HU216994B - Árammérő-elrendezés és villamos fogyasztásmérő bemeneti áramköre - Google Patents

Abstract

A találmány árammérő-elrendezés, amely indűktív átalakítót és azindűktív átalakító jelét integráló integráló-áramkört (2) tartalmaz,valamint villamős főgyasztásmérő bemeneti áramköre. A találmánylényege, hőgy az elrendezés tartalmaz még egy váltakőzójelet előállítóáramkört (1), amely lényegében egy négyszögjelet ad az indűktívátalakító (3) kimenő jeléhez, mielőtt az az integráló-áramkörbe (2) belenne vezetve, az integráló-áramkör (2) pedig egy őlyan jelet hőzlétre, amely a mért áramértéknek felel meg, mely egy, lényegébenhárőmszög alakú váltakőzójellel van mődűlálva. ŕ

Description

A találmány tárgya olyan árammérő-elrendezés, amely induktív átalakítót és az induktív átalakító jelét integráló-áramkört tartalmaz, amely ezen transzformátor jelét integrálja.

Az induktív csatolású transzformátorokat gyakran használják árammérési célokra, mivel az egyéb mérőeszközökhöz képest bizonyos előnyökkel rendelkeznek. Különösen így van ez a fogyasztásmérők területén, ahol az induktív csatolású transzformátorok használatával elkerülhető az, hogy az egyenáram, amely a vasmagos transzformátorokban keletkezik, telítésbe vigye a transzformátort, ily módon az árammérés az egyéb mérésektől, például többfázisú hálózat esetén a többi fázison folyó áramméréstől különválasztható. Az induktív csatolású transzformátoroknál azonban problémát jelent az, hogy a transzformátor által létrehozott jel a mért jelnek a deriváltjával arányos. Ily módon tehát az induktív csatolású transzformátorok használata esetén a jelfeldolgozáshoz integráló-áramkörre is szükség van.

Az olyan mérő áramkörök, amelyek tehát induktív csatolású transzformátort, valamint integráló-áramkört tartalmaznak, ismertek. Ilyen van például az EP 0403 330 számú leírásban ismertetve. Az ebben a bejelentésben ismertetett integráló-áramkör úgy van kialakítva, hogy az alacsony frekvenciás jeleket, valamint azokat a parazita egyenáramú jeleket, amelyek egy hagyományos integráló-áramkör kimenetén létrejönnek, elnyomja.

Gyakran van azonban szükség arra, hogy a mért áramértékkel arányos jelet egy analóg-digitál átalakítóval, a továbbiakban A/D átalakítóval átalakítsák a további jelfeldolgozáshoz. Annak érdekében, hogy egy A/D átalakító felbontóképességét növelni lehessen, egy váltakozójelet adnak a mért jelhez, mielőtt azt az A/D átalakítóba bevezetnék. Ez a váltakozójel lehet egy véletlenjel-generátor jele vagy egy periodikusjel, például háromszögjel, vagy adott esetben íürészjel. Ezen eljárás alkalmazásával a mértjei értékét az átalakított jel analízisével nagyobb felbontással lehet meghatározni, mint ha egy, az általánosságban elérhető, az átalakító lépcsős felbontására jellemző felbontást alkalmaznánk. A váltakozójel alkalmazásának elve erre a célra hosszú ideje ismert, ilyen jeleket alkalmaznak az adatátviteli rendszerekben is az átalakító paramétereinek a javítására, ahogyan ezt például az US 4187466, az EP 0181 719 és az EP 0613256 számú szabadalmi iratokban is megtalálható. AzEP0181719 számú szabadalmi irat egy olyan rendszer elvét ismerteti, amely háromszög alakú váltakozójelet ad az áramjelhez az átalakítás előtt.

Kívánatos azonban, ha egy olyan rendszert is létre lehet hozni az áramok mérésére, amelyet az induktív csatolású transzformátorok előnyeit a váltakozó áramú kiegészítő jel alkalmazásával együtt valósítja meg. Egy ilyen váltakozójelnek a létrehozása az alkalmazott alkatrészek és a rendszer bonyolultsága szempontjából, amely ezt létrehozza, bizonyos problémákat jelenthet.

A találmánnyal azt tűztük ki célul, hogy egy olyan elrendezést hozzunk létre, amely a már előbb említett két különféle műszaki megoldás előnyeit úgy egyesíti, hogy kiküszöböli az alkatrészek megduplázásával, illetőleg bonyolultságával kapcsolatos problémákat.

A találmány tehát árammérő-elrendezés, amely induktív átalakítót és az induktív átalakító jelét integráló integráló-áramkört tartalmaz, valamint villamos fogyasztásmérő bemeneti áramköre.

