DE1951437B2

DE1951437B2 - Schaltungsanordnung zur messung elektrischer leistung bzw. elektrischer energie

Info

Publication number: DE1951437B2
Application number: DE19691951437
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Dipl.-Phys. Luzern Vonarburg (Schweiz)
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1969-02-13
Filing date: 1969-10-08
Publication date: 1972-08-31
Also published as: CH478413A; DE1951437A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie, mit einem Analog-Digitalwandler, der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale Frequenz abgibt und einen Miller-Integrator aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Spannung entladen wird.

Zur Messung elektrischer Wirkleistung muß bekanntlich das Produkt aus Spannung und Strom gebildet werden. Neben mechanischen Vorrichtungen sind zur Multiplikation zweier Größen auch rein elektronische Schaltungen bekanntgeworden, die jedoch meistens Bauteile mit nicht gleichbleibenden, z. B. temperaturabhängigen Kennlinien besitzen, welche die Meßgenauigkeit ungünstig beeinflussen. Dies gilt beispielsweise bei der Anwendung von Hallgeneratorcn. ferner bei der Bildung des Produktes xy der Beziehung log xj» = log χ + log y, wo logarithmische Kennlinien von Halbleiterelementen eingesetzt werden. Bei der Bestimmung des Produktes xy aus der Beziehung xy = (x + y)² — (x - y)² sind quadratische Kennlinien von Halbleiteranordnungen erforderlich.

Es ist durch die schweizerische Patentschrift 462 953 eine Multiplikationsschaltung bekanntgeworden, bei welcher die Amplitude der Impulse einer Impulsfolge in Abhängigkeit vom einen Faktor und das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer in Abhängigkeit vom anderen Faktor moduliert wird, so daß der Spannungsmittelwert dieser Impulse dem Produkt proportional ist. Diese Schaltung hat sich in der Praxis gut bewährt, kann jedoch nicht ohne weiteres in monolithisch integrierter Form hergestellt werden. Ferner sind bei dieser bekannten Schaltung zur Multiplikation von Größen mit veränderlichem Vorzeichen schnelle transistorisierte Umschalter erforderlich, deren Restspannungen bzw. Restwiderstände das Meßergebnis erheblich verfälschen können.

Die erwähnten bekannten Multiplikatoren bilden vorerst das Produkt in analoger Form. Zur Ermittlung der elektrischen Energie wird jedoch nicht eine analoge Meßgröße, sondern eine Impulsfolge mit dem Produkt aus Spannung und Strom proportionaler Impulsfolgefrequenz gefordert, weshalb in den Ausgang der bekannten Multiplikatoren ein Strom-Frequenzwandler geschaltet werden muß, der weitere Meßfehler mit sich bringen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Schaltungen nicht aufweist und eine Impulsfolge mit dem Produkt der zu multiplizierenden Größen proportionaler Impulsfolgefrequenz unmittelbar erzeugt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die erste Multiplikationsgröße über einen Meßwiderstand an den Eingang des Miller-Inte-

grators geführt ist und daß der Meßwiderstand eine von der zweiten Multiplikationsgröße gesteuerte, ihrem Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert

Es zeigt

F i g. I ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Gleichstrom,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Energiemessers für Wechselstrom und

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Wechselstrom.

In der F i g. 1 ist eine erste Multiplikationsgröße U₁ über einen Meßwiderstand 1, welcher aus einem gesteuerten Widerstand R₁ und aus einem Widerstand R₂ mit konstanter Impedanz besteht, an den Eingang eines Miller-Integrators 2 geführt. Dieser Miller-Integrator weist einen Verstärker 3 mit ein ·πι zwischen den Eingang 4 und den Ausgang 5 geschalteten Kondensator 6 auf und bildet zusammen mit einem Schwellenschalter 7. der jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung die Entladung des Kondensators 6 mittels eines Kurzschlußschalters 8 auslöst, einen an sich bekannten Analog-Digitalwandler 9. An Stelle des Kurzschlußschalters 8 kann auch ein Ladungsmengenkompensator Verwendung finden, welcher beim Ansprechen des Schwellcnschalters 7 Impulse mit konstanter Ladung an den Eingang 4 liefert.

