FI67961B - Pulsbredd-pulshoejd-multiplikator i en statisk kwh-maetare - Google Patents

Description

67961

Staattisen kWh-mittarin pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja Pulsbredd-pulshöjd-multiplikator i en statisk kWh-inätare

Keksinnön kohteena on staattinen kWh-mittari, jossa on sähköverkon joh-timiin kytketyt elimet jännitteeseen ja virtaan verrannollisten mittaussignaalien kehittämiseksi, pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja mittaussignaalien tuloa edustavan signaalin muodostamiseksi, jännite/ 5 taajuusmuunnin, jossa on kertojan lähtöä integroiva analogiaintegraat-tori, tehoon verrannollisen taajuussignaalin kehittämiseksi ja taajuus-signaalin ohjaama laskulaite kulutetun energian määräämiseksi sekä verkon johtimiin kytketty virtalähdeyksikkö.

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

15 Tämän tyyppisen tunnetun kolmivaihemittarin pääosat on esitetty kuvion 1 lohkokaaviossa. Mittarissa muodostetaan näytepulssijono, jossa pulssien leveys on verrannollinen jännitteen hetkellisarvoon ja pulssien korkeus on verrannollinen virran hetkellisarvoon, niin että pulssien pinta-ala on verrannollinen jännitteen ja virran tuloon eli 20 tehoon. Näytepulssitaajuus valitaan noin 10 kertaa suuremmaksi kuin verkkotaajuus, jotta myös yliaallot tulisivat huomioiduiksi. Pulssin-leveysmodulaattorin 1 moduloivana signaalina on verkkojännitteeseen verrannollinen signaali, joka muodostetaan jännitemuuntajien 2 avulla. Tunnetuissa mittareissa pulssinleveysmodulaatio on tavallisesti to-25 teutettu komparaattorina toimivalla operaatiovahvistimella, jonka toiseen tulonapaan tuodaan kolmioaalto ja toiseen tulonapaan moduloiva jännitteeseen verrannollinen signaali. Tällöin komparaattorin kynnys-tasoa ohjataan moduloivalla jännitteellä ja komparaattorin lähdöstä saadaan kolmioaallon taajuinen mutta pulssisuhteeltaan ohjausjännit-50 teen arvosta riippuva sakara-aalto. Saadulla pulssinleveysmoduloidul-la sakara-aallolla ohjataan virtamittamuuntajien 3 toisiopiirissä olevia analogiakytkimiä 4, joiden lähdöistä saadaan pulsseja, joiden korkeus on verrannollinen mittausvirtapiirissä kulkevaan virtaan ja jotka ovat leveydeltään edelleen verkkojännitteellä moduloituja. Puis- 2 67961 slt suodatetaan, jolloin saadaan tehoon verrannollinen tasajännlte, joka syötetään jännite/taajuusmuuntimelle 5. Jännite/taajuusmuunnin 5 koostuu kertojan lähtöä integroivasta integrointivahvistioesta sekä kynnystason ilmaisimesta, joka aloittaa uuden jakson integraattorln 5 lähdön ylittäessä ilmaisimen kynnystason. Muuntimen lähdöstä saadaan tällöin sille syötettyyn tasajännltteeseen eli tehoon verrannollinen pulssitaajuus, jolla ohjataan ohjelmoitavan jakajayksikön 6 kautta mittarin laskulaitetta 7 käyttävää askelmoottoria. Laskulaite integroi tehoa eli näyttää kulutetun energian. Mittarin piirien tehonsyöttöä 10 varten on lisäksi virtalähdeyksikkö 8, joka muodostaa käyttöjännitteen verkkoj ännitteestä.

Tunnetut staattiset kWh-mittariratkaieut ovat suhteellisen monimutkaisia ja mittarin yksiköt sisältävät operaatiovahvistimia, joiden offset-15 jännitteet vaikuttavat mittarin tarkkuuteen.

Keksinnön tarkoituksena on ratkaista staattinen kWh-mittari tunnettuja ratkaisuja yksinkertaisemmin siten, että pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojaosa voidaan toteuttaa ilman operaatiovahvistimia.

20

Keksinnön mukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista, että pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja sisältää summauselimen, jonka toiseen tuloon on kytketty ensimmäinen mittaussignaali ja toiseen tuloon kolmioaalto, ja summauselimen lähdön ohjaaman kytkimen, joka ottaa näytteitä toisesta 25 mittaussignaalista.

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisesti piirustuksessa esitetyn suoritusesimerkin avulla, johon keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus rajoittaa. Piirustuksessa 30

Kuvio 1 esittää tunnetun staattisen kWh-mittarin lohkokaaviota.

Kuvio 2 esittää pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertojan piirikaaviota.

35 Kuvio 3 esittää kuvion 2 piirissä esiintyviä aaltomuotoja.

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

3 67961

Kuvio 5 esittää kuvion 4 muuntimessa esiintyviä aaltomuotoja.

Kuvio 6 esittää mittarin virtalähteen kytkentäkaaviota.

