DE3524581A1 - Verfahren und schaltung zur schnellen ermittlung elektrischer groessen von wechselstromsystemen - Google Patents
Verfahren und schaltung zur schnellen ermittlung elektrischer groessen von wechselstromsystemenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung
elektrischer Größen von Wechselstromkreisen, insbesondere
zur Ermittlung der Wirk, Schein- und Blindleistung sowie
der Effektivwerte von Strom und Spannung, vorzugsweise in
einphasigen Wechselstromsystemen, aus gemessenen originären
Wechselstrom- und -spannungssignalen.
In der Elektrotechnik sind Verfahren zur Messung von Strom
und Spannung sowie der daraus abgeleiteten Größen wie Wirk,
Schein- und Blindleistung bekannt, die eine kontinuierliche
Messung dieser Größen erlauben. Langsame Änderungen der
originären Wechselstrom- und -spannungssignale, die als
Eingangsgrößen für die Messung dienen, können durch die
bekannten Verfahren mitverfolgt werden.
Die bekannten analogen Verfahren weisen eine relativ große
Einschwingzeit auf, so daß sie wohl langsamen Änderungen
der Meßgröße folgen können, nicht aber zur Untersuchung
schnell ablaufender Änderungen geeignet sind.
Die bekannten digitalen Meßverfahren sind ebenfalls zu
langsam, da ihre Meßprinzipien meist nur die digitale Abwandlung
der bekannten analogen Geräte darstellen. Die verwendeten
digitalen Abtastverfahren sind nachteilig störanfällig.
Einzelne Störungsspitzen verfälschen stark das Meßergebnis.
Darüberhinaus weisen sie den Nachteil auf, daß sie durch
den Einsatz sehr teurer 12-Bit-Analog-Digital-Wandler vielfach
nicht wirtschaftlich anwendbar sind. Werden an die
Dynamik der Geräte höhere Ansprüche gestellt, so sind besonders
kostenaufwändige, schnelle Prozessoren zur Signalverarbeitung
erforderlich, die den Preis der Geräte weiter nachteilig
erhöhen.
Aus wirtschaftlichen Gründen sowie aus Gründen der zu
langen Einschwingzeiten bekannter Meßverfahren- und -geräte
sind ihrem Einsatz in Regelungen sowohl technisch als auch
wirtschaftlich enge Grenzen gesetzt. Der Elektrotechniker
muß deshalb häufig zu prinzipiell schlechteren Regelungen
übergehen, da die bekannten Meßverfahren und -geräte den
gestellten Ansprüchen nicht gerecht werden.
Derartige Anwendungsfälle sind z. B. bei Energieversorgungs-
unternehmen gegeben, in deren Netzen
Leistungspendelungen durch Betriebsstörungen auftreten
können. Auch beim Betrieb von Lichtbogenöfen, z. B. zum
Einschmelzen und Raffinieren von Metallen, sind
Leistungsregelungen zur Korrektur der Elektrodenabstände
wünschenswert, aber aus den genannten Gründen nicht immer
einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren sowie eine
Schaltung zur Realisierung des Meßverfahrens anzugeben, das
bzw. die bei sehr kurzen Einschwingzeiten von
beispielsweise typisch 20 msec., die Bestimmung der
elektrischen Größen des Wechselstromkreises ermöglicht bei
möglichst großer Unempfindlichkeit gegenüber einzelnen
Störungen. Das Verfahren soll darüberhinaus kostengünstig
realisierbar sein. Der Einsatz in Regelgeräten bzw.