A találmány szerinti elrendezés lényege abban van, hogy az elrendezés tartalmaz még egy váltakozójelet előállító áramkört, amely az induktív átalakító kimenő jeléhez lényegében négyszögjelet ad, mielőtt az az integráló-áramkörbe be lenne vezetve, az integráló-áramkör pedig egy olyan jelet hoz létre, amely a mért áramértéknek felel meg, mely egy, lényegében háromszög alakú váltakozójellel van szorozva.

Általánosságban négyszög- vagy trapézjel nem a legmegfelelőbb mint váltakozójel, előnyös azonban azért, mert igen könnyen lehet különféle áramkörökkel létrehozni, például egy mikroprocesszor segítségével. A találmány szerinti elrendezés olyan áramkört alkalmaz, ahol az áramjelet háromszög alakú váltakozójellel moduláljuk, a modulált jel van azután egy A/D átalakítóba elvezetve. Ennél a megoldásnál az alkatrészek megkettőzése azáltal kerülhető el, hogy egy olyan integráló-áramkört alkalmazunk, amely egyrészt az induktív csatolású transzformátor jelének az integrálását végzi el, másrészt pedig létrehozza a váltakozójelet is.

Ahogyan már a korábbiakban erre utaltunk, a transzformátor által mért jel az átalakítás után mérhető, és a mérés nagyobb felbontással végezhető el, mint akkor, hogy ha csak egy egyszerű A/D átalakítót alkalmazunk.

Maga az integráló-áramkör lehet digitális vagy analóg integráló-áramkör, előnyös azonban az EP 0403 330 számú leírásban ismertetetthez hasonló áramkör alkalmazása, ahol az áramkör egy olyan erősítőt tartalmaz, amelyhez tartozik egy erősítésbeállító ellenállás, valamint egy visszacsatoló hurok. Maga a visszacsatoló hurok pedig egy visszacsatoló kondenzátort is tartalmaz. Az integráló-áramkör tartalmaz még egy második integrálótagot is, amely a visszacsatoló hurokban van az erősítő kimenet után iktatva.

Az ily módon kialakított elrendezésnél az integrálóáramkör mindazokat az alacsony frekvenciájú és parazita DC-jeleket elnyomja, amelyek egy hagyományos analóg áramkörnél mindenképpen jelen vannak. Maga az integráló-áramkör tartalmazhat még további, az integráltjel fáziskésleltetését korrigáló elemet. Az integráló-tag fáziskésleltetését elsődlegesen az integráló-áramkör erősítője visszacsatoló ágába iktatott erősítést korlátozó ellenállás határozza meg, a korrekciós áramkör pedig egy olyan passzív szűrőáramkör lehet, amely az erősítő után van annak kimenetére iktatva. Ahol az árammérő-elrendezés egy villamos fogyasztásmérő bemenő áramkörének egy részét képezi, ugyanehhez az áramkörhöz tartozik még egy feszültségmérő áramkör is. A passzív szűrőáramkör méretezhető úgy is, hogy a feszültség és az áram közötti fáziskésleltetés ezzel a szűrővel van korrigálva. A hálózati feszültséget közvetlenül lehet mérni anélkül, hogy a fázisát megváltoztatnánk. Ily módon a feszültségmérő csatorna kialakítható úgy, hogy

HU 216 994 Β nincs szükség külön fáziskorrekciós elemek alkalmazására, amely különösen akkor előnyös, ha a feszültségcsatornát adatátviteli csatornaként is használják.

Ahogy erre már a korábbiakban is utaltunk, négyszöghullámot vagy négyszögjelet nagyon könnyen lehet elektronikus áramkörök segítségével létrehozni. Egy négyszögjel például létrehozható úgy is, hogy impulzusszélesség modulált jelet hozunk létre (PWM), amelyet egy mikroprocesszor kimenetéről veszünk, és amely jel egy olyan kapcsolóelemre van rávezetve, amely legalább egy logikai áramkört is tartalmaz annak érdekében, hogy az impulzusszélességben modulált jel átlagfrekvenciáját leosszuk, és létrehozzuk a négyszögjelet.

Ha váltakozójelként egyszerű háromszögjelet használunk, az adott esetben problémát okozhat a jel amplitúdója és az A/D átalakító kvantálási lépései között. Ez a probléma elsődlegesen akkor merül fel, ha a váltakozójel amplitúdója nem egyezik meg az átalakító kvantálási lépéseinek a számával. Ezen problémát elkerülendő a váltakozójelet előállító áramkör célszerűen olyan négyszögjelet hoz létre, amely egy modulálójellel tovább van modulálva. Ezt a jelet azután integráljuk annak érdekében, hogy egy modulált háromszögjelet kapjunk.

