DE2527392B2 - Elektronischer elektrizitaetszaehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Elektrizitätszähler für einen Mehrphasen-Wechselstromkreis, in welchem nach dem Prinzip der Impulsbreiten-Impulshöhen-Modulation die der Einphasen-Augenblicksleistung entsprechenden Impulse eine der Augenblicksspannung der Phase proportionale Breite und eine dem Augenblicksstrom proportionale Amplitude erhalten, woraus in einem Arbeitsschaltkreis ein Analogstromausgangswert geschaffen und dieser zur Messung der elektrischen Arbeit über die Zeit integriert wird.

Elektronische Elektrizitätszähler sind kompliziert im Aufbau und in ihrer Arbeitsweise. Besonders bestehen sie aus einer großen Anzahl von Teilen, weshalb sie störanfälliger und vielfach noch nicht ausreichend wirtschaftlich sind. Außerdem sind die Charakteristiken der Schaltkreiselemente nicht vollständig gleichmäßig, so daß sich daraus Unsymmetriefehler ergeben. Da diese Unsymmetriefehler korrigiert werden müssen, sind umständliche Herstellungsmethoden für die bekannten Mehrphasen-Elektrizitätszähler erforderlich, während andererseits die Meßgenauigkeit begrenzt ist.

Der Erfindung liegt deshalb dit- Aufgabe zugrunde, nicht nur hinsichtlich der Zahl der zu verwendenden Bauteile den Elektrizitätszähler günstiger zu gestalten und damit seine Herstellungskosten und auch seinen Bauraum zu senken, sondern die bisher auftretenden Unsymmetriefehler oder die zu ihrer Beseitigung erforderlichen Hilfsmittel auszuschalten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß ein Impulsverteiler vorgesehen ist, der in zyklischer Folge die Zuführung der Spannungswerte der Phasen zur Impulsbreiten-Modulationsstufe und der zugehörigen Stromwerte für die Amplitudenmodulation der Impulse steuert.

Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße elektronische Elektrizitätszähler benötigt nur einen einzigen Arbeitsschaltkreis, der das Multiplizieren der Spannuneen und Ströme der einzelnen Phasen des Mehrphasensystems ausführt, wobei die Spannungen und Ströme durch entsprechende elektronische Schalter, die den einzelnen Phasen zugeordnet werden, aufeinanderfolgend dem Arbeitsschaltkreis zugeführt werden. Im Arbeitsschaltkreis werden mehrphasige Impulssignale gebildet, die zyklisch die elektronischen Schalter derart betätigen, daß ein Ausgang entsprechend einer Summe der elektrischen Leistungen der Phasen im Mehrphasen-Wechselstromsystem erhalten wird.

Zwar sind in der Meßtechnik Vielstellenmeßsysteme bekannt, z.B. bei schreibenden Thermometern mit zahlreichen Meßpunkten. Das technische Konzept der Erfindung unterscheidet sich jedoch von derartigen Vielstellenmeßsystemen grundlegend, denn es gibt kombinierte Analogausgangsgrößen ab, indem die Eingangszeitspanne als gleich vorgegeben wird.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung eingehend erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild des Zählers in einem Dreiphasensystem mit Null-Leiter als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Schwingungsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Zählers aus F i g. 1,

Fig.3 eine abgewandelte Schaltung eines im Zähler nach Fig. 1 eingesetzten Impulsbreitenmodulationskreises.

Das Dreiphasenwechselstromnetz mit Null-Leiter, das in der F i g. 1 dargestellt ist, hat die drei Phasenleiter 1,2 und 3 sowie den Null-Leiter N, Spannungswandler PT₂, PT₂ und PTi und Stromwandler CT,, CT₂ und CT₁. Diese Spannungs- und Stromwandler dienen lediglich dazu, einen Zugang zu den Spannungs- bzw. Stromwerten der Phasenleiter zu erhalten, und die Spannungs- und Stromwerte, die von den Wandlern festgestellt werden, werden zyklisch auf einen Arbeitskreis (der im einzelnen später noch beschrieben wird) über elektronische Schalter Si, S₂ und S₃ bzw. S₁.,, Sm und S_}:, gegeben; diese können Schalttransistoren sein, die an die Sekundärwicklungen der Wandler angeschlossen sind.

Der Arbeitskreis ist so bemessen, daß er das Produkt aus Spannung und Strom einer jeden Phase bildet und einen Stromausgangswert / erzeugt, der proportional der Summe der elektrischen Leistungen in den drei Phasen zusammen ist. Der Stromausgangswert / wird durch einen Strom-lmpulswandler A in einzelne Impulse umgewandelt. Diese Impulse kommen in einen Zähler Fund werden von diesem integriert. Die Anzahl der im Zähler Fgezählten Impulse ist dann ein Maß für die gesamte Arbeit.