5 Kuviossa 2 on esitetty staattisen kWh-mittarin pulssinleveys-pulssin-korkeus-kertoja. Kertoja käsittää summauspilrin ja summajännitteen ohjaaman näytteenottokytkimen. Summauspiiri käsittää kaksi vastusta R1,R2, jotka on kytketty yhteen toisista navoistaan. Ensimmäisen vastuksen Rl toiseen napaan on kytketty mittamuuntajalta 2 saatava jännit-10 teeseen verrannollinen signaali U ja toisen vastuksen R2 toiseen napaan on kytketty kolmioaalto-oskillaattorin 9 kolmioaalto Uq. Summa-jännite + Uq saadaan summausvastusten R1,R2 yhteisestä pisteestä. Näytteenottokytkin 10 on virtamittamuuntajan 3 toisiopiiristä virtaan verrannollisen signaalin vastaanottava analogiakytkin, jonka ohjaus-15 tulo on kytketty summauspisteeseen. Analogiakytkin 10, joka voi olla esim. J-FET tai MOS-FET, vaihtaa tilansa määrätyllä ohjausjännitteen kynnysarvolla t^ynn’ ^uten kuv*osta 3 nähdään, analogiakytkimen 10 kynnystaso n määrää tällöin näytteenottopulssin leveyden siten, että kytkin on sulkeutuneena, kun summa-aalto + Uq on kynnystasoa 20 ^fcynn 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 suodatuksen jälkeen saadulla tasajännitteellä ohjataan jännite/taajuusmuunnin-25 ta 5.

Kuvio 4 esittää kuvion 1 mittarin jännite/taajuusmuunninta 5, joka on varustettu offset-jännitteen kompensointipiirillä. Jännite/taajuusmuun-nin sisältää tavanomaisella tavalla integrointikondensaattorin Cl ja 30 vastuksen R3 avulla integraattoriksi kytketyn operaatiovahvistimen 11, integraattorin lähdön ohjaaman kynnystason ilmaisimen 12 sekä ajastin-piirin 13, jolla ohjataan integraattorin tuloon kytkettyä vakiovirta-lähdettä. Piirin ollessa kytkettynä toimintaan integraattori integroi tulovirtaa I niin kauan, että integraattorin lähtö ylittää komparaat-35 torin 12 kynnystason U^, jolloin ajastinpiiri 13 käynnistyy ja kytkee kytkimen 14 välityksellä palautusvirtapulssin I ajaksi integraattorin tuloon. Muuntimen toimintataajuus f saadaan tällöin yhtälöstä 67961

I, . t - I . I

in p o f - i- = *in

t I ' T

P 0 5

Taajuus f on siten suoraan verrannollinen tulovirtaan ja täten myös tulojännitteeseen U , koska

U, U

! = . j-P - °8.

in Ti 10 r3

Vahvistimen 11 offset-jännitteen U tulovirtaan I. aikaansaaman valos in kutuksen kompensoimiseksi jännite/taajuusmuunnin sisältää keksinnön mukaisesti kompensointijärjestelyn, joka pitää vastuksen R3 vahvistimen 15 11 puoleisen navan eli kuviossa 4 pisteen A integroinnin aikana 0-ta- solla.

Kompensointijärjestely käsittää integraattorin kertojaan kytkevän näyt-teenottokytkimen Kl, integrointikondensaattorin Cl kanssa sarjassa ole-20 van kytkimen K2, pisteen A ja vahvistimen 11 invertoivan tulon välissä olevan kompensointikondensaattorin C2, vahvistimen 11 invertoivan tulon ja lähdön yhdistävän kytkimen K4 sekä pisteen A maadoittavan kytkimen K3.

25 Kytkimet Kl ja K2 sallivat tulovirran I integroinnin ollessaan suljettuina kuviossa 4 esitetyssä asennossa. Integrointivaiheen aikana kytkimet K3 ja K4 ovat avoimia. Kompensointia varten integrointi keskeytetään näytteenottokytkimen Kl näytteenottojaksojen välillä avaamalla Integrointikondensaattorin Cl kanssa sarjassa oleva kytkin K2. Seuraavan 30 kompensointivaiheen aikana vahvistimen 11 lähtö ja invertoiva tulo yhdistetään sulkemalla kytkin K4 ja kondensaattorin C2 toinen napa kytketään maahan sulkemalla kytkin K3, jolloin vahvistimen 11 offset-jännite UQg varautuu kompensointikondensaattoriin C2. Kompensointivaiheen aikana kytkimet K1-K4 ovat siten ohjattuina kuviossa 4A esitettyyn tilaan.

35 Seuraavan integrointivaiheen aikana kytkimet K1-K4 ohjataan uudelleen kuviossa 4 esitettyyn tilaan, jolloin kompensointikondensaattori C2 kytkeytyy tulopiiriin siten, että integrointivaiheen aikana pisteen A

5 67961 jännite pysyy O-tasossa» mikä kompensoi offset-jännitteen vaikutuksen tulovirtaan.