A fent említettjei használata segítségével elkerülhető az a probléma is, amely a nem modulált háromszögjel amplitúdója és az A/D átalakító kvantálási szintjei közötti különbségből fakad. A modulált jel egy olyan komponenst vezet az átalakított jelekhez, amely függ a háromszögjel amplitúdója és az átalakító kvantálási lépései közötti különbségtől, és amely elnyomható ugyanezen átalakítási eljárás során, vagyis amely a váltakozójelet elnyomja például decimális szűrő alkalmazásával.

A modulálójel is adott esetben létrehozható azzal a mikroprocesszorral, amely az impulzusszélességben modulált jelet hozza létre. A példakénti kiviteli alaknál a modulálójel két határértékét két integráló-áramkör alkalmazásával lehet megvalósítani, amely az impulzusszélességben modulált jelet és annak inverzét integrálja, és ily módon hozza létre a két határértéket. Adott esetben azonban az alkalmazott alkatrészek számát még tovább lehet csökkenteni. A váltakozójelet létrehozó áramkör adott esetben egy olyan integrátort tartalmaz, amely az impulzusszélességben modulált jelet integrálva hozza létre azt a háromszögjelet, amely a moduláló-jel egyik burkolóját jelenti, majd ez a jel van egy kapcsolóhoz elvezetve. így lényegében egy olyan négyszögjelet hozunk létre, amelynek egy burkolója van, amely azonban változik az integrátorról levett jel függvényében, a váltakozójelet előállító áramkör pedig tartalmaz még egy olyan szűrőt, amely a jelből az alacsony frekvenciás komponenseket kiszűri, ily módon tehát egy olyan négyszögjelet tudunk létrehozni, amely szimmetrikusan van modulálva.

Ha most a szűrési lépés előtt nézzük a modulált négyszögjelet, ez a jel tartalmaz olyan frekvenciakomponenst, amely megfelel a négyszögjel frekvenciájának, és tartalmaz egy olyan alacsony frekvenciás komponenst, amely azon háromszögjelnek felel meg, amely a négyszögjel két burkolója közül az egyiket modulálja. Ily módon tehát a szűrő csökkenti az alacsony frekvenciás komponenseket, a jelnek szimmetrikus alakja lesz, azaz a jel két burkolója azonosan van modulálva.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben, a példakénti kiviteli alaktól eltérő módon is megvalósítható azonban a találmány.

Az 1. ábrán látható a találmány szerinti áramkör egy példakénti kiviteli alakja, amely villamos fogyasztásmérő bemeneti áramkörébe van beépítve árammérő-elrendezésként, a 2. ábrán pedig a váltakozójel létrehozásának a lépései láthatók, amely az 1 áramkör által mért áramjelhez van azután hozzáadva.

Az 1. ábrán látható tehát egy villamosenergiafogyasztás-mérő bemeneti áramköre, amelynek az árammérő-elrendezése a találmány egy példakénti kiviteli alakjaként kialakítva tartalmaz egy 1 váltakozójelet létrehozó áramkört, amely a csatolt transzformátorként kiképezett 3 induktív átalakító jelét integrálja úgy, hogy kombinálja egy négyszögjellel is, amelyet az 1 váltakozójelet előállító áramkör hoz létre, az elrendezéshez tartozik még egy 4 feszültségmérő áramkör, valamint egy 5 A/D átalakító.

Az 1 váltakozójelet előállító áramkör tartalmaz egy 6 logikai áramkört, amelynek egyik bemenetére egy impulzusszélességen modulált jel van (a továbbiakban PWM) egy, erre a 6 logikai áramkörre csatlakoztatott pC mikroprocesszorról vezetve. A 6 logikai áramkör a PWM-jel átlagfrekvenciáját leosztja, és négyszögjelet hoz létre. A modulált jelet egy 8 kapcsolóval hozzuk létre, amely egy V_ref referenciafeszültséget szaggat meg a PWM-jel ütemében úgy, hogy azt követően, hogy a jelet egy 9 ellenállásból és 11 kondenzátorból álló szűrőáramkör után, majd pedig egy 10 és egy 12 ellenálláson leosztva kapjuk a modulált V_ref jelet. Ezt a jelet háromszög alakúra moduláljuk a PWM-jel periódusidejének megfelelően, a modulációs mélység pedig az alábbi összefüggés alapján határozható meg:

R12

R9+R10.