Regelkreisen sollte ebenfalls möglich sein. Außerdem sollen
die Meßergebnisse leicht und einfach auswertbar und
darstellbar sein.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Bestimmung der
elektrischen Größen aus nur drei Meßwerten je Phase
erfolgt. Die interessierenden Größen können aus zwei
Meßwertpaaren einfach durch entsprechende mathematische
Verknüpfung vollständig bestimmt werden. Dies ist bei der
Verknüpfung von erfindungsgemäß nur einem Meßwertpaar
entsprechend schnell durchführbar. Die getrennte Bestimmung
jeder einzelnen Größe entfällt vorteilhaft. Alle, den
Wechselstromkreis beschreibende, Größen liegen kurzfristig
vor. Falls nicht alle elektrischen Größen von Interesse
sind, z. B. nur die Wirkleistung gemessen werden soll, so
reichen auch weniger Meßwerte. Zur Ermittlung der Wirkleistung
reichte z. B. sogar ein einziges Meßwertpaar.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine
Ermittlung der Meßwerte durch, vorzugsweise gleichzeitige,
Integration des Verlaufs von Strom und Spannung in einem
vorgegebenen zeitlichen Intervall erfolgt. Der vorgegebene
zeitliche Intervall kann vorteilhaft kurz gewählt werden,
so daß die Meßwertpaare in sehr kurzer Zeit vorliegen. Die
erforderliche Gesamtdauer der Messung wird dadurch
vorteilhaft kurz.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Integration von Strom und Spannung über eine Zeitdauer
erfolgt, die der halben Periodendauer des Stroms oder der
Spannung entspricht. Das Meßverfahren wird bei dieser Wahl
der Integrationszeit besonders genau. Darüberhinaus ist das
Meßverfahren vorteilhaft unempfindlich gegen auftretende
Störungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Integration von Strom und Spannung über zeitlich
versetzte Zeitintervalle, insbesondere um ein Viertel der
Periodendauer versetzt, erfolgt. Durch den zeitlichen Versatz
läßt sich das Signal besonders einfach zu den abgeleiteten
Größen verknüpfen und auswerten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Bestimmung von Integralteilwerten zu Zeitpunkten
erfolgt, die jeweils 1/4, 1/2, 3/4 und 4/4 der
tatsächlichen Periodendauer des originären Signals
entsprechen. Zur Ermittlung der Meßwerte braucht die
Messung nur einmal gestartet zu werden. Alle
interessierenden Integralwerte lassen sich aus den zu den
erfindungsgemäß definierten Zeitpunkten ermittelten
Integralwerten durch Vergleich bilden. Besonders
vorteilhaft unabhängig von der Lage des Startzeitpunktes
der Messungsphase des originären Signals wird das
Verfahren, wenn für Spannung und Strom je zwei um T/4
versetzte Integralwerte ermittelt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Bestimmung der Frequenz oder Periodendauer des Stroms
oder der Spannung erfolgt. Dies ist eine weitere Maßnahme
zur Verbesserung der Meßgenauigkeit des Verfahrens.
Änderungen der Frequenz können so vorteilhaft
berücksichtigt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten,
insbesondere zu einem Meßwert der Wirk- und Blindleistung
sowie der Effektivwerte von Strom und Spannung,
selbsttätig erfolgt. Das Verfahren berücksichtigt so
bereits auftretende Frequenzänderungen selbstständig. Eine
nachträgliche manuelle Korrektur der Meßwerte ist nicht
erforderlich. Der Meßwert bleibt so vorteilhaft unabhängig
von Frequenzschwankungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Korrektur der Meßwertpaare durch Mutiplikation mit
frequenzabhängigen Gewichtsfaktoren und Addition bzw.
Subtraktion erfolgt. Die verfahrensmäßig durchzuführenden
Korrekturrechnungen sind vorteilhaft einfach und lassen
sich dadurch auch leicht schaltungstechnisch verwirklichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Korrektur von Offsetwerten durch Auswertung der Integrale
über eine volle tatsächliche Periodendauer der originären
Signale selbsttätig erfolgt. Selbst Offsetspannungen
vermögen durch diese Maßnahme das Meßergebnis nicht zu
verfälschen. Überraschenderweise ermöglicht das Verfahren
so eine einfache und wirksame Unterdrückung von Offseteinflüssen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Umwandlung von Strom- und Spannungssignalen in ein,
vorzugsweise Rechtecksignal, pegelabhängiger variabler
Frequenz erfolgt. Die analog anfallenden Strom- und
Spannungssignale werden dadurch vorteilhaft einfach
digitalisiert. Die weitere Verarbeitung des Meßsignals gem.
dem Verfahren gestaltet sich dadurch besonders vorteilhaft
einfach.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Integration durch Zählen der Perioden des Signals pegelabhängiger
Frequenz während eines vorgegebenen Zeitintervalls
erfolgt. Dies stellt eine überraschend einfache
Integration des Strom- oder Spannungssignals dar. Die
einzelne, bei bekannten Verfahren notwendige Abtastung des
originären Spannungs- oder Stromsignals und dabei
punktweise erfolgende Umwandlung in einen digitalen Wert
wird somit vorteilhaft umgangen. Das erfindungsgemäße Verfahren
erfolgt bei geringem Aufwand in wesentlich kürzerer
Zeit, so daß vorteilhaft kurze Einschwingzeiten nach diesem
Verfahren realisierbar sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten
durch Vergleich mit einer Referenz-Frequenz erfolgt.
