DE2244400A1 - Schaltungsanordnung zur messung von wechselspannungen - Google Patents
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Description
111/72 Fd /ms
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen, insbesondere von Hochspannungen,
mit einem Messumsetzer, der Über eine erste Impedanz an die zu messende Spannung angeschlossen ist.
Hochspannungs-Messchaltungen der vorgenannten Art werden üblicherweise mit einem kapazitiven Spannungsteiler
ausgeführt, bei dem parallel zur Unterimpedanz bzw. Unterkapazität
ein Messumsetzer angeschlossen ist. Unter "Messumsetzer1'
ist dabei allgemein ein zur Überführung der Messpannung in eine zur Auswertung bzw. Anzeige geeignete
Form dienendes Schaltungselement zu verstehen, beispielsweise ein Messverstärker oder auch unmittelbar ein
Messgerät, etwa der Spannungspfad eines WiifcLeistungsmessers.
Soweit ein solcher Messumsetzer eine vergleichs-
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weise niedrige Eingangsimpedanz aufweist, wird durch
die Parallelschaltung zur Unterimpedanz des Spannungeteilers Betrag und Phase des Teilerverhältnisses und
damit die abgegriffene Messpannung beeinflusst. Dieser Einfluss könnte zwar grundsätzlich durch Eineichen berücksichtigt werden, jedoch im allgemeinen nur für eine
bestimmte Messfrequenz. Ausserden kann im allgemeinen
nicht vorausgesetzt werden, dass die Eingangsimpedanz
des Messurasetzers einen fUr das vorgesehene Untersetzungsverhältnis und eine gegebene Oberimpedanz des Teilers,
z.B. ein Hochspannungskondensator, geeigneten Wirk- und Blindanteil aufweist. Weiterhin gehen bei den bekannten Messchaltungen mit Spannungsteiler die unvermeidlichen parasitären Parallelimpedanzen am Eingang
des Messumsetzers, vor allem Schaltungs- und Abschirmkapazitäten gegen Erde, in die abgegriffene Messpannung
ein. Insbesondere der hierdurch bedingte Phasenfehler, d.h. die Phasenabweichung zwischen zu messender Spannung
und abgegriffener Messpannung, lässt sich nicht ohne
weiteres durch Eineichen berücksichtigen. PhasenPehler
stören Jedoch vor allem bei der Wirkleistungsmessung bzw. bei der Messung des Verlustwinkels von Grosstransformatoren und Drosselspulen. Ein Phasenfehler von einer Bogenminute hat bei einem Leistungsfaktor von 0,01 bereits
einen Fehler bei der Leistungsmessung von etwa j># zur
Folge.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Spannungsmessschaltung, die sich durch geringen Einfluss
von parasitären Impedanzen im Bereich des Messumsetzers , gleichzeitig aber durch einfachen Aufbau
auszeichnet. Die erfindungsgemässe Lösung dieser
Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch, dass als
Messumsetzer ein gegengekoppelter Verstärker mit einem die Verstärker-Eingangsspannung gegenüber der Verstärker-Ausgangsspannung
auf vernachlässigbar geringe Werte herabsetzenden Verstärkungs- und Gegdnkopplungsgrad
vorgesehen ist und dass eine zweite Impedanz, deren Verhältnis zur ersten Impedanz dem Verhältnis
der Ausgangsspannung zu der zu messenden Spannung entspricht,
im Gegenkopplungszweig des Verstärkers angeordnet ist.