Ez a jel azután egy további második 7 kapcsolón átvezetve van megszaggatva egy olyan négyszögjellel, ami a PWM-j élből van a 6 logikai áramkörön átvezetve, létrehozva, és ily módon kapunk egy aszimmetrikusan modulált négyszögjelet. A 15 kondenzátor feladata az, hogy a modulált jel felfutási és lefutási idejét kiegyenlítse.

Az 1. ábrán látható, hogy az a jel, amely a felső burkolóval van modulálva, egy további szimmetrizáló áramkörhöz van elvezetve, amely tartalmazza egyrészt a 15 kondenzátort, amely csökkenti az alacsony frekvenciás jeleket, amely egyébként a modulált négyszögjelet aszimmetrikussá tenné, és egy trapéz alakú modulált négyszögjelet hoz létre, tartalmaz továbbá 16 és 17 ellenállásokat és egy 18 kondenzátort, amely a 15 kondenzátor kimenetén lévő trapéz alakú jel túlfutását kompenzálja. Lényegében tehát ez a szimmetrizáló áramkör egy sávszűrőt képez, amely a négyszögjel frekvenciáját és annak első harmonikusait átengedi, azokat a ffekvenciá3

HU 216 994 Β kát azonban, amelyek a jel szimmetrikus alakját eltorzítanák, kiszűri. A 2. ábrán látható a modulált négyszögjel, és látható az is, hogy a jel alapjában véve szimmetrikus.

A 2. ábrán látható jelek a következők:

a) : V_ref-PWM

b) : modulált V_ref

c) : modulált négyszögjel

d) : modulált és szimmetrizált négyszögjel

e) : modulált háromszögjel

Az 1. ábrán látható árammérő-elrendezés tartalmaz még egy 3 induktív átalakítót, amely lényegében egy transzformátor, amelynek a jele a váltakozó áramú hálózat FI fázisán áthaladó áram deriváltjával arányos. Ez a jel van azután a 2 integráló-áramkörbe, majd pedig innen egy 5 A/D átalakítóba elvezetve. A 2 integrálóáramkör tartalmaz egy 20 erősítőt, amelynek visszacsatoló körét egy 21 kondenzátor és egy 22 ellenállás képezi, amely lényegében a 3 induktív átalakító jelének integrálását vezérli. A 2 integráló-áramkör tartalmaz még egy 23 csatolókondenzátort, amely a 20 erősítő kimenetére van csatlakoztatva a visszacsatolás előtt, és amely az áramkör paramétereit oly módon változtatja, hogy az alacsony frekvenciás és az egyenáramú jeleket elnyomja. Tartalmaz még a 2 integráló-áramkör egy erősítést korlátozó 24 ellenállást, amellyel azt akadályozzuk meg, hogy a 20 erősítő telítésbe menjen. A 2 integráló-áramkör kimenetére 24 és 25 ellenállásokból álló feszültségosztó van csatlakoztatva közvetlenül az 5 A/D átalakító bemenete elé. Lényegében az áramkör ezen elemei megfelelnek az EP 0403 330 számú leírásban ismertetett áramkörnek, amely egy olyan jelet hoz létre, amely a transzformátor jelének az integráljának felel meg úgy, hogy a jelben parazita hatások és torzító hatások nem érvényesülnek.

Az árammérő-elrendezés a villamos fogyasztásmérő bemeneti áramkörének egy részét képezi, ezen bemeneti áramkör tartalmaz még ezenkívül egy 4 feszültségmérő áramkört, amely 26 és 27 ellenállásokból álló feszültségosztót foglal magában. A találmány szerinti bemeneti áramkör abban tér el az EP 0403330 számú leírásban ismertetett áramkörtől, hogy nincs a feszültségútvonalban fáziskorrekciós elem, a 4 feszültségmérő áramkörben a 27 ellenállással párhuzamosan kötött 28 kondenzátor csak a nemkívánatos nagyfrekvenciás jelek csillapítását végzi. A fáziskorrekciós elemeket a 29 kondenzátor és a 30 ellenállás képezi, amelyek a 22 ellenállással és a 31 ellenállással együttesen végzik az áramút fáziskorrekcióját úgy, hogy az áramutak és a feszültségutak az 5 A/D átalakító bemeneténél már fázisban legyenek. Az áramútvonalban még el van helyezve egy 32 kondenzátor is, amely a sorosan kötött 29 kondenzátor és 30 ellenállás két kivezetésével párhuzamos, és amely a nemkívánatos nagy frekvenciákat csillapítja. A 28 és 32 kondenzátorok adott esetben elhagyhatók.