Die Bestimmung der Korrekturwerte läßt sich durch Vergleich
mit einer Referenz-Frequenz besonders einfach gestalten,
ohne das Meßverfahren nachteilig zu verzögern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
eine Verarbeitung der Meßwerte digital erfolgt. Die bereits
als digitale Werte vorliegenden Meßwerte lassen sich durch
vorhandene digitale Standardbauteile kostengünstig
weiterverarbeiten und anzeigen. Auch die Speicherung auf
Massenspeichern läßt sich in digitaler Form besonders
einfach erreichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Verarbeitung vom originären Strom- oder Spannungssignal
gesteuert erfolgt. Die Synchronisation zwischen dem zu
messenden Strom- oder Spannungssignal und der Messung gem.
dem beschriebenen Verfahren läßt sich vorteilhaft direkt
von dem zu messenden Strom- oder Spannungssignal steuern.
So ergeben sich feste Bezugspunkte zwischen Meß- und Verarbeitungszyklus
und dem Strom- oder Spannungszyklus.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Schaltung
geeignet, die je originärem Eingangssignal einen
Analog-Digital-Wandler mit einer Wirkverbindung zum Eingang
je eines Integrierers und für beide Eingangssignale gemeinsam
eine Recheneinheit aufweist, deren Eingänge eine Wirkverbindung
mit den Ausgängen der Integrierer aufweisen. Die
Recheneinheit kann durch die einfache Verknüpfung zweier
Meßwerte alle übrigen abgeleiteten Größen kurzfristig
bereitstellen. Mit überraschend wenigen Standardbauteilen
läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren realisieren.
In Ausgestaltung der Schaltung ist vorgesehen, daß sie ein
zeitgebendes Bauteil, insbesondere einen Referenz-Oszillator
mit einer Wirkverbindung zur Recheneinheit aufweist. Dadurch
läßt sich vorteilhaft auch eine Korrektur des
Meßergebnisses bei Frequenzänderungen erreichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
zwischen Wechselstromkreis und Analog-Digital-Wandler je
Meßgröße ein Verstärker angeordnet ist. Der Verstärker erlaubt
es, in weiten Bereichen das originäre Spannungs- oder
Stromsignal an die Eingänge der Analog-Digital-Wandler anzupassen
und entsprechend in ein niederohmiges Signal umzuwandeln.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
sie einen Steuersignalgeber aufweist, insbesondere als
Schmitt-Trigger ausgebildet, der eingangsseitig vorzugsweise
mit der originären Meßgröße und ausgangsseitig mit
der Recheneinheit eine Wirkverbindung aufweist. Der Steuersignalgeber
erlaubt vorteilhaft die Synchronisation aller
erforderlichen Meß- und Rechenvorgänge.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Recheneinheit als Mikroprozessor ausgebildet ist. Zur
Verarbeitung der digital vorliegenden Signale lassen sich
standardmäßig auf dem Markt vorhandene Mikropozessoren
besonders günstig anwenden. Die Gestehungskosten des
fertigen Meßgerätes werden dadurch vorteilhaft niedrig.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
zwischen Referenz-Oszillator und Recheneinheit ein Zähler
angeordnet ist. Mit dem Zähler läßt sich auf besonders
einfache und kostengünstige Weise ein Korrekturwert in Verbindung
mit dem Referenz-Oszillator ermitteln, mit dem die
Meßwertpaare beschickt werden können, um das Meßergebnis
frequenzunabhängig angeben zu können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
sie in Regelgeräten, insbesondere zur Leistungsregelung,
verwendet wird. Die Vorteile, die insbesondere in der
kurzen Einschwingzeit des Verfahrens und der das Verfahren
realisierenden Schaltung begründet sind, werden besonders
vorteilhaft wirksam in Geräten zur Regelung elektrischer
Größen in Wechselstromkreisen. Regelkreise, bei denen das
erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Schaltung zur Ermittlung
der Ist-Werte eingesetzt wird, können wesentlich
schneller auf Regelabweichungen reagieren. Dies ist von
besonderer Bedeutung u. a. auch bei technologischen Prozessen,
wie z. B. das Einschmelzen von Metallen oder bei
Regelvorgängen im Zusammenhang mit dem Betrieb elektrischer
Versorgungsnetze.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
sie in Störschreibern zur Aufzeichnung von Störungen in
elektrischen Netzen verwendet wird. Die Unempfindlichkeit
der Schaltung gegen Störimpulse und ihre kurze Einschwingzeit
läßt sich besonders vorteilhaft nutzen zur
unverfälschten Messung von Netzstörungen. Dabei werden die
Meßwerte kontinuierlich auf einen zyklisch speichernden Datenträger
geschrieben und ständig nach bestimmten Kriterien
auf vorgekommene Störungen untersucht. Sobald das Kriterium
erfüllt ist, wird die Messung abgebrochen und der Verlauf
der Störung kann untersucht werden.