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

Kuvio 6 esittää kolmivaihemittarin piirien käyttöjännitteet muodosta-10 vaa virtalähdeyksikköä 8. Virtalähteessä on kondensaattorit C3,C4,C5 verkkojännitteen UD,UC,U alentamista varten sekä tasasuuntausdiodit D1-D6 ja suodatuskondensaattori C7 kuormaan 17 syötetyn jännitteen suodattamiseksi. Koska mittarin piirien tulee toimia myös siinä tapauksessa, että vain yhdessä vaiheessa on jännite, jännitteenalennuskonden-15 saattorit joudutaan tavanomaisessa tasasuuntauskytkennässä mitoittamaan kovin suuriksi. Tämän välttämiseksi kuvion 6 virtalähde on lisäksi varustettu piirillä, jonka avulla myös jännitteiseksi jääneen vaiheen negatiivisten puolijaksojen aikana diodien kautta kulkeva virta voidaan käyttää hyväksi. Tämä piiri sisältää kondensaattorin C6, joka on kytket-20 ty 0-johtimen ja tasasuuntausdiodien D4-D6 yhteenkytkettyjen anodien välille sarjaan diodien D8 ja D7 kanssa siten, että se voi varautua jännitteisen vaiheen negatiivisten puolijaksojen aikana päästosuuntais-ten diodien D7,D8 kautta. Kondensaattorin C6 varauksen purkamiseksi kuormaan 17 jännitteisen vaiheen positiivisten puolijaksojen aikana 25 kondensaattorin C6 positiivinen napa on kytketty kuorman 17 positiiviseen napaan diodin D9 kautta ja kondensaattorin C6 negatiivinen napa on kytketty kuorman negatiiviseen napaan transistorin VI kollektori-emitteritien kautta, jonka kanta on kytketty diodien D7 ja D4-D6 yhteiseen pisteeseen ja vastuksen R4 kautta diodien D1-D3 katodeille.

50 Kondensaattorin C6 varausvirran kulkiessa diodin D7 yli vaikuttava jännite pitää transistorin VI kantajännitteen noin 0,7 V emitterijän-nitettä negatiivisempana, jolloin transistori ei johda.

Positiivisten puolijaksojen aikana kondensaattorin C6 varausvirta kat-55 keaa. Tällöin transistorin VI kantajännite nousee emitterijäänitettä positiivisemmaksi vastuksen R4 vaikutuksesta. Transistori VI tulee johtavaksi ja sulkee kondensaattorin C6 purkausvirtatien. Tällöin 67961 kondensaattorin C6 varaus purkautuu diodin D9 kautta kondensaattoriin C7 ja edelleen kuorinaan 17. Positiivisten puolijaksojen aikana saadaan lisäksi virtaa diodin Dl kautta. Tähän virtaan summautuva kondensaattorin C6 purkausvirta likimain kaksinkertaistaa kuormaan menevän vir-5 ran, mikä mahdollistaa kytkentäkondensaattoreiden C3,C4,C5 pienentämisen noin puoleen ja lisäksi pienentää mittarin sähköverkosta ottavaa virtaa.

Claims (3)

67961

1. Staattinen kWh-mittari, jossa on sähköverkon johtimiin kytketyt elimet (2,3) jännitteeseen (U ,UC,U ) ja virtaan (I ,I_,I ) verrannollis-ten mittaussignaalien (U^.U^) kehittämiseksi, pulssinleveys-pulssin-korkeus-kertoja (1,4) mittaussignaalien tuloa edustavan signaalin muo-5 dostamiseksi, jännite/taajuusmuunnin (5), jossa on kertojan lähtöä integroiva analogiaintegraattori, tehoon verrannollisen taajuussignaalin (f) kehittämiseksi ja taajuussignaalin ohjaama laskulaite (7) kulutetun energian määräämiseksi sekä verkon johtimiin kytketty virtalähdeyksikkö (8), tunnettu siitä, että pulssinleveys-pulssinkorkeus-kertoja 10 sisältää summauseiImen (R1,R2), jonka toiseen tuloon on kytketty ensimmäinen mittaussignaali (U^) ja toiseen tuloon kolmioaalto (Uq), ja sum-mauselimen lähdön (U^ + Uq) ohjaaman kytkimen (10), joka ottaa näytteitä toisesta mittaussignaalista (U^).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen staattinen kWh-mittarl, tunnet- t u siitä, että toinen mittaussignaali on virtaan verrannollinen signaali (U^) ja virtaan verrannollisesta signaalista näytteitä ottavana kytkimenä on ohjauksen määrätyllä kynnystasolla (U^ q) tilansa muuttava analogiakytkin (10). 20

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen staattinen kWh-mittari, tunnet-t u siitä, että summauselin muodostuu ensimmäisestä summausvastuksesta (Rl), jonka ensimmäiseen napaan on kytketty jännitteeseen verrannollinen signaali (U^), ja toisesta summausvastuksesta (R2), jonka ensimmäiseen 25 napaan on kytketty kolmioaalto-oskillaatttori (9), ja että vastusten (R1,R2) toiset navat on kytketty toisiinsa ja virtaan verrannollisesta signaalista (U^) näytteitä ottavan analogiakytkimen (10) ohjaustuloon. 30