Der Arbeitskreis weist einen Impulsgenerator Q auf, der ein Impulssignal q₀ erzeugt, und einen Impulsverteiler B, der z. B. durch ein Schieberegister gebildet wird und mehrphasige Steuerimpulse (bei dem vorliegenden Beispiel dreiphasige Steuerimpulse) erzeugt mit Hilfe des Impulssignals ςο und die mehrphasigen Steuerimpulse an die entsprechenden elektronischen Schalter verteilt. Die Ausgangsströme der Sekundärwicklungen der Stromwandler werden in wechselnder Folge dem Arbeitskreis durch die elektronischen Schalter S\_u, S₂., und Sj., zugeführt, die durch die dreiphasigen Steuerimpulse geschaltet werden, so daß ein Mittelwert der sekundären Ausgangsströme der Stromwandler proportional der elektrischen Leistung erhalten wird.

In den Sekundärkreis eines jeden Stromwandlers ist ein Kondensator C eingeschaltet, damit in diesen Sekundärkreis kein Gleichstrom fließt und dieser als Stromauigangsquelle dienen kann.

Der Arbeitskreis weist außerdem einen Impulsbreiten-Modulationskreis PWM auf, der in F i g. 1 eingerahmt gezeichnet ist, welcher einen Schalttransistor Tr 1 enthält, der vom Impulssignal q₀ r»es Impulsgenera-■ors 0 gesteuert wird, wobei ein Kondensator Q₁ -, zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors Tr 1 eingeschaltet ist, während ein Transistor Tr 2 pinen Emitterwiderstand Ro hat und durch eine Bezugsspannung £0 vorgespannt ist, um einen Bezugsstrom /₀ zuzuführen; eine Triggerdiode D ist durch ihren \» Lastwiderstand R parallel zum Kondensator G> geschaltet; eine Gleiehspannungsquelle £ liegt an der gemeinsamen Klemme der Sekundärwicklungen der Spannungswandler PTi, PT: und PT), und ferner ist eine Torschaltung mit den Dioden d\ und d₂ vorhanden. ι -,

Während der Zeitspanne, in der der Schalttransistor Tr 1 durch das Impulssignal qn des Impulsgenerators Q gesperrt ist, lädt der über den Transistor 7'r 2 zugeführte Bezugsstrom /o den Kondensator G₁ auf, so daß die Spannung am Kondensator Q, linear ansteigt. Wenn :n dann die Spannung des Kondensators C₁ einen Wert (E+ e) übersteigt, wird die Triggerdiode D, die parallel zum Kondensator C_n liegt, leitend, was zur Folge hat, daß eine Spannung (I₀ · R) am Lastwiderstand R der Triggerdiode D erzeugt wird. Dieser Zustand hält so y, lange an, bis der Transistor Tr 1 leitend wird. Folglich ist eine Nullpegelimpulsbreite eines Eingangsimpulssignals, das dem Impulsverteiler B durch den Torkreis d\, d; zugeführt wird, gleich einer Zeitspanne, die iür das Laden des Kondensators d benötigt wird; mit anderen Worten, sie kann durch folgende Gleichung festgelegt werden:

Die Impulsbreite r wird mithin durch die Eingangsspannung e moduliert. Das so modulierte Eingangsimpulssignal wird durch den 'impulsverteiler Sin die oben beschriebenen Dreiphasenimpulse bu h? und i>i geformt, und die so geformten Dreiphasenimpulse werden auf die zugehörigen elektronischen Schalter Si, Si.,; S₂, S₂., und Si, Sjj verteilt, was mit Hilfe des Impulsverteilers ß geschieht. Die Arbeitsfrequenzen dieser elektronischen Schalter werden weit höher gewählt als die Frequenz des Dreiphasenwechselstroms, der gemessen werden soll.

In der F i g. 2 sind Aüs^angswellen /■, l· und Λ dargestellt, die bei Arbeit der elektronischen Schaher Si, Si.,; S:, S:.,; Ss, S_s., erhalten werden. Die Ausgangswellenformen /■, I₂ und /3 sind Arbeitsausgangswellenformen der ersten, der zweiten und der dritten Phasenkomponente. Der zusammengefaßte Arbeitsausgang /dieser drei Ausgänge /·,, A> und Λ wird mit Hilfe eines Glättungskondensators Cf'm einen Gleichstrom geglättet, dessen Gleichstrommittelwen proportional der Summe der elektrischen Leistung in den drei Phasen ist.

Der geglättete Wert / (zeitlicher Mittelwert) des Ausgangsstromes / kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

I = /, 1

¹ 3T_n

T₂

3T₀

worin ;'i, /_> und /Ί die sekundären Augenblickswerte der Ströme der Stromwandler CT₁, CT₂ und CT) sind, Ti, r? und Ti die Modulationsimpulsbreiten der jeweiligen Phasen und T₀ die Periode des Impulses Qn ist.