Az 1 váltakozó áramú jelet előállító áramkör jele a 3 induktív átalakító jeléhez hozzáadódik, és így a két jel együtt van a 2 integráló-áramkör 20 erősítőjének 33 invertáló bemenetére elvezetve. A jeleknek a kombinációja van azután integrálva, és ily módon hozunk létre egy olyan jelet, amely megfelel a 3 induktív átalakító által mért áram jelének, amely az 1 váltakozójelet előállító áramkör jelével kombinálva egy olyan háromszögjelet hoz létre, amelyet egy trapézjellel modulálunk. Ezt követően van a jel az 5 A/D átalakító bemenetére elvezetve. Ahogy erre már a bevezetőben is utaltunk, az ilyen formájú jelalak alkalmazásával az A/D átalakítónál a felbontóképesség növelhető. Azt követően, hogy az átalakítás megtörtént, a váltakozó áramú jelet önmagában ismert módon eltávolíthatjuk például úgy, hogy digitális decimális szűrőt vagy egyéb áramköröket alkalmazunk. Az átalakítás történhet úgy, hogy az analóg váltakozó áramú jelet átalakítjuk digitális jellé, majd ezt kivonjuk az áramjelet és a váltakozó áramjelet tartalmazójelkombinációból. Az ily módon mért áram- és feszültségjelek az energiafogyasztás mérésénél vagy egyéb területeken használhatók.

Claims (7)

1. Árammérő-elrendezés, amely induktív átalakítót és az induktív átalakító jelét integráló integráló-áramkört (2) tartalmaz, és villamos fogyasztásmérő bemeneti áramköre, azzal jellemezve, hogy az elrendezés tartalmaz még egy váltakozójelet előállító áramkört (1), amely lényegében egy négyszögjelet ad az induktív átalakító (3) kimenő jeléhez, mielőtt az az integrálóáramkörbe (2) be lenne vezetve, az integráló-áramkör (2) pedig egy olyan jelet hoz létre, amely a mért áramértéknek felel meg, mely egy, lényegében háromszög alakú váltakozójellel van modulálva.

2. Az 1. igénypont szerinti árammérő-elrendezés, azzal jellemezve, hogy a váltakozó áramú jelet előállító áramkör (1) modulálójellel modulált, lényegében négyszögjelet állít elő.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti árammérő-elrendezés, azzal jellemezve, hogy a lényegében négyszögjelet egy kapcsoló (8) segítségével hozzuk létre, amely tartalmaz legalább egy logikai áramkört (6), amely impulzusszélességben modulált jelre van csatlakoztatva, és amely ennek a jelét egy, lényegében négyszögjel létrehozásához leosztja.

4. Az 1-3. igénypontok szerinti elrendezés, azzal jellemezve, hogy a váltakozó áramú jelet előállító áramkör (1) tartalmaz egy integráló-áramkört (2), amely az impulzusszélességben modulált jelet integrálva létrehoz egy olyan háromszögjelet, amely a modulálójel egyik burkolójának felel meg, ez a jel egy kapcsolóhoz (7) van vezetve, amelynek segítségével egy, lényegében négyszögjelet hoz létre, amelynek egy burkolója van, és amely az integráló-áramkörről (2) jövő jel függvényében változik, a váltakozó áramú jelet előállító áramkör (1) tartalmaz még egy szűrőáramkört, amely az alacsony frekvenciás komponenseket kiszűrve szimmetrikusan modulált négyszögjelet hoz létre.

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti árammérő-elrendezés, azzal jellemezve, hogy az integrálóáramkör (2) tartalmaz egy erősítőt (20), amely egy erősítéskorlátozó ellenállással (24) és visszacsatoló hurok4

HU 216 994 Β kai van ellátva, a visszacsatoló hurokban egy visszacsatoló kondenzátor (21) van, az integráló-áramkör (2) tartalmaz egy csatolókondenzátort (23), amely az erősítőnek (20) a kimenetére van visszacsatolás előtt csatlakoztatva.

6. Az 5. igénypont szerinti árammérő-elrendezés, azzal jellemezve, hogy tartalmaz egy, az integrált jel és az induktív átalakítóról (3) vett jel közötti fáziskülönbséget korrigáló elemet, valamint egy passzív szűrőáramkört, amely az erősítő (20) kimenetére van csatlakoztatva.

7. Villamos fogyasztásmérő bemeneti áramköre, azzal jellemezve, hogy tartalmaz egy feszültségmérő áram5 kört (4) és egy olyan árammérő áramkört, amely tartalmaz egy, az integrált jel és az induktív átalakítóról (3) vett jel közötti fáziskülönbséget korrigáló elemet, valamint egy passzív szűrőáramkört, amely az erősítő (20) kimenetére van csatlakoztatva.