Eine Referenzspannungsquelle U₀ ist über einen Spannungsteiler 10, der aus einem vom Ausgang II eines Differenzverstärkers 12 in nicht näher dargestellter Weise gesteuerten Widerstand R₃ und einem Widerstand R₄ besteht, an einen ersten Eingang 13 des Differwverstarkers 12 geschaltet. Die zweite Multiplikationsgröße U₂ ist über einen Spannungsteiler R₅, R₆ an einen zweiten Eingang 14 des Difk·- renzverstärkers 12 gelegt. Der Ausgang 11 desselben steuert die Widerstände R₁ und R₃ in gleicher Weise, so daß die Bedingung R₁ = R₃ jederzeit erfüllt ist. Ferner ist R₂ = R^. <

Die Arbeitsweise des Analog-Digitalwandlers 9 kann als bekannt vorausgesetzt werden. Für seine Ausgangsfrequenz /„ gilt

wobei Zc₁ eine Konstante und R = R_x + R₂ den Ohmwert des Meßwiderstandes 1 bedeutet.
Ferner ist

Il —

^x ~

Uy =

R₃ + R₄

U₇

U_y = 0 ist. Damit wird

RAR₅

U₀

.R₄, R₅ und R₆ sowie die Referenzspannung U₀ konstant sind, gut

R = R₁+R₂=J₁^,

worin Ic₂ eine Konstante bedeutet. Die Impedanz R des Meßwiderstandes 1 ist also dem Reziprokwert der Multiplikationsgröße IZ₂ proportional. Damit wird

Somit ist die Ausgangsfrequenz f_a ein Maß für die

Leistung eines elektrischen Verbrauchers, wenn die eine der beiden Multiplikationsgrößen ein Abbild des Stromes und die andere Multiplikationsgröße ein Abbild der Spannung ist.

Als gesteuerte Widerstände R₁ und R, können vorteilhaft zwei gleiche Feldeffekttransistoren verwendet werden. Diese werden mit Vorteil unterhalb der sogenannten Einschnürspannung betrieben, wo die Strom - Spannungs - Kennlinie des Drain - Source-Strompfades nahezu linear verläuft. Zur weiteren Linearisierung kann zwischen die Drain- und die Gateelektrode ein Gegenkopplungswiderstand und in Reihe mit der Gateelektrode ein weiterer Widerstand geschaltet werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin.

als gesteuerte Widerstände R₁ und R₃ magnetfeldabhängige Widerstände zu verwenden, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers 12 erregten Spule liegen.
Unterschiede in der Charakteristik der gesteuerten Widerstände R₁ und R, können durch Reihen- und Parallelwiderstände ausgeglichen werden.

In der F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines Energiemessers für Wechselstrom dargestellt. Mit 15 ist ein Leistungsmesser bezeichnet, der schalfungsmäßig demjenigen der F i g. 1 entspricht. Die Multiplikationsgrößen M₁ und u₂ , die Abbilder der Spannung und des Stromes eines elektrischen Verbrauchers darstellen, sind jeweils einer konstanten Gleichspannung U₀₁ bzw. LZ₀₂ überlagert. Diese Gleichspannungen sind so gewählt, daß in jedem Zeitmoment die Beziehungen U₀₁ + ii\ > O und tZ₀2 + "2 > O gelten.

Der Ausgang 16 des Leistungsmessers 15 ist mit einem Addiereingang 17 eines Impulszählers 18 verbunden. Ein Subtrahiereingang 19 desselben ist an einen Impulsgeber 20 angeschlossen, der eine Referenzfrequenz J₀ abgibt, welche die Bedingung

55

Dabei bedeutet U_x die Spannung am Widerstand R₄ und U_}. diejenige am Widerstand R₆.

Der Differenzverstärker 12 steuert den Widerstand R₃ derart, daß U_x

65 L
Ic₂

'02

erfüllt.

Wenn U₁ und Ci₂ den Scheitelwert der Spannungen H₁ und U₂ gleicher Frequenz und cos 7- den Phasenwinke! zwischen u, und u₂ bedeutet, schwankt die Frequenz /„ um den Mittelwert

L= ir -

cosy

Für den nach einer Meßperiode T erreichten Zählerstand N des Impulszählers 18 gilt somit:

Da R₁ = R₃ und R₂ = R₄. ist und die Widerstände

Die Referenzfrequenz /₀ des Impulsgebers 20 wird vorteilhaft von der Netzfrequenz f_N eines Energieverteilnetzes abgeleitet, da der über längere Zeit betrachtete Mittelwert der Netzfrequenz äußerst konstant ist. Durch Frequenzuntersetzung kann beispielsweise eine Referenzfrequenz

f - ⁿ ■ f

erzeugt werden, wobei η und m ganze Zahlen sind. Die Ubertragungskonstante

-Ό2

muß dementsprechend gleich — · f„ gewählt werden.