Die Erfindung wird in einer Zeichnung in einer bevorzugten
Ausführungsform gezeigt, wobei aus der Zeichnung weitere
vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung entnehmbar sind.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung, die das
erfindungsgemäße Meßverfahren realisiert.
Das Spannungs- und das Stromsignal des Meßobjektes 0 werden
dem Meßgerät direkt oder über Wandler zugeführt. Die
Eingangsstufen 1, 2 dienen dazu, die Meßsignale in einen
zur Weiterverarbeitung geeigneten Pegelbereich umzusetzen
und niederohmig zu machen. Dies wird mit Hilfe von
entsprechenden Verstärkerschaltungen erreicht. Die nachfolgenden
Spannungs-Frequenz-Wandler 3, 4 erzeugen nun
Ausgangsimpulse, deren Frequenz proportional zum Augenblickswert
des Meßsignals ist. Mit den Zählern werden diese
Impulse aufsummiert. Die Differenz der Zählerstände, die am
Anfang und Ende eines vorgegebenen Zeitintervalls abgelesen
werden, sind ein Maß für das Integral des Meßsignals über
diesem Zeitintervall.
In dem Nebenzweig des Spannungseingangs befindet sich ein Schmitt-Trigger 7, der mit der Recheneinheit 8, z. B. Einplatinen-Mikrocomputer, verbunden ist. Er signalisiert der Recheneinheit den Nulldurchgang des Spannungssignals, woraufhin die Zähler 5, 6 zurückgesetzt werden.
In dem Nebenzweig des Spannungseingangs befindet sich ein Schmitt-Trigger 7, der mit der Recheneinheit 8, z. B. Einplatinen-Mikrocomputer, verbunden ist. Er signalisiert der Recheneinheit den Nulldurchgang des Spannungssignals, woraufhin die Zähler 5, 6 zurückgesetzt werden.
Zu den Zeitpunkten T/4, T/2 und 3T/4 wird der aktuelle
Stand der Zähler von der Recheneinheit abgelesen. Ein
weiterer Ablesevorgang erfolgt zum Ende der Signalperiode,
ausgelöst durch den Kippvorgang des Schmitt-Triggers. Auf
diese Weise wird der Signaloffset mitgemessen, so daß ein
Offsetabgleich der Schaltung nicht erforderlich ist.
Um den Einfluß von Frequenzschwankungen auf das Meßergebnis
zu eliminieren, ist zusätzlich eine genaue Messung der
Periodendauer erforderlich. Dazu werden die Impulse eines
Referenz-Oszillators 10 während einer Signalperiode des
Spannungssignals durch den Zähler 11 ermittelt.
Aus den gewonnenen Meßdaten lassen sich mittels Programm die gesuchten Integrale leicht berechnen. Dies kann online geschehen, z. B. mit dem Ziel, die interessierenden Wechselstromgrößen auf einer Anzeigeneinheit 9 auszugeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die anfallenden Meßdaten in einem Massenspeicher 12 abzulegen und nach Beendigung der Messung mit Hilfe komfortabler Auswertungsprogramme zu untersuchen.
Aus den gewonnenen Meßdaten lassen sich mittels Programm die gesuchten Integrale leicht berechnen. Dies kann online geschehen, z. B. mit dem Ziel, die interessierenden Wechselstromgrößen auf einer Anzeigeneinheit 9 auszugeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die anfallenden Meßdaten in einem Massenspeicher 12 abzulegen und nach Beendigung der Messung mit Hilfe komfortabler Auswertungsprogramme zu untersuchen.
Die Erfindung bezieht sich auf folgendes Verfahren zur
Erfassung der Wirk- und Blindleistung sowie der Effektivwerte
in einem einphasigen Wechselstromsystem sowie zur
Korrektur zur Frequenzabhängigkeit des Meßergebnisses.
Die Wechselstromgrößen Spannung und Strom können in
komplexer Schreibweise dargestellt werden als:
Bildet man nun das Produkt aus der komplexen Spannung und
dem konjugiert komplexen Strom, so fällt der zeitabhängige
Term heraus und man erhält die Scheinleistung S.
Durch Einsetzen von (2.1) und (2.2) in (2.3) ergibt sich
Die Wirkleistung P und die Blindleistung Q können also aus
zwei Paaren von diskreten Signalwerten exakt bestimmt
werden. Dabei ist das Ergebnis unabhängig vom Abtastzeitpunkt.
Lediglich der zeitliche Abstand zweier Meßwerte von
T/4 ist von Bedeutung.
Das Quadrat der Effektivwerte berechnet sich zu oder mit (2.1) und (2.2) ausgedrückt Die Umsetzung der Beziehungen (2.4) und (2.6) in ein Abtastverfahren ist wegen der geringen Abtastwerte jedoch nicht sinnvoll.
Das neue Verfahren zur sicheren Meßwerterfassung besteht darin, den Signalverlauf über bestimmte Zeitintervalle zu integrieren und dabei die Tatsache auszunutzen, daß das Integral einer sinusförmigen Größe wieder eine Sinusfunktion ist. So kann der Momentanwert der Meßgröße als Integral über der Meßgröße ausgedrückt werden. Für die Spannung erhält man wobei t i die Integrationsdauer ist.
Das so ausgeführte Integral ist also proportional zu dem Momentanwert, den die Spannung auf der Mitte des Integrationsintervalls annimmt.
Durch Verschieben des Integrationszeitintervalls um T/4 erhält man entsprechend
Das Quadrat der Effektivwerte berechnet sich zu oder mit (2.1) und (2.2) ausgedrückt Die Umsetzung der Beziehungen (2.4) und (2.6) in ein Abtastverfahren ist wegen der geringen Abtastwerte jedoch nicht sinnvoll.
Das neue Verfahren zur sicheren Meßwerterfassung besteht darin, den Signalverlauf über bestimmte Zeitintervalle zu integrieren und dabei die Tatsache auszunutzen, daß das Integral einer sinusförmigen Größe wieder eine Sinusfunktion ist. So kann der Momentanwert der Meßgröße als Integral über der Meßgröße ausgedrückt werden. Für die Spannung erhält man wobei t i die Integrationsdauer ist.
Das so ausgeführte Integral ist also proportional zu dem Momentanwert, den die Spannung auf der Mitte des Integrationsintervalls annimmt.
Durch Verschieben des Integrationszeitintervalls um T/4 erhält man entsprechend
Die Auflösung nach den Momentanwerten und Einsetzen in
(2.4) und (2.6) liefert die Bestimmungsgleichungen für Wirk-
und Blindleistung sowie für die Effektivwerte von Spannung
und Strom:
Der Vorteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß die
Bestimmung aller o. a. Größen P, Q, U, I aus nur zwei
Meßwertpaaren möglich ist. Letztere erhält man aus der
synchronen Integration von Spannung und Strom über zwei
jeweils um T/4 versetzte Zeitintervalle. Dabei muß die
Integrationsdauer t i von ganzzahligen Vielfachen der
Periodendauer T verschieden sein, da sonst die Integrale
verschwinden.
