, vahvistimen 11 invertoivan tulon 10 ja lähdön yhdistävän kytkimen KA sekä pisteen A maadoittavan kytkimen K3.

Kytkimet K1 ja K2 sallivat tulovirran I integroinnin ollessaan suljettuina kuviossa A esitetyssä asennossa. Integrointivaiheen aikana kytki-13 met K3 ja KA ovat avoimia. Kompensointia varten integrointi keskeytetään näytteenottokytkimen K1 näytteenottojaksojen välillä avaamalla integrointikondensaattorin Cl kanssa sarjassa oleva kytkin K2. Seuraavan kompensointivaiheen aikana vahvistimen 11 lähtö ja invertoiva tulo yhdistetään sulkemalla kytkin KA ja kondensaattorin C2 toinen napa kytke-20 tään maahan sulkemalla kytkin K3, jolloin vahvistimen 11 offset-jännite Uog varautuu kompensointikondensaattoriin C2. Kompensointivaiheen aikana kytkimet Kl-KA ovat siten ohjattuina kuviossa AA esitettyyn tilaan. Seuraavan integrointivaiheen aikana kytkimet Ki-KA ohjataan uudelleen kuviossa A esitettyyn tilaan, jolloin kompensointikondensaattori C2 kyt-25 keytyy tulopiiriin siten, että integrointivaiheen aikana pisteen A

jännite pysyy 0-tasossa, mikä kompensoi offset-jännitteen vaikutuksen tulovirtaan.

Tuloksena oleva integraattorin lähtöjännitteen aaltomuoto on esitetty 30 kuviossa 5, jossa vuorottelevat integrointivaiheet ja kompensointi- vaiheet näkyvät lähtöjännitteen kasvavina 15 ja offset-jännitettä Uog vastaavina vaakasuorina osina 16.

Kuvio 6 esittää kolmivalhemittarin piirien käyttöjännitteet muodosta-35 vaa virtalähdeyksikköä 8. Virtalähteessä on kondensaattorit C3,CA,C5 verkko jännitteen alentamista varten sekä tasasuuntausdiodit D1-D6 ja suodatuskondensaattorl C7 kuormaan 17 syötetyn jännitteen 6 67960

F

suodattamiseksi. Koska mittarin piirien tulee toimia myös siinä tapauksessa, että vain yhdessä vaiheessa on jännite, jännitteenalennuskonden-saattorit joudutaan tavanomaisessa tasasuuntauskytkennässä mitoittamaan kovin suuriksi. Tämän välttämiseksi kuvion 6 virtalähde on lisäksi va-5 rustettu piirillä, jonka avulla myös jännitteiseksi jääneen vaiheen negatiivisten puolijaksojen aikana diodien kautta kulkeva virta voidaan käyttää hyväksi. Tämä piiri sisältää kondensaattorin C6, joka on kytketty 0-johtimen ja tasasuuntausdiodien D4-D6 yhteenkytkettyjen anodien välille sarjaan diodien D8 ja D7 kanssa siten, että se voi varautua 10 jännitteisen vaiheen negatiivisten puolijaksojen aikana päästösuuntais-ten diodien D7,D8 kautta. Kondensaattorin C6 varauksen purkamiseksi kuormaan 17 jännitteisen vaiheen positiivisten puolijaksojen aikana kondensaattorin C6 positiivinen napa on kytketty kuorman 17 positiiviseen napaan diodin D9 kautta ja kondensaattorin C6 negatiivinen napa 15 on kytketty kuorman negatiiviseen napaan transistorin VI kollektori-emitteritien kautta, jonka kanta on kytketty diodin D7 ja D4-D6 yhteiseen pisteeseen ja vastuksen R4 kautta diodien D1-D3 katodeille. Kondensaattorin C6 varausvirran kulkiessa diodien D7 yli vaikuttava jännite pitää transistorin VI kantajännitteen noin 0,7 V emitterijän-20 niteitä negatiivisempana, jolloin transistori ei johda.

Positiivisten puolijaksojen aikana kondensaattorin C6 varausvirta katkeaa. Tällöin transistorin VI kantajännite nousee emitterijännitettä positiivisemmaksi vastuksen RA vaikutuksesta. Transistori VI tulee 25 johtavaksi ja sulkee kondensaattorin C6 purkausvirtatien. Tällöin kondensaattorin C6 varaus purkautuu diodin D9 kautta kondensaattoriin C7 ja edelleen kuormaan 17. Positiivisten puolijaksojen aikana saadaan lisäksi virtaa diodin Dl kautta. Tähän virtaan summautuva kondensaattorin C6 purkausvirta likimain kaksinkertaistaa kuormaan menevän vir-30 ran, mikä mahdollistaa kytkentäkondensaattoreiden C3,C4,C5 pienentämisen noin puoleen ja lisäksi pienentää mittarin sähköverkosta ottavaa virtaa.

Claims (2)

67960

1. Staattinen kWh-mittari, johon sisältyy sähköverkon johtimiin kytketyt elimet (2,3) jännitteeseen (UR,Ug,U^) ja virtaan (IR,IS,IT) verrannollisten mittaussignaalien (U^.U^) kehittämiseksi, kertojapiiri (1,4) mittaussignaalien tuloa edustavan pulssinleveys-pulssinkorkeus- 5 moduloidun signaalin muodostamiseksi, pulssinleveys-pulssinkorkeus- kertojan (1,4) lähdön syöttämä integraattori (11,C1,R3) muunninpiiris-sä (5), jolta saadaan tehoon verrannollinen taajuussignaali (f) ja taa-juussignaalin ohjaama laskulaite (7) kulutetun energian määräämiseksi sekä verkon johtimiin kytketty virtalähde (8) mainittuja piirejä syöt-10 tävän käyttöjännitteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että muunninpiiri (5) sisältää ensimmäiset kytkinelimet (K1,K2), jotka sallivat pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan (1,4) lähdön integroinnin määrättyjen näytteenottojaksojen aikana ja että integraattorivahvisti-men (11) tulopiirissä on kompensointikondensaattori (C2), johon vah-15 vistimen (11) offset-jännite (U ) varataan näytteenottojaksojen välillä OS toimivien toisten kytkinelimien (K3,K4) avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kWh-mittari, tunnettu siitä, että integroinnin sallivat ensimmäiset kytkinelimet käsittävät pulssin- 20 leveys-pulssinkorkeus-kertojan lähdön muuntimen (5) tuloon kytkevän näytteenottokytkimen (Kl) ja integrointikondensaattorin (Cl) kanssa sarjassa olevan kytkimen (K2) ja offset-jännitteen varaavat toiset kytkinelimet käsittävät vahvistimen (11) lähdön ja tulon yhdistävän kytkimen (K4) sekä kompensolntlkondeneaattorin (C2) toisen navan (A) 25 maahan yhdistävän kytkimen (K3).