/, τ, = i, C„( £ + c,) /„ = ■"■ · ι, f,. da i, E = O;

mit Ci, t\> und e>, als den Spannungen der drei Phasen ergibt sich daraus:

-> Ό V 'ο Ό

C₀ .- - C₀ ·.-Ό

mit P₁ = C₁Z₁. P₂ = tsh und P₁ = t·,/,.

So ist der gemittelte Gleichstromausgangswcrt proportional der Summe der drei elektrischen Leistungen Pi, P2 und Pi. Die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung kann durch entsprechende Einstellung des Proportionalitätsfaktors G)/3 T_nAi oder CJT_nIn erhöht werden.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Beispiel sind die Schalter Su, Sza und Sis strombetätigte Schalter, so daß der Einfluß ihres Innenwiderstandes geringfügig zu spüren ist. Außerdem ist der Arbeitsausgangswert ein Stromausgangswert, so daß der Einfluß einer Spannungsdrift, Her durch den Strom-Impuls-Wandler hervorgerufen wird, ebenfalls geringfügig zu spüren ist.

Eine Abwandlung des lmpulsbreitenniodulationskrcises ist in der F i g. 3 dargestellt. Wenn ein Transistor TrIt in diesem Schaltkreis durch ein Impulssignal vom Impulsgenerator Q in gesperrtem Zustand gehalten wird, dann lädt ein Strom I_c proportional einer Spannung (En + c) einen Kondensator Ca mit hülfe eines Eingangstransistors Tr 13 über eine bestimmte Zeitspanne To auf. Danach wird dann der Transistor Tr ti wieder leitend, woraufhin ein Schalttransistor Tr 14 in gesperrten Zustand kommt, und ein konstanter Strom Ai, der durch einen aus einem Transistor 7>12, einem Widerstand R_n und einer Bezugsspannung E» bestehenden Kreis erhalten wird, fängt an. den Kondensator G, in umgekehrter Richtung zu laden (d. h. zu entladen). Damit nimt.'.t das Basispotential des Transistors Tr 14 in einem Maße ab, das proportional dem Strom /u ist, und schließlich wird der Transistor Tr 14 wieder leitend. Es muß jedoch vermerkt werden, daß tier Transistor Tr 14 für die Zeitspanne r gesperrt gehalten wird, in der der Kondensator Cn entladen ist. Da die Ladungsmenge 1,T₁₁ des Kondensators G) gleich der Entladungsmenge /₍,r ist, kann die Zeitspanne r auch durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

τ = I₁To/1₁-,-(En ¥ e).

Die Zeitspanne r wird also durch die Eingangsspannung e moduliert. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 wird der A.usgangsimpuls der Schaltung aus F i g. 3 dann dem Impulsverteiler Bzugeleitet.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Kombination aus Impulsbreitenmodulations-

kreis und elektrischen Schaltern und speziell die Verwendung des Kondensators, der die Stromwandler miteinander verbindet, dazu beitragen, die mehrphasige Leistungs-Strom-Umwandlung zu bewirken und die für die elektrische Leistungsmessung benötigten Einzelteile ihrer Zahl nach zu verringern. Da außerdem der lmpulsbreitenniouulationskreis für sämtliche Phasen gemeinsam benutzt wird, ist auch die Symmetrie zwischen den Phasen nicht gestört, so daß auch die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung beträchtlich verbessert ist.

Wie bereits beschrieben, ist der Ausgangswert des Arbeitskreises ein Stromausgangswert, so daß es ein Leichtes ist, den Ausgangswert mit Hilfe eines Kondensators zu integrieren, was zu einer elektrischen Verbrauchsmessung hoher Genauigkeit führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Elektrizitätszähler einen Mehrphasen-Wechselstromkreis, in weknern nach -, dem Prinzip der Impulsbreiten-Impulshöhen-Modulation die der Einphasen-Augenblicksleistung entsprechenden Impulse eine der Augenblicksspannung der Phase proportionale Breite Uiid eine dem Augenblicksstrom proportionale Amplitude erhal- ι ο ten, woraus in einem Arbeitsschaltkreis ein Analogstrcmausgangswert geschaffen und dieser zur Messung der elektrischen Arbeit über die Zeit integriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsverteiler (B) vorgesehen ist, der in ii zyklischer Folge die Zuführung der Spannungswerte der Phasen zur Impulsbreiten-Modulationsstufe (PWM) und der zugehörigen Stromwerte für die Amplitudenmodulation der Impulse steuert.

2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch jo gekennzeichnet, daß der Impulsverteiler (B) ein Schieberegister ist.

3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sekundärkreisen der die Stromwerte abgebenden Stromwandler r, (CT\ bis CTj)Je ein Sperrkondensator liegt.