Die maximale Genauigkeit des Meßergebnisses erzielt man, wenn die Integrationsdauer t i = T/2 beträgt, da der meßwertabhängige Anteil in (2.9...12) dann das größte Gewicht gegenüber dem Vorfaktor F erhält.
Das Meßverfahren ist weitgehend unempfindlich bezüglich auftretender Störungen. Wie man leicht nachrechnen kann, ergibt sich für t i = T/2 folgende Filtercharakteristik: wobei T s die Periodendauer einer sinusförmigen Störgröße ist.
Der Kurvenverlauf dieser Dämpfungsfunktion setzt sich aus zwei Anteilen zusammen.
Der erste Term bewirkt eine gleichmäßige Störsignalabschwächung um 20 dB/Dekade. Hochfrequente Störungen und Rauschen werden also einintegriert.
Der zweite Ausdruck erzeugt Polstellen mit unendlich großer Dämpfung. Die Lage dieser Pole ist abhängig von t i und kann daher beeinflußt werden.
Für t i = T/2 sind es alle geradezahligen Oberwellen, die vollständig unterdrückt werden.
Bei der schaltungstechnischen Realisierung des dargestellten Meßverfahrens wird man in der Regel den zeitlichen Versatz der Integrationsintervalle um T/4 auf eine bestimmte Signalfrequenz fest einstellen. Da das reale Signal jedoch im allgemeinen Frequenzschwankungen unterworfen ist, führt das zu ungenauen Meßergebnissen.
Der entstehende Fehler kann aber im nachhinein korrigiert werden, wenn die Periodendauer T des Signals mitgemessen wird. Mit Hilfe von modifizierten Bestimmungsformeln, in die dann nur die tatsächliche Periodendauer T+Δ T als Korrekturparameter eingeht, erhält man die exakten Meßergebnisse zu:
Die maximale Genauigkeit des Meßergebnisses erzielt man, wenn die Integrationsdauer t i = T/2 beträgt, da der meßwertabhängige Anteil in (2.9...12) dann das größte Gewicht gegenüber dem Vorfaktor F erhält.
Das Meßverfahren ist weitgehend unempfindlich bezüglich auftretender Störungen. Wie man leicht nachrechnen kann, ergibt sich für t i = T/2 folgende Filtercharakteristik: wobei T s die Periodendauer einer sinusförmigen Störgröße ist.
Der Kurvenverlauf dieser Dämpfungsfunktion setzt sich aus zwei Anteilen zusammen.
Der erste Term bewirkt eine gleichmäßige Störsignalabschwächung um 20 dB/Dekade. Hochfrequente Störungen und Rauschen werden also einintegriert.
Der zweite Ausdruck erzeugt Polstellen mit unendlich großer Dämpfung. Die Lage dieser Pole ist abhängig von t i und kann daher beeinflußt werden.
Für t i = T/2 sind es alle geradezahligen Oberwellen, die vollständig unterdrückt werden.
Bei der schaltungstechnischen Realisierung des dargestellten Meßverfahrens wird man in der Regel den zeitlichen Versatz der Integrationsintervalle um T/4 auf eine bestimmte Signalfrequenz fest einstellen. Da das reale Signal jedoch im allgemeinen Frequenzschwankungen unterworfen ist, führt das zu ungenauen Meßergebnissen.
Der entstehende Fehler kann aber im nachhinein korrigiert werden, wenn die Periodendauer T des Signals mitgemessen wird. Mit Hilfe von modifizierten Bestimmungsformeln, in die dann nur die tatsächliche Periodendauer T+Δ T als Korrekturparameter eingeht, erhält man die exakten Meßergebnisse zu:
Claims (23)
1. Verfahren zur Ermittlung elektrischer Größen von
Wechselstromkreisen, insbesondere zur Ermittlung der
Wirk, Schein- und Blindleistung sowie der Effektivwerte
von Strom und Spannung, vorzugsweise in einphasigen
Wechselstromsystemen, aus gemessenen originären Wechselstrom-
und -spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bestimmung der
elektrischen Größen aus nur drei Meßwerten je Phase
erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Ermittlung der Meßwerte
durch, vorzugsweise gleichzeitige, Integration des Verlaufs
von Strom und Spannung in einem vorgegebenen zeitlichen
Intervall erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Integration von Strom
und Spannung über eine Zeitdauer erfolgt, die der
halben Periodendauer des Wechselstroms oder der
-Spannung entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Integration von
Strom und Spannung über zeitlich versetzte Zeitintervalle,
insbesondere um ein Viertel der Periodendauer
versetzt, erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Bestimmung von
Integralteilwerten zu Zeitpunkten erfolgt, die jeweils
1/4, 1/2 und 3/4 der tatsächlichen Periodendauer des
originären Signals entsprechen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß eine
Bestimmung der Frequenz- oder Periodendauer des Stroms
oder der Spannung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine
Korrektur der Meßwerte zu frequenzunabhängigen Meßwerten,
insbesondere zu einem Meßwert der Wirk- und
Blindleistung, sowie der Effektivwerte von Strom und
Spannung, selbsttätig erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß eine
Korrektur der Meßwerte durch Multiplikation mit
frequenzabhängigen Gewichtsfaktoren und Addition bzw.