Bei einer solchen Schaltung gehen sämtliche parallel zum Verstärkereingang liegenden Impedanzen einschliess-Iicn
der Eingangsimpedanz des Verstärkers selbst und der hier auftretenden parasitären Impedanzen, insbesondere
Erdkapazitäten von Abschirmungen und dergleichen, praktisch nicht in das Untersetzungsverhältnis
und damit weder in den Betrag noch in die Phasenlage der Ausgangsspannung des Verstärkers ein. Der
Grund hierfür liegt darin, dass die Eingarigsspannung des Verstärkers bei entsprechend hohem Verstärkungsund
Gegenkopplungsgrad'praktisch verschwindet und
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somit an den genannten Parallelimpedanzen keine merkliche Spannung anliegt. Damit werden insbesondere
die bei üblichen Spannungsteilerschaltungen auftretenden Phasenfehler vermieden. Die im Gegenkopplungszweig
des Verstärkers liegende zweite Impedanz hat im Gegensatz zu den bekannten.Schaltungen nicht die
Funktion einer Spannungsteiler-Unterimpedanz und kann von parasitären Parallelimpedanzen weitgehend freigehalten
und vergleichsweise einfach sehr genau bemessen, werden. Das Untersetzungsverhältnis kann durch entsprechende
Bemessung der zweiten Impedanz in weiten Grenzen eingestellt werden, weil die Ausgangsspannung
des Verstärkers im Verhältnis zu der zu messenden Spannung in weitgehender Näherung durch das Verhältnis
der zweiten Impedanz zur ersten Impedanz gegeben ist.
Die Umschaltung des Untersetzungsverhältnisses gestaltet
sich ebenfalls äusserst einfach, weil ohne Schwierigkeit eine grössere Anzahl von wechselweise oder in wechselnder
Kombination in den Gegenkopplungszweig einschaltbaren Impedanzen mit zugehörigen Kondensatoren vorgesehen werden
kann. Die parasitären Erdkapazitäten der zugehörigen Schalter gehen wiederum kaum in das Messergebnis ein,
weil sie einerseits parallel zum Eingang des gegengekoppelten Verstärkers, d.h. praktisch an einer verschwindend
geringen Spannung, und andererseits parallel zu dem niederohmigen Ausgang des Verstärkers liegen.
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Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin
zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Messchaltung mit Operationsverstärker als Messumsetzer,
Fig. 2 das Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. und
Fig. J5 den Aufbau eines Vierpolgliedes aus dem Gegenkopplungszweig
des Verstärkers gemäss Fig. 1.
Gemäss Fig. 1 ist als erste Impedanz Zl ein Pressgaskondensator
Cl vorgesehen, an dessen Aussenelektrode
1 die zu messende bzw. zu untersetzende Hochspannung Ul liegt. Dieser Kondensator besitzt eine genau bekannte
Kapazität (im folgenden ebenfalls mit Cl bezeichnet) und einen ebensolchen Verlustwinkel . Die" Innenelektrode
des Kondensators Cl ist über eine abgeschirmte Leitung
mit dem invertierenden Eingang 2 eines Operationsverstärkers
V verbunden, dessen nichinvertierender Eingang 3 zusammen mit der Schirmelektrode 4a der Leitung 4 auf
Erdpotential liegt. Zwischen dem Ausgang 5 des Verstärkers V und dem invertierenden Eingang 2 liegt eine
Mehrzahl von selektiv Über Schalter Sl und S2 ein.-schaltbaren
Hauptkondensatoren C21, C22 usw., deren
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• *
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Jeder mit einem parallelgeschalteten Stellwiderstand
R21, R22 usw. sowie mit einem ebenfalls parallelgeschalteten Stellkondensator C*21f C*22 usw. versehen
ist. Die vorgenannten Schaltungselemente bilden somit
die zweite Impedanz im Gegenkopplungszweig des Verstärkers V. Durch Umschalten zwischen den einzelnen
Hauptkondensatoren oder gegebenenfalls durch Einschalten von bestimmten Kombinationen dieser Schaltungselemente
lässt sich das Untersetzungsverhältnis in einem weiten
Bereich einstellen. Die Stellkondensatoren dienen dabei zur Feineinstellung des Untersetzungsverhältnisses,
während die Stellwiderstände eine Feineinstellung des Phasenwinkels für die verschiedenen Messbereiche ermöglichen. Ferner sind in Fig. 1 die parasitären Erdkapazitäten Cs der Schalter Sl und S2 angedeutet, die
einerseits parallel zum Eingang und andererseits parallel zum Ausgang des Verstärkers V mit der Ausgangsspannung
U2 liegen. An den Verstärker kann eine geeignete Auswerteeinrichtung, beispielsweise ein unmittelbar anzeigendes
Messgerät, angeschlossen sein.