Die F i g. 3 zeig; ein Prinzipschaltbild eines Leistungsmessers für Wechselstrom. Gleiche Teile wie in der F i g. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Der Strom / eines in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchers ist an einen Stromwandler 21 geführt, an dessen Abschlußwiderstand 22 die Spannung U₁ liegt. Die Spannung ist der konstanten Gleichspannung CZ₀I überlagert und über den Meßwiderstand 1 an den Eingang 4 des Miller-Integrators 2 geführt.

S Die Sekundärwicklung 23 eines an die Spannung U des Verbrauchers angeschlossenen Spannungswandlers 24 ist in Reihe mit der Referenzspannungsquelle CZ₀ an den Spannungsteiler R₅ , R₆ geschaltet. Somit ist die der Multiplikationsgröße U₁ überlagerte konstante

to Größe die Spannung der Referenzspannungsquelle CZ₀. Die gesteuerten Widerstände R,, R₃ sind durch Feldeffekttransistoren 25,26 gebildet.

Eine Stromquelle 27 ist an den Eingang 4 des Miller-Integrators 2 angeschlossen. Sie entzieht dem Konden-

■ S sator 6 einen konstanten Strom /,, dessen Größe derart gewählt ist, daß bei CZ · / = 0 die Ausgangsfrequenz f„ — 0 ist

Bei cos q < 1 nimmt die Momentanleistung zeit* weilig negative Werte an. Dabei wird auch die Span nung am Kondensator 6 negativ. Deshalb muß der Verstärker 3 sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Leistung mit einem Analog-Digitalwandler, der eine dem Produkt aus Spannung und Strom proportionale Frequenz abgibt und einen Millerintegrator aufweist, dessen Kondensator jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Multiplikationsgröße (C/j; U₁) Ober einen Meßwiderstand (I) an den Eingang (4) des Miller-Integrators (2) geführt ist und daß der Meßwiderstand (1) eine von der zweiten Multiplikationsgröße [U₂; U₂) gesteuerte, ihrem Reziprokwert proportionale Impedanz aufweist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) aus einem \nu einem Differenzverstärker (12) gesteuerten ersten Widerstand (R₁ ) und aus einem zweiten Widerstand (R₂) mit konstanter Impedanz besteht, daß eine Referenzspannungsquelle (U₀) über einen Spannungsteiler (10) an den ersten Eingang (13) des Differenzverstärkers (12) und ein Abbild der zweiten Multiplikationsgröße [U₂) an den zweiten Eingang (14) desselben geschaltet ist und daß der Spannungsteiler (10) einen vom Differenzverstärker (12) gesteuerten dritten Widerstand (R₃) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dei -rste und der dritte Widerstand [R₁ ; R-) durch Feldeffekttransistoren (25; 26) gebildet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Drain- und die Gateelektrode der Feldeffekttransistoren (25; 26) ein Gegenkopplungswiderstand und in Reihe mit der Gateelektrode ein weiterer Widerstand geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Widerstand (R₁; R₃) magnetfeldabhängige Widerstände sind, die im Luftspalt einer durch den Ausgangsstrom des Differenzverstärkers (12) erregten Spule liegen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Multiplikationsgrößen (a,; U₂) konstante Größen [U₀₁; U₀₂) überlagert sind und daß der Miller-Integrator (2) eingangsseitig an eine konstante Stromquelle (27) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen Energie den Multiplikationsgrößen (u,; u₂) konstante Größen [U_ot ; U₀₂) überlagert sind und daß der Ausgang des Analog-Digitalwandlers (9) mit einem Addiereingang (17) eines Impulszählers (18) verbunden und ein Subtrahiereingang (19) des Impulszählers (18) an einen Impulsgeber (20) mit konstanter Frequenz (/₀) angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 6 oder Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Multiplikationsgröße (U₂) überlagert konstante Größe die Spannung der Referenzspannungsquelle (LZ₀) ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f₀) des Impulsgebers (20) von der Netzfrequenz eines Energieverteilnetzes abgeleitet ist.