Subtraktion erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Korrektur von Offsetwerten durch Auswertung der Integrale
über eine volle tatsächliche Periodendauer der
originären Signale selbsttätig erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Umwandlung von Strom- und Spannungssignalen in ein,
vorzugsweise Rechtecksignal pegelabhängiger variabler
Frequenz erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder
10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Integration durch Zählen der Perioden des Signals pegelabhäniger
Frequenz während eines vorgegebenen
Zeitintervalls erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10
oder 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrektur der Meßwertpaare zu
frequenzunabhängigen Meßwerten durch Vergleich mit
einer Referenz-Frequenz erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,
11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verarbeitung der Meßwerte digital erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,
11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verarbeitung vom originären Strom- oder
Spannungssignal gesteuert erfolgt.
15. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie je
originärem Eingangssignal (U, 1) einen
Analog-Digital-Wandler mit einer Wirkverbindung zum
Eingang je eines Integrierers und für beide Eingangssignale
gemeinsam eine Recheneinheit (8) aufweist,
deren Eingänge eine Wirkverbindung mit den Ausgängen
der Integrierer aufweisen.
16. Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein zeitgebendes Bauteil
insbesondere einen Referenz-Oszillator (10), mit einer
Wirkverbindung zur Recheneinheit (8) aufweist.
17. Schaltung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen
Wechselstromkreis (0) und Analog-Digital-Wandler je
Meßgröße ein Verstärker (1, 2) angeordnet ist.
18. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen
Steuersignalgeber aufweist, insbesondere als
Schmitt-Trigger (7) ausgebildet, der eingangsseitig
vorzugsweise mit der originären Meßgröße und
ausgangsseitig mit der Recheneinheit eine
Wirkverbindung aufweist.
19. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Analog-Digital-Wandler als Spannungs-Frequenz-Wandler
(3, 4) ausgebildet sind und die Integratoren als Zähler
(5, 6), insbesondere rücksetzbare Zähler, ausgebildet
sind, die eine Wirkverbindung zu der Recheneinheit (8)
aufweisen.
20. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17, 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Recheneinheit (8) als Mikroprozessor ausgebildet ist.
21. Schaltung nach Anspruch 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Referenz-Oszillator (10) und Recheneinheit (8)
ein Zähler (11) angeordnet ist.
22. Schaltung nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, daß sie in
Regelgeräten, insbesondere zur Leistungsregelung,
verwendet wird.
23. Schaltung nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 oder
22, dadurch gekennzeichnet, daß sie
in Störschreibern zur Aufzeichnung von Störungen in
elektrischen Netzen verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853524581 DE3524581A1 (de) | 1985-07-10 | 1985-07-10 | Verfahren und schaltung zur schnellen ermittlung elektrischer groessen von wechselstromsystemen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853524581 DE3524581A1 (de) | 1985-07-10 | 1985-07-10 | Verfahren und schaltung zur schnellen ermittlung elektrischer groessen von wechselstromsystemen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3524581A1 true DE3524581A1 (de) | 1987-01-15 |
Family
ID=6275381
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853524581 Ceased DE3524581A1 (de) | 1985-07-10 | 1985-07-10 | Verfahren und schaltung zur schnellen ermittlung elektrischer groessen von wechselstromsystemen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3524581A1 (de) |
Cited By (4)
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