Im Ersatzschaltbild gemäss Fig. 2 ist die erste Impedanz
Zl mit Cl und dem Verlustwiderstand Rl des Pressgaskondensators angedeutet, ferner diezweite Impedanz Z2 mit
aus Haupt- und Stellkondensator bestehendem C2 sowie parallelgeschaltetem Stellwiderstand R2. Parallel zum
Eingangswiderstand Re liegt eine Ersatzkapazität Ce, in
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der die Abschirmkapazität der Zuleitung und die eingangsseitige
parasitäre Schälterkapazität aus dem Gegenkopplungszweig sowie sonstige parasitäre Kapazitäten
enthalten sind. Entsprechendes gilt für die Ausgangskapazität Ca, die parallel zu dem im allgemeinen niederohmigen
Lastwiderstand RT liegt und wegen des geringen
ausgangsseitigen Innenwiderstandes des Verstärkers V
kaum wirksam ist. Letzterer ist im Ersatzschaltbild durch seine Leer lauf spannung -AUi mit dem Verstärkungs·-
faktor A und durch den ausgangsseitigen Innenwiderstand Ro gekennzeichnet. In der Praxis kommt für den Verstärker
V vorzugsweise ein chopperstabilisierter Operationsverstärker
in Betracht.
Infolge des geeignet hohen Verstärkungsfaktors A und eines entsprechenden Gegenkopplungsgrades über Z2 wird
die Eingangsspannung Ui des Verstärkers V auf gegenüber
der Ausgangsspannung U2· praktisch verschwindende vierte herabgesetzt, so dass die Eingangskapazität Ce und der
Eingangswiderstand Re in die Ausgangsspannung praktisch nicht eingehen.
Unter den genannteriVoraussetzungen gilt für die Ausgangsspannung
U2 in Abhängigkeit von der Hochspannung Ul in weitgehender Näherung:
U2 « -U1.Z2/Z1 (1)
- 8-
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- ö - 111/72 ■■:·.
224'UOO
Weiterhin gilt für Zl und Z2:
Zl - Rl/(1 + pTl), Z2 - R2/(l + pT2) (2)
Hierin ist der Heaviside-Operator ρ im stationären Fall nach Abklingen von beim Einschalten auftretenden Ein
schwing vorgänge η = jil , während Tl und T2 die Zeitkonstanten
Rl.Cl bzw, R2.C2 sind. Insgesamt ergibt sich so fUr Ausgangsspannung:
U2 - -Ul α1 TS_LLjL_eT1
In dieser Beziehung sind die Grossen Cl und Tl bzw. Rl aus den Konndaten des Pressgaskondensators mit hoher
Genauigkeit bekannt, insbesondere R2 aus dem Verlustwinkel und der Messfrequenz. Die Grossen C2 und T2 sind
ebenfalls mit hoher Genauigkeit bekannt und im übrigen wie dargelegt justierbar, so dass die Ausgangsspannung
mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Insbesondere lässt sich innerhalb eines gegebenen Messfrequenzbereiches
Tl = T2 machen, womit -abgesehen vom Frequenzgang des Verstärkungsfaktors A - Frequenzunabhängigkeit
für den Bestimmungsausdruck von U2 gemäss Gleichung (3) erreicht ist, weil das Verhältnis zwischen
Wirk- und Blindkomponente von.Zl und Z2 den gleichen
Frequenzgang aufweist.
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~ & - 111/72 '
^ . 224UQQ.
Zwecks Vermeidung von ungünstig hohen -t Impedanzwerten
ftlr die einzelnen Schaltungselemente im Gegenkopplung- ■
zweig des Verstärkers kann hier vorteilhaft ein •Vierpolglied Q, mit im allgemeinen vergleichsweise niederohmiger
Querimpedanz eingesetzt werden. Insbesondere kommt zweckmässig hier ein Vierpol in T-Schaltung zum ; ■
Einsatz. Ein solcher aus Wirkwiderständen bestehender. ■ Vierpol Q zur Verwirklichung eines extrem hochohmigen
Parallel-Trimmwiderstandes R2 durch im einzelnen vergleichsweise'
niederohmige Widerstände ist in Fig. j5 · ·'·.
gezeigt. Er ist zwischen den Schaltungspunkten K-K in Flg. 1 anzuschliessen. ' . . ■ ·.
