WO2020094866A1 - Messvorrichtung und verfahren zur messung elektrischer grössen in einem dreiphasenwechselstromnetz - Google Patents

Messvorrichtung und verfahren zur messung elektrischer grössen in einem dreiphasenwechselstromnetz Download PDF

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WO2020094866A1
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Definitions

  • the invention relates to a measuring device and a method for measuring electrical quantities, in particular for measuring the current of conductors through which current flows
  • the current in the neutral conductor is canceled out when currents of the same current intensity, same phase shift and no harmonic component flow in all three outer conductors. If the current in the outer conductors is unequal, a current flows in the neutral conductor that compensates for the asymmetry and at most reaches the current of the most heavily loaded outer conductor. With different phase shifts of the currents in the outer conductors and / or when
  • harmonics the current in the neutral conductor can also significantly exceed the current of the most heavily loaded outer conductor.
  • the current intensity of the current flowing in the outer conductors LI, L2 and L3 is measured by means of three current sensors 11, 12 and 13 and the current intensity of the current flowing in the neutral conductor from these measured values through totalization
  • Phase conductor currents exceeds, ie I N > I Li , I N > I L2 and I N > I L3 . In extreme cases, this can lead to the current I N destroying the neutral conductor.
  • the invention has for its object to show a way such as a measurement of electrical quantities, in particular a measurement of the current intensity of a through a conductor of a three-phase AC network
  • a key concept of the invention is to be found in a three-phase AC network with three outer conductors and one neutral conductor, the current intensity of the currents flowing in these four conductors being determined with high accuracy and with the aid of only three current sensors, the neutral conductor current and two of the outer conductor currents being measured directly and the third phase current is determined from the measured values, in particular is calculated.
  • a measuring device for measuring electrical quantities in a three-phase alternating current network with three outer conductors and a neutral conductor accordingly comprises a first current sensor for measuring the current strength of a current flowing in a first of the three outer conductors, a second current sensor for measuring the current strength of a current flowing in a second of the three outer conductors and a third current sensor for measuring the current intensity of a current flowing in the neutral conductor. Furthermore, the measuring device includes one with the
  • Evaluation unit connected to current sensors, which is designed to determine the current strength of a current flowing through the third outer conductor from the current strengths measured with the first, second and third current sensors.
  • the measuring device advantageously comprises
  • Measuring lines for measuring the voltage which is present in each case on the three outer conductors and on the neutral conductor, the measuring lines being connected to the evaluation unit.
  • the voltages are preferably measured relative to ground, the three-phase AC network
  • the neutral conductor in particular in addition to the outer conductors and the neutral conductor also includes a ground conductor.
  • the evaluation unit preferably determines or calculates electrical quantities on the basis digital readings. Accordingly, the
  • Evaluation unit is advantageously designed to determine digital current and / or voltage measured values with a predetermined sampling rate.
  • the evaluation unit preferably comprises at least one microprocessor and a memory and can advantageously be part of a measuring device.
  • the measuring device can further comprise a user interface with an input unit and a display, or also a communication interface for communication with a higher-level monitoring device.
  • the measuring device can have its own power supply, for example in the form of a power supply unit or accumulator. It is also conceivable that the energy supply of the
  • Energy is extracted from the magnetic field of the respective current-carrying conductor with the aid of at least one of the current sensors.
  • a method for measuring electrical quantities in a three-phase alternating current network with three outer conductors and one neutral conductor comprises measuring the current intensity of a current flowing in a first of the three outer conductors with a first current sensor, and measuring the
  • FIG. 1 is a schematic representation of a measuring device known from the prior art
  • Fig. 2 is a schematic representation of a first
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second
  • FIG. 1 shows a measuring device 10 with three on it
  • the calculated current of the neutral conductor current is only an accuracy of ⁇ 1 A due to the measurement accuracy of the
  • phase conductor currents To use current sensors, whereby the neutral conductor current is measured directly, but one of the phase conductor currents is not measured.
  • the non-measured phase current is calculated from the measured currents of the other two phase currents and
  • FIG. 2 A preferred embodiment of a measuring device 100 according to the invention is exemplified in FIG. 2
  • the measuring device 100 comprises a measuring device 110 with a
  • the current sensor 201 is for measuring the
  • the current sensor 202 is for measuring the
  • the current sensor 203 is for measuring the
  • the evaluation unit 120 is designed to determine the current strength of the current flowing through the third outer conductor L3 from the current strengths measured with the current sensors 201, 202 and 203.
  • the measuring device 100 is thus designed to measure the neutral conductor current directly, but to dispense with the direct measurement of the current flowing through the outer conductor L3 and to calculate it from the measured current strengths. Instead of a direct measurement of the current flowing through the outer conductor L3, it would alternatively also be possible to dispense with a direct measurement of the current flowing through the outer conductor LI or L2.
  • Neutral conductor current can be measured and the third Phase current is calculated based on the measured values.
  • a summary measurement is typically carried out for a specified time window with a duration of in particular 200 ms, wherein a different duration could also be selected.
  • 200 ms is used in particular because it is an integer number of periods for the usual alternating current frequencies of 60 Hz and 50 Hz
  • Samples per second are 100,000 samples per current sensor after a measurement for a measurement duration of 200 ms, which are stored in a memory of the measuring device 110
  • the evaluation unit 120 is advantageously designed to calculate an effective value for I Li , ie for the current strength of the current flowing through the outer conductor LI, using the following formula:
  • the evaluation unit 120 is designed to add an effective value for I Li and I N
  • each channel (LI, L2, N) independently determining 100 k samples based on the signals provided by the current sensors 201, 202 and 203.
  • the evaluation unit 120 is particularly advantageously designed to in each case produce a value for from the measured sample values i Li , i and i N to determine where
  • Evaluation unit 120 also designed to
  • the evaluation unit particularly advantageously determine effective values of the current strength of the currents flowing through the outer conductor and the neutral conductor, but also further electrical variables can be determined from the measured and calculated sample values.
  • measuring lines are preferably used
  • the measuring device 101 comprises a measuring device 111 with an evaluation unit 121, as well as three current sensors 201, 202 and 203.
  • the current sensor 201 is arranged to measure the current intensity of the current flowing through the outer conductor LI of the three-phase alternating current network 400
  • Current sensor 202 is for measuring the
  • Three-phase AC network 400 flowing current is arranged, and the current sensor 203 is for measuring the current intensity through the neutral conductor N des
  • Three-phase alternating current network 400 flowing current arranged.
  • measurement lines 301, 302, 303, 304 and 305 connected to the evaluation unit 121 provided, which are each connected to the outer conductor LI, the outer conductor L2, the outer conductor L3, the neutral conductor N and the ground conductor PE, and which serve to measure the voltage applied to the conductors relative to the ground.
  • the current sensors 201, 202 and 203 shown in FIGS. 2 and 3 can each be designed, for example, as a so-called Rogowski coil and can be designed, for example, as a current probe.
  • any other suitable design of a current sensor is also within the scope of the invention.
  • the evaluation unit 121 can advantageously be designed to determine one or more of the following values:
  • a decisive advantage of the measuring devices 100 and 101 over the prior art is the absolute gain in accuracy with regard to the determined current strength of the neutral conductor current.
  • Neutral conductor N flowing current k index of the samples iLl k kth sample value of the current intensity of the current flowing through the outer conductor Li
  • the neutral value can be the effective value by means of the following
  • Equation can be determined:
  • the error is approximately 0.2% of 1 A and thus up to 2 mA.
  • the reduction of the error from 200 mA to 2 mA corresponds to an improvement by a factor of 100.
  • the error in calculating I L 3 using the method according to the invention differs using the equation given above
  • the evaluation unit is designed, for example, to determine power values using the following equations: through the outer conductor Li, L 2 or L flowing current
  • i LN k kth sample value of the current intensity of the current flowing through the neutral conductor N.
  • the calculated values such as P total and E total refer normatively to a length of ⁇ 200ms.
  • Energy meter function can be provided that the currently determined energy is added up with the previously determined energies.

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Abstract

Für eine verbesserte Messung elektrischer Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz mit drei Außenleitern (L1, L2, L3) und einem Neutralleiter (N) sieht die Erfindung eine Messvorrichtung (100, 101) vor, welche einen ersten Stromsensor (201) zur Messung der Stromstärke eines in einem ersten (L1) der drei Außenleiter fließenden Stroms, einen zweiten Stromsensor (202) zur Messung der Stromstärke eines in einem zweiten (L2) der drei Außenleiter fließenden Stroms, einen dritten Stromsensor (203) zur Messung der Stromstärke eines in dem Neutralleiter (N) fließenden Stroms, und eine mit den Stromsensoren (201, 202, 203) verbundene Auswerteeinheit (120, 121) umfasst, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch den dritten Außenleiter (L3) fließenden Stroms aus den mit dem ersten, zweiten und dritten Stromsensor gemessenen Stromstärken zu ermitteln.

Description

Messvorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung elektrischer Größen, insbesondere zur Strommessung stromdurchflossener Leiter eines
Dreiphasenwechselstromnetzes und zum Ermitteln von aus gemessenen Strömen ableitbaren Größen.
In einem Dreiphasenwechselstromnetz hebt sich der Strom im Neutralleiter auf, wenn in allen drei Außenleitern Ströme gleicher Stromstärke, gleicher Phasenverschiebung und ohne Oberschwingungsanteil fließen. Bei ungleicher Stromstärke in den Außenleitern fließt im Neutralleiter ein Strom, der die Asymmetrie ausgleicht und maximal den Strom des am stärksten belasteten Außenleiters erreicht. Bei unterschiedlicher Phasenverschiebung der Ströme in den Außenleitern und/oder bei Auftreten von
Oberschwingungen kann der Strom im Neutralleiter den Strom des am stärksten belasteten Außenleiters jedoch auch wesentlich übertreffen.
Bei bekannten Messgeräten, wie beispielsweise dem in Fig. 1 dargestellten Messgerät 10, wird die Stromstärke des in den Außenleitern LI, L2 und L3 fließenden Stroms mittels dreier Stromsensoren 11, 12 und 13 gemessen und die Stromstärke des im Neutralleiter fließenden Stroms aus diesen gemessenen Werten durch Summenbildung
ermittelt. Wird für die Berechnung nur der jeweilige Effektivwert und die Phase der Außenleiterströme
berücksichtigt, kann es insbesondere bei Auftreten von Oberschwingungen dazu kommen, dass eine Stromstärke des Neutralleiterstroms von IN=0 berechnet wird, obwohl die Stromstärke tatsächlich die Stromstärke jedes der
Außenleiterströme übersteigt, d.h. IN>ILi, IN>IL2 und IN>IL3. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass der Strom IN den Neutralleiter zerstört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Messung elektrischer Größen, insbesondere eine Messung der Stromstärke eines durch einen Leiter eines Dreiphasenwechselstromnetzes
fließenden Stroms auf verbesserte und/oder vereinfachte Weise durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, wobei die
angegebenen Merkmale und Vorteile im Wesentlichen für alle unabhängigen Ansprüche gelten können.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, in einem Dreiphasenwechselstromnetz mit drei Außenleitern und einem Neutralleiter die Stromstärke der in diesen vier Leitern fließenden Ströme mit hoher Genauigkeit und mit Hilfe nur dreier Stromsensoren zu ermitteln, wobei der Neutralleiterstrom und zwei der Außenleiterströme direkt gemessen werden und der dritte Außenleiterstrom aus den gemessenen Werten ermittelt, insbesondere berechnet wird. Eine Messvorrichtung zur Messung elektrischer Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz mit drei Außenleitern und einem Neutralleiter umfasst dementsprechend einen ersten Stromsensor zur Messung der Stromstärke eines in einem ersten der drei Außenleiter fließenden Stroms, einen zweiten Stromsensor zur Messung der Stromstärke eines in einem zweiten der drei Außenleiter fließenden Stroms und einen dritten Stromsensor zur Messung der Stromstärke eines in dem Neutralleiter fließenden Stroms. Ferner umfasst die Messvorrichtung eine mit den
Stromsensoren verbundene Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch den dritten Außenleiter fließenden Stroms aus den mit dem ersten, zweiten und dritten Stromsensor gemessenen Stromstärken zu ermitteln.
Vorteilhaft kann zusätzlich zu der Strommessung auch eine Spannungsmessung vorgesehen sein, wodurch das Ermitteln von Werten weiterer elektrischer Größen, insbesondere das Ermitteln einer Leistung und/oder Energie, aus den gemessenen elektrischen Größen ermöglicht wird. Zu diesem Zweck umfasst die Messvorrichtung vorteilhaft
Messleitungen zur Messung der Spannung, die jeweils an den drei Außenleitern und an dem Neutralleiter anliegt, wobei die Messleitungen mit der Auswerteeinheit verbunden sind. Vorzugsweise werden die Spannungen relativ zu Masse gemessen, wobei das Dreiphasenwechselstromnetz
insbesondere neben den Außenleitern und dem Neutralleiter auch einen Masseleiter umfasst.
Das Ermitteln bzw. Berechnen elektrischer Größen durch die Auswerteeinheit erfolgt vorzugsweise auf Grundlage digitaler Messwerte. Dementsprechend ist die
Auswerteeinheit vorteilhaft dazu ausgebildet, digitale Strom- und/oder Spannungsmesswerte mit einer vorgegebenen Abtastrate zu ermitteln.
Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise wenigstens einen Mikroprozessor und einen Speicher und kann vorteilhaft Bestandteil eines Messgerätes sein. Das Messgerät kann je nach Einsatzzweck ferner eine Benutzerschnittstelle mit einer Eingabeeinheit und einer Anzeige umfassen, oder auch eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer übergeordneten Überwachungseinrichtung.
Das Messgerät kann eine eigne Stromversorgung aufweisen, beispielsweise in Form eines Netzteils oder Akkumulators. Denkbar ist auch, dass die Energieversorgung des
Messgerätes und insbesondere der Auswerteeinheit mittels Energy Harvesting erfolgt, wobei die erforderliche
Energie mit Hilfe wenigstens eines der Stromsensoren dem Magnetfeld des jeweiligen stromdurchflossenen Leiters entnommen wird.
Ein Verfahren zur Messung elektrischer Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz mit drei Außenleitern und einem Neutralleiter umfasst das Messen der Stromstärke eines in einem ersten der drei Außenleiter fließenden Stroms mit einem ersten Stromsensor, das Messen der
Stromstärke eines in einem zweiten der drei Außenleiter fließenden Stroms mit einem zweiten Stromsensor, das Messen der Stromstärke eines in dem Neutralleiter
fließenden Stroms mit einem dritten Stromsensor, und das Ermitteln der Stromstärke eines durch den dritten Außenleiter fließenden Stroms aus den gemessenen
Stromstärken .
Vorteilhaft wird ferner die jeweils an den drei
Außenleitern und an dem Neutralleiter anliegende Spannung gemessen, sowie vorteilhaft aus den gemessenen
elektrischen Größen ein Wert für eine Leistung und/oder eine Energie ermittelt. Für eine Weiterverarbeitung werden insbesondere digitale Strom- und/oder
Spannungsmesswerte mit einer vorgegebenen Abtastrate ermittelt .
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den
Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen dabei
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten
bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen MessVorrichtung .
Fig. 1 zeigt ein Messgerät 10 mit drei an dieses
angeschlossenen Stromsensoren 11, 12 und 13, mittels derer die Stromstärke des in den Außenleitern LI, L2 und L3 eines Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms gemessen wird. Um die Stromstärke des im Neutralleiter fließenden Stroms zu ermitteln, kann das Messgerät dazu ausgebildet sein, diesen durch Summieren der für die Außenleiter gemessenen Werte zu berechnen, wobei IN = Ii + I2 + I3, und wobei IN die Stromstärke des Neutralleiterstroms und Ii, I2 und I3 die Stromstärke des jeweiligen Außenleiterstroms bezeichnet.
Wird für die Berechnung nur der jeweilige Effektivwert und die Phase der Außenleiterströme berücksichtigt, kann es insbesondere bei Auftreten von Oberschwingungen dazu kommen, dass eine Stromstärke für den Neutralleiterstrom berechnet wird, die deutlich unter der tatsächlichen Stromstärke des Neutralleiterstroms liegt.
Dieses Problem kann dadurch beseitigt werden, dass der durch den Neutralleiter fließende Strom direkt gemessen wird .
Durch eine direkte Messung des Neutralleiterstroms kann der Wert für die Stromstärke auch mit einer höheren
Genauigkeit ermittelt werden, sofern der
Neutralleiterstrom sehr viel kleiner ist als die
Außenleiterströme, was in vielen Anwendungen der Fall ist .
Bei Stromstärken der Außenleiterströme in der
Größenordnung von beispielsweise 100 A und einer
Stromstärke des Neutralleiterstroms in der Größenordnung von beispielsweise 5 A und einer Messgenauigkeit von ± 1 % der jeweiligen Messgröße können die
Außenleiterströme mit einer Genauigkeit von ± 1 A und der Neutralleiterstrom mit einer Genauigkeit von ± 50 mA gemessen werden. Wird jedoch die Stromstärke des
Neutralleiterstroms aus den Messwerten für die
Außenleiter berechnet, ergibt sich für die berechnete Stromstärke des Neutralleiterstroms nur eine Genauigkeit von ± 1 A aufgrund der Messgenauigkeit der in die
Berechnung einfließenden Größen.
Für eine direkte Messung des Neutralleiterstroms ist jedoch in nachteiliger Weise ein zusätzlicher Stromsensor erforderlich .
Die Erfindung sieht vorteilhaft vor, nur drei
Stromsensoren zu verwenden, wobei der Neutralleiterstrom direkt gemessen wird, aber auf die Messung eines der Außenleiterströme verzichtet wird. Der nicht gemessene Außenleiterstrom wird aus den gemessenen Stromstärken der anderen beiden Außenleiterströme und des
Neutralleiterstroms berechnet.
Bei dem obigen Beispiel, in dem die Stromstärken der Außenleiterströme in der Größenordnung von 100 A und die Stromstärke des Neutralleiterstroms in der Größenordnung von 5 A liegt und die Messgenauigkeit ± 1 % der
jeweiligen Messgröße beträgt, ergibt sich für den
berechneten Wert des Außenleiterstroms eine vergleichbare Genauigkeit wie bei einer direkten Messung, während die Genauigkeit der Stromstärke des Neutralleiterstroms aufgrund der direkten Messung deutlich verbessert ist.
Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der direkten Messung des Neutralleiterstroms gefährlich hohe Ströme, zum Beispiel aufgrund von auftretenden
Oberwellen, korrekt erfasst werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 ist beispielhaft in Fig. 2
dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung 100 ein Messgerät 110 mit einer
Auswerteeinheit 120, sowie drei Stromsensoren 201, 202 und 203. Der Stromsensor 201 ist zur Messung der
Stromstärke des durch den Außenleiter LI des
Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet. Der Stromsensor 202 ist zur Messung der
Stromstärke des durch den Außenleiter L2 des
Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet. Der Stromsensor 203 ist zur Messung der
Stromstärke des durch den Neutralleiter N des
Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet. Die Auswerteeinheit 120 ist dazu ausgebildet, die Stromstärke des durch den dritten Außenleiter L3 fließenden Stroms aus den mit den Stromsensoren 201. 202 und 203 gemessenen Stromstärken zu ermitteln.
Die Messvorrichtung 100 ist somit dazu ausgebildet, den Neutralleiterstrom direkt zu messen, aber auf die direkte Messung des durch den Außenleiter L3 fließenden Strom zu verzichten und diesen aus den gemessenen Stromstärken zu berechnen. Es könnte statt auf eine direkte Messung des durch den Außenleiter L3 fließenden Stroms alternativ auch auf eine direkte Messung des durch den Außenleiter LI oder L2 fließenden Stroms verzichtet werden.
Wesentlich ist, dass zwei Außenleiterströme und der
Neutralleiterstrom gemessen werden und der dritte Außenleiterstrom auf Basis der gemessenen Werte berechnet wird .
Im Folgenden wird die Messung und Berechnung der Werte für die Stromstärke beispielhaft näher erläutert.
Aufgrund normativer Vorgaben erfolgt typischerweise eine zusammenfassende Messung für ein vorgegebenes Zeitfenster mit einer Dauer von insbesondere 200 ms, wobei auch eine andere Zeitdauer gewählt werden könnte. Die Dauer von
200 ms wird insbesondere deshalb verwendet, da diese für die üblichen Wechselstromfrequenzen von 60 Hz bzw. 50 Hz jeweils eine ganzzahlige Anzahl an Periodendauern
umfasst, nämlich 12 bzw. 10.
Bei einer Digitalisierung des analogen Messsignals mit einer Abtastrate von beispielsweise 500 kSPS (kilo
Samples per second) liegen nach einer Messung für eine Messdauer von 200 ms 100.000 Abtastwerte je Stromsensor vor, welche in einem Speicher des Messgeräts 110
gespeichert werden, wobei der Speicher in Fig. 2 nicht dargestellt ist und beispielsweise in der Auswerteeinheit 120 angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit 120 ist im dargestellten Beispiel vorteilhaft dazu ausgebildet, einen Effektivwert für ILi, d.h. für die Stromstärke des durch den Außenleiter LI fließenden Stroms, mittels der folgenden Formel zu berechnen :
wobei
Figure imgf000011_0001
ILi : Effektivwert der Stromstärke des durch den
Außenleiter Li fließenden Stroms
k : Index der Abtastwerte
iLi k : k-ter Abtastwert der Stromstärke, d.h. ein einzelner von einem A/D-Wandler
bereitgestellter Messwert
In analoger Weise ist die Auswerteeinheit 120 dazu ausgebildet, einen Effektivwert für ILi und IN zu
berechnen, wobei für jeden Kanal (LI, L2, N) unabhängig voneinander jeweils 100k Abtastwerte ermittelt werden auf Grundlage der durch die Stromsensoren 201, 202 und 203 bereitgestellten Signale.
Ferner ist die Auswerteeinheit 120 besonders vorteilhaft dazu ausgebildet, aus den gemessenen Abtastwerten iLi, i und iN jeweils einen Wert für
Figure imgf000012_0001
zu ermitteln, wobei
1L3 = IN _ iLi ~~ lL2 ·
Zur Berechnung des Effektivwertes der Stromstärke des durch den Außenleiter L3 fließenden Stroms ist die
Auswerteeinheit 120 ferner dazu ausgebildet, den
Effektivwert mittels der folgenden Formel zu berechnen:
Figure imgf000012_0002
e des durch den
Außenleiter L fließenden Stroms
k : Index der Abtastwerte iLl k k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter Li fließenden Stroms
lL2 k k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter L2 fließenden Stroms
iLN k k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Neutralleiter N fließenden Stroms
Besonders vorteilhaft können von der Auswerteeinheit nicht nur Effektivwerte der Stromstärke der durch die Außenleiter und den Neutralleiter fließenden Ströme ermittelt werden, sondern auch noch weitere elektrische Größen aus den gemessenen und berechneten Abtastwerten bestimmt werden. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise Messleitungen zur
Messung der an den Außenleitern und dem Neutralleiter anliegenden elektrischen Spannungen vorgesehen. Eine entsprechende Ausführungsform einer Messvorrichtung 101 ist in Fig. 3 dargestellt. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung 101 ein Messgerät 111 mit einer Auswerteeinheit 121, sowie drei Stromsensoren 201, 202 und 203. Der Stromsensor 201 ist zur Messung der Stromstärke des durch den Außenleiter LI des Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet, er Stromsensor 202 ist zur Messung der
Stromstärke des durch den Außenleiter L2 des
Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet, und der Stromsensor 203 ist zur Messung der Stromstärke des durch den Neutralleiter N des
Dreiphasenwechselstromnetzes 400 fließenden Stroms angeordnet. Zusätzlich sind mit der Auswerteeinheit 121 verbundene Messleitungen 301, 302, 303, 304 und 305 vorgesehen, welche jeweils mit dem Außenleiter LI, dem Außenleiter L2, dem Außenleiter L3, dem Neutralleiter N und dem Masseleiter PE verbunden sind, und die dazu dienen, die an den Leitern jeweils anliegende Spannung relativ zur Masse zu messen.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Stromsensoren 201, 202 und 203 können jeweils beispielsweise als sogenannte Rogowski-Spule ausgeführt und beispielsweise als Stromzange ausgebildet sein. Es liegt aber auch jede andere geeignete Ausführung eines Stromsensors im Rahmen der Erfindung.
Die Auswerteeinheit 121 kann vorteilhaft dazu ausgebildet sein, eine oder mehrere der nachfolgenden Werte zu ermitteln :
• Gesamtwirkleistung +/-
• Gesamtblindleistung vektoriell +/- · Gesamtscheinleistung vektoriell +/-
• Gesamtleistungsfaktor vektoriell +/-
• Wirkleistung Phase 3 +/-
• Blindleistung Phase 3 +/-
• Scheinleistung Phase 3
· Leistungsfaktor Phase 3 +/-
Systemstrom
Gesamtblindleistung arithmetisch +/- Gesamtscheinleistung arithmetisch +/- Gesamtleistungsfaktor arithmetisch +/- Phasenwinkel UI3
Energiezähler
positive Gesamtwirkenergie
gesamte positive Blindenergie
GesamtScheinenergie • negative Gesamtwirkenergie
• gesamte negative Blindenergie
• aktuelle positive Wirkenergie
• aktuelle positive Blindenergie
• aktuelle Scheinenergie
• aktuelle negative Wirkenergie
• aktuelle negative Blindenergie
Ein entscheidender Vorteil der Messvorrichtungen 100 und 101 gegenüber dem Stand der Technik ist der absolute Genauigkeitsgewinn bezüglich der ermittelten Stromstärke des Neutralleiterstroms.
Hierzu wird nachfolgend eine weitere Beispielrechnung angegeben .
Gegeben seien die Ströme IL3, ILI, IL2 = -100A und der Strom ILN = ~1A. Weiterhin wird eine Genauigkeit von 0,2% des jeweiligen Messwerts angenommen.
Würde man nun die Stromstärke der drei Außenleiterströme messen und daraus den Effektivwert der Stromstärke des Neutralleiterstroms berechnen, so könnte dies mittels der folgenden Gleichung erfolgen:
wobe
Figure imgf000015_0001
ILN · Effektivwert der Stromstärke des durch den
Neutralleiter N fließenden Stroms k : Index der Abtastwerte iLl k k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter Li fließenden Stroms
lL2 k k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter L2 fließenden Stroms
iL3 k : k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter L3 fließenden Stroms
Es muss davon ausgegangen werden, dass der Fehler bei ca. 0,2% von 100 A und somit bei bis zu 0,2 A liegt. Damit macht er 20% von 1 A aus.
Verwendet man jedoch die direkte Messung des
Neutralleiterstroms, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, kann der Effektivwert mittels der folgenden
Gleichung ermittelt werden:
wobei
Figure imgf000016_0001
ILN : Effektivwert der Stromstärke des durch den
Neutralleiter N fließenden Stroms k : Index der Abtastwerte
ILN k · k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Neutralleiter N fließenden Stroms In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass sich der Fehler bei ca. 0,2 % von 1 A und somit bei bis zu 2 mA liegt. Die Reduzierung des Fehlers von 200 mA auf 2 mA entspricht einer Verbessrung um den Faktor 100. Beim gegebenen Beispiel unterscheidet sich der Fehler bei der Berechnung von IL3 nach der erfindungsgemäßen Methode mittels der oben angegebenen Gleichung
Figure imgf000017_0001
nicht von dem Fehler, der sich bei einer direkten Messung und Berechnung mittels der Gleichung
,L3
Figure imgf000017_0002
ergeben würde. In beiden Fällen liegt der Fehler bei ca. 200 mA und damit bei ca. 0,2 o des Messwertes. Nachfolgend wird beispielhaft für das Ermitteln weiterer elektrischer Größen durch die Auswerteeinheit 121 das Ermitteln der Leistung und der Energie dargestellt.
Bei der folgenden Darstellung wird davon ausgegangen, dass die Abtastung mit einer konstanten Abtastrate erfolgt, d.h. mit konstanten Zeitabständen zwischen den einzelnen Abtastwerten. In diesem Fall kann auf die
Einbeziehung der einzelnen Zeitwerte in die Berechnung der Leistung bzw. der Energie verzichtet werden.
Die Auswerteeinheit ist beispielsweise dazu ausgebildet, Leistungswerte mittels der nachfolgenden Gleichungen zu ermitteln :
Figure imgf000018_0001
durch den Außenleiter Li, L2, bzw. L fließenden Stroms
k : Index der Abtastwerte
i Ll k r 1L2 k: k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Außenleiter Li bzw.
L fließenden Stroms
i LN k : k-ter Abtastwert der Stromstärke des durch den Neutralleiter N fließenden Stroms
ULl_k r UL2_k r UL3_k k-ter Abtastwert der an dem
Außenleiter Li, L2, bzw. L
anliegenden Spannung
P 1 Gesamt r F‘-‘Gesamt · Gesamtleistung bzw. Gesamtenergie t (fLx_100fc) Zeitpunkt der Erfassung des ersten bzw. letzten Abtastwertes des Zeitfensters von 200 ms
Die errechneten Werte wie P Gesamt u nd E Gesamt beziehen sich normativ auf eine Länge von ~200ms. Eine
Energiezählerfunktion kann dadurch bereitgestellt werden, dass die jeweils aktuell ermittelte Energie mit den vorangegangen ermittelten Energien aufsummiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (100, 101) zur Messung elektrischer
Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz (400) mit drei Außenleitern (LI, L2, L3) und einem Neutralleiter (N) , umfassend
- einen ersten Stromsensor (201) zur Messung der
Stromstärke eines in einem ersten (LI) der drei
Außenleiter fließenden Stroms,
- einen zweiten Stromsensor (202) zur Messung der
Stromstärke eines in einem zweiten (L2) der drei
Außenleiter fließenden Stroms,
- einen dritten Stromsensor (203) zur Messung der
Stromstärke eines in dem Neutralleiter (N) fließenden Stroms, und
- eine mit den Stromsensoren (201, 202, 203) verbundene Auswerteeinheit (120, 121), welche dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch den dritten Außenleiter (L3) fließenden Stroms aus den mit dem ersten, zweiten und dritten Stromsensor gemessenen Stromstärken zu ermitteln.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend
Messleitungen (301-305) zur Messung der Spannung, die jeweils an den drei Außenleitern (LI, L2, L3) und an dem Neutralleiter (N) anliegt, wobei die Messleitungen (301- 305) mit der Auswerteeinheit (121) verbunden sind.
3. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (121) dazu ausgebildet ist, aus den gemessenen elektrischen Größen einen Wert für eine Leistung und/oder eine Energie zu ermitteln.
4. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, digitale Strom- und/oder Spannungsmesswerte mit einer vorgegebenen Abtastrate zu ermitteln.
5. Verfahren zur Messung elektrischer Größen in einem Dreiphasenwechselstromnetz (400) mit drei Außenleitern (Li, L2, L3) und einem Neutralleiter (N) , mit den
Schritten :
- Messen der Stromstärke eines in einem ersten (Li) der drei Außenleiter fließenden Stroms mit einem ersten Stromsensor (201),
- Messen der Stromstärke eines in einem zweiten (L2) der drei Außenleiter fließenden Stroms mit einem zweiten Stromsensor (202),
- Messen der Stromstärke eines in dem Neutralleiter (N) fließenden Stroms mit einem dritten Stromsensor (203) , und
- Ermitteln der Stromstärke eines durch den dritten Außenleiter (L3) fließenden Stroms aus den gemessenen Stromstärken .
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ferner die jeweils an den drei Außenleitern (Li, L2, L3) und an dem
Neutralleiter (N) anliegende Spannung gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei aus den gemessenen elektrischen Größen ein Wert für eine Leistung und/oder eine Energie ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis
Figure imgf000022_0001
wobei digitale Strom- und/oder Spannungsmesswerte mi erner vorgegebenen Abtastrate ermittelt werden.
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