DE3121448C2

DE3121448C2 - Elektronischer Elektrizitätszähler

Info

Publication number: DE3121448C2
Application number: DE3121448A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Tokio/Tokyo Kobayashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-29
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1985-12-19
Also published as: GB2076976B; DE3121448A1; US4463311A; FR2483625B1; GB2076976A; FR2483625A1

Abstract

Ein elektronischer Elektrizitätszähler enthält eine mit einem Spannungswandler (30) oder einem Stromwandler (40), welche an Netzleitungen angeschlossen sind, verbundene Verzögerungszeit-Einstellschaltung (42), durch die die Verzögerungszeit einer Verzögerungsschaltung (34) einstellbar ist. Die Verzögerungsschaltung verzögert ein pulsbreiten-moduliertes Signal, dessen Tastverhältnis einer Spannung entspricht und das von einer an den Spannungswandler (30) angeschlossenen Pulsbreitenmodulatorschaltung (32) erzeugt wird. In der Verzögerungsschaltung (34) wird das pulsbreiten-modulierte Signal verzögert. In einer Time-division-Multiplizierschaltung (48) wird das verzögerte Signal mit einem vom Stromwandler gelieferten Stromsignal multipliziert. Dadurch wird ein der elektrischen Leistung proportionales Signal gebildet. Dieses Leistungs-Signal wird integriert, um ein der elektrischen Arbeit proportionales Signal zu erhalten, welches dann in ein Anzeigesignal umgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Meßgerät zum Messen elektrischer Energie, nachfolgend als Elektrizitätszähler bezeichnet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmlicherweise wurde die Scheinarbeit auf eine der beiden folgenden Weisen gemessen. Bei der einen Methode erhält man die Scheinarbeit dadurch, daß zunächst die Scheinleistung j/P² +Q* berechnet wird. Diese Rechnung wird auf der Basis eines Signals, das die Wirkleistung P repräsentiert und eines Signals, das die Blindleistung Q repräsentiert durchgeführt Dabei erhält man das erstere Signal mittels eines Wirkleistungsmessers und das letztere mittels eines Blindleistungsmessers. Die so erhaltene Scheinleistung wird dann mit einem Zeitfaktor multipliziert Bei der anderen Methode wird die Scheinarbeit mit Hilfe eines Scheinarbeitsmessers oder -Zählers mit einem Aufbau gemäß F i g. 1 gemessen. In Fig. 1 ist ein Spannungstransformator oder -wandler i0 an eine Netzleitung angeschlossen und erzeugt ein Spanvigssignal, das einer Lastspannung proportional ist Ein Stromtransformator oder -wandler 12 ist ebenfalls mit der Netzleitung verbunden und erzeugt ein Stromsignal entsprechend dem Laststrom. Das Spannungssignal wird mit Hilfe eines Gleichrichters 14 in ein Gleichstromsignal umgesetzt, während das Stromsignal mit Hilfe eines weiteren Gleichrichters 16 in ein Gleichstromsignal umgesetzt wird. Die beiden Gleichstromsignale werden dann in einem Multiplizierer 18 multipliziert und schließlich in einem Integrator 20 integriert Als Ergebnis erhält man ein der Scheinarbeit proportionales Signal. Dieses Signal wird in einer (nicht gezeigten) Verarbeitungsschaltung geeignet verarbeitet, damit beispielweise eine Anzeigeeinrichtung angesteuert und die Scheinarbeit an dieser angezeigt werden kann.

Die erstere Methode ist nachteilig weil sie einen Wirkleistungsrnesser und einen Blindleistungsmesser benötigt und das nach ihr arbeitende Meßgerät groß wird. Die letztere Methode erlaubt keine hohe Genauigkeit bei der Messung der Scheinarbeit, da der Scheinarbeitsmesser von den Eigenschaften der Gleichrichter, etwa denen der in ihnen enthaltenen Dioden, stark bceinflußt wird.

Wirkarbeit wird mit einem Wirkarbeitszähler mit einem Aufbau gemäß Fig.2 gemessen. Der Unterschied im Aufbau zwischen dem Wirkarbeitszähler und dem Scheinarbeitszähler besteht darin, daß die Gleichrichter 14 und 16 durch Kompensationsschaltungen 22 und 24 ersetzt sind. Wenn die Lastspannung mit Hilfe des Spannungswandlers 10 in ein proportionales Spannungssignal umgesetzt wird und der Laststrom mit Hilfe des Stromwandlers 12 in ein Stromsignal umgesetzt wird, dann tritt eine Phasenverschiebung zwischen dem Spannungssignal und dem Stromsignal auf; Die Folge'davon sind Fehler in den Phasenwinkeln des Spannungssignals und des Stromsignals. Zur Kompensation dieser Fehler dienen die Kompensationsschaltungen 22 und 24. Nnchdem die Signale vom Spannungswandler 10 und vom Stromwandler 12 mittels der Kompensationsschaltungen 22 bzw. 24 kompensiert wurden, werden sie an den Multiplizierer 18 angelegt. Wie schon oben erläutert.

werden die Signale dann verarbeitet und die Wirkarbeit sichtbar angezeigt.

Da die Kompensationsschaltungen 22 und 24 Kondensatoren. Widerstände und ähnliches enthalten, schwankt ihre Phasenwinkelkompensationseigenschaft mit der Frequenz. Demzufolge hängt auch die Charakteristik des Wirkarbeitszählers stark von der Frequenz ab. so daß bei der Messung der Wirkarbeit keine hohe Genauigkeit erzielbar ist

Blindarbeit wird mit Hilfe eines Blindarbeitszählers gemessen, dessen Aufbau in F i g. 3 gezeigt isL Der Unterschied im Aufbau zwischen dem Blindarbeitszähler und dem Scheinarbeitszähler besteht darin, daß die Gleichrichter 14 und 16 durch Phasenschieberschaltungen 26 und 28 ersetzt sind.

Es sei angenommen, daß die Lastspannung V, der Laststrom / und der Phasenwinkel φ sind. Die Scheinarbeit PA ist dann durch folgende Gleichung gegeben

PA = Vl- sin φ

Die Wirkarbeit PEist gegeben durch
PE= Vl- cos φ

(1)

(2)

Für den Fall, daß der Phasenwinkel um πΙ2 verzögert wird, wird aus Gleichung (2)

25

PE=

(3)

30

cos (φ—ίτ/2) = sin φ

(4)

sind die Gleichungen (3) und (1) identisch. Daraus folgt, daß die Blindleistung erhalten werden kann, indem man die Lastspannung mit dem um πΙ2 phasenverschobenen Laststrom multipliziert. Die Blindarbeitszähler, der in F i g. 3 gezeigt ist, basiert auf diesem Prinzip.

Die Sigtale vom Spannungswandler 10 und vom Stromwandler 12 werden jeweils mittels der Phasenschieberschaltungen 26 und 28 so phasenverschoben, daß die Phase über den den Leistungsfaktor bestimmenden Phasenwinkel φ hinaus und λγ/2 verschoben ist. Die Signale von den Phasenschieberschaltungen 26 und 28 werden afc den Multiplizierer 18 abgelegt. Das Signal vom Multiplizierer 18 wird dann in der schon oben erwähnten Weise verarbeitet und die Blindarbeit angezeigt.

Da die Phasenschiebtrschaltungen 26 und 28 aus Induklivitätcn oder Kapazitäten aufgebaut sind, schwanken ihre Phasenschiebei eigenschaften mit der Frequenz. Daher hängt auch die Charakteristik des Blindarbeitszählers in starkem Ausmaß von der Frequenz ab, so daß keine sehr genaue Messung der Blindarbeit möglieh ist.

Hin Elektrizitätszähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs I ist aus der Siemens-Zeitschrift 51,1977, Heft 4, Seilen 345 bis 349 bekannt. Der bekannte Zähler dient für die gleichzeitige Wirkverbrauch- und Blindverbrauchzählung in einem Drehstromnetz. Für diese beiden Zählungen sind gesonderte Multiplizierschaltungen vorgesehen, von denen die einen zur Erzeugung eines der Wirkleistung proportionalen Signals mit einem einer Strangspannuiip proportionalen Signal und die andere zur Erzeugung eines der Blindleistung proportionalen Signals mit einem il-erjenigen Leiterspannung proportionalen Signal beaufschlagt wird, das gegenüber der vorerwähnten Strangspannung um 90° phasenverschoben isL Auf diese Weise werden die erforderlichen Phasenbedingungen zur Ermittlung von Wirkverbrauch und Blindverbrauch hergestellt. Diese Art der Blindverbrauchszählung kommt jedoch nur für Mehrphasensysteme in Betracht, bei denen zwei um 90° zueinander phasenverschobene Spannungen auftreten und bei denen die Summenarbeit aller Phasen gezählt werden soll.

Aus der DE-OS 29 49 461 und der DE-OS 29 26 979 sind Elektrizitätszähler bekannt, bei denen zur Ermittlung des Produkts aus Strom und Spannung ebenfalls das Time-Division-Multiplizierverfahren in Verbindung mit einem Pulsbreitenmodulator eingesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektrizitätszähler der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der durch einfache Einstellung bzw. Umstellung für die Messung entweder der Scheinarbeit, der Wirkarbeit oder der Blindarbeit verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektrizitätszähler mit den MerkmaVn des Anspruchs 1 gelöst

Der Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung ist in der Lage, allein durch Ändern der Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung Scheinarbeit, Wirkarbtit und Blindarbeit zu messen. Da dieser Elektrizitätszähler, anders ah> bekannte Zähler, keine Gleichrichter, keine Kompensationsschaltung und keine Phasenschieberschaltung benötigt, sind seine Frequenzabhängigkeit und sein Antwortverhalten frei von den schädlichen Einflüssen der bekannten Schaltungen. Da ferner die Verzögerungszeiteinstellschaltung das Signal digital verarbeitet, sind das Frequenz- und das Antwortverhalten des Elektrizitätszählers gemäß der Erfindung stabil. Als Folge daraus ergibt sich gemäß der Erfindung ein Elektrizitätszähler geringer Größe und hoher Genauigkeit bei der Messung elektrischer Arbeit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten elektronischen Scheinarbeitszählers,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten elektronischen Wirkarbeitszählers,

Fig.3 ein Blockschaltbild eines bekannten Blindarbeitszählers,

Fig.4 teilweise als Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan eine schematische Anordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Scheinarbeitszähler,

F i g. 5 ein Schaltbild der Pulsbreitenmodulatorschaltung von F i g. 4,

Fig. 6A bis 6C Signalverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Pulsbreitenmodulatorschaltung von fig. 5,

Fig. 7A und 7B Signalverläufe zur Erläuterung des Prinzips der ersten Ausführungsform,

Fig.8 teilweise als Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan eine schematische Anordnung des Verzögerungsglieds ν jn F i g. 4,

F i g. 9 eh schematisches Blockschaltbild einer Verzögerungszeiteinstellschaltung, wie sie in Fig.4 gezeigt ist,

Fig. 10 teilweise als Blockschaltbild, teilweise als Stromlaufplan eine schematische Anordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung als Wirkarbeitszähler,

F i g. 11A und 11B Signalverläufe zur Erläuterung des Prinzips der zweiten Ausführungsform.

Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung der Zeit- bzw. Phaseneinstellschaltung, die in Fig. 10 gezeigt ist,

Fig. 13 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung als Blindarbeitszähler,

Fig. HA bis 14C Signalverläufe zur Erläuterung des Prinzips der dritten Ausführungsform und

Fig. 15 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung der in Fig. 13 gezeigten Verzögerungszeiteinstellschaltung.

F i g. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform, bei der der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der vorliegenden Erfindung als Scheinarbeitszähler ausgebildet ist.

Ein Meßspannungstransformator oder Spannungswandler 30 ist mit (nicht gezeigten) Netzleitungen verbunden und gibt ein Spannungssignal e_v ab, das einer Lasispatiiiufig proportional !Si.

Eine an den Spannungswandler 30 angeschlossene Pulsbreitenmodulations-(PBM)-Schaltung 32 führt auf der Basis des Spannungssignals e„ vom Spannungswandler 30 eine Pulsbreitenmodulation durch und erzeugt ein Pulsbreiten-Tastverhältnis-Signal, das im folgenden als PBM-Signal bezeichnet werden soll.

Eine Verzögerungsschaltung 34 enthält ein Verzögerungsglied 36, das an die PBM-Schaltung 32 angeschlossen ist, und einen Taktimpulsgeber 38, der