Hier sind zwei Widerstände R2I- und R5 in Längszweig mit.
einem vergleichsweise niederohmigen Stellwiderstand ΈΟ ■
im Querzweig angeordnet. Der in einer Schaltung gemäss Fig. 2 wirksame Längswiderstand 'eines solchen Vierpols
ergibt sich wegen der praktisch verschwindenden Spannung'V
Ui, d.h. für ausgangsseitigen Kurzschluss des Vierpols,,
als ' ' '· · ■·"""'
R2 = U2/I2·'= R4 + R5 +
Bei entsprechend geringen Werten von Rj5, die bequem .
realisierbar sind, ergibt'sich somit ein sehr hoher wirksamer Widerstand R2.. ■ · · "
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Claims (1)
- Pa te ntans priic helJ Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen, insbesondere von Hochspannungen, mit einem Messumsetzer, der über eine erste Impedanz an die zu messende Spannung · angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Messumsetzer ein gegengekoppelter Verstärker (V) mit einem die Verstärker-Eingangsspannung (Ul) gegenüber der Verstärker-Ausgangsspannung (U2) auf vernachlässigbar geringe Werte herabsetzenden Verstärkungs- und Gegenkopplungsgrad vorgesehen ist und dass eine zweite Impedanz (Z2), deren Verhältnis zur ersten Impedanz (Zl) dem Verhältnis der Ausgangsspannung (U2) zu der zu messenden Spannung (Ul) entspricht, im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeordnet ist.2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messumsetzer ein Operationsverstärker (V) mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang vorgesehen ist, dass der niederspannungsseitige Anschluss der ersten Impedanz (Zl) über eine abgeschirmte Leitung an den invertierenden Eingang (2) und die Schirmelektrode (hä) der abgeschirmten Leitung (4) an Erde sowie an den nichtinvertierenden Eingang (3) des Verstärkers (V)409809/03b4ORIGINAL INSPECTEDangeschlossen ist.und dass die zweite Impedanz (Z2) den Ausgang (5) des Verstärkers (V) mit dem invertierenden Eingang (2) verbindet.j5. Schaltungsanordnung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Impedanz (Z2) mindestens einen Hauptkondensator (C21) und mindestens einen parallel zu einer Hauptkapazität angeschlossener Stellwiderstand (R21) aufweist.4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Impedanz (Z2) mindestens einen Hauptkondensator (C21) und in Parallelschaltung dazu mindestens einen Stellkondensator (C'2I) aufweist.5.-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von wechselweise bzw. in wechselnder Kombination in den Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) einschaltbaren Hauptkondensatoren (C21, C22, ...) vorgesehen ist.6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-, zeichnet, dass zu mindestens einem der Hauptkondensatoren (C21) ein Stellwiderstand (R21) und/oder ein Stellkonden-409809/0354- 12 - " 111/72 Dsator (C'2I) parallelgeschaltet ist.7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeordnete zweite Impedanz (Z2) mindestens ein Vierpolglied (Q) mit mindestens einer Querimpedanz (RjJ) vorgesehen ist.8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass ein Längszweig (K-K) des Vierpolgliedes (Q) parallel zu einem Hauptkondensator (C21) im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeschlossen ist.9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7# dadurch gekennzeichnet, dass die Querimpedanz (RjJ) des Vierpolgliedes (Q) als Wirkwiderstand ausgebildet ist.10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querimpedanz (Rj5) des Vierpolgliedes (Q) als Stellwiderstand ausgebildet 1st.11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7# dadurch gekenn«- zeichnet, dass das Vierpolglied (Q) als T-Schaltung ausgebildet ist.409809/0354■■ - 15 - . 111/72 D22 UA OO12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Vierpolglied (Q) im wesentlichen aus Wirkwiderständen (R3* R^* R5) aufgebaut ist und dass der Längszweig (R4, R5) des Vierpols parallel zu einem Hauptkondensator im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeschlossen ist.13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindkomponente für die erste und die zweite Impedanz innerhalb eines vorgegebenen Messfrequenzbereiches wenigstens angenähert den gleichen Frequenzgang aufweist.Aktiengesellschaft Brown,.Boveri & Cie.40 9-8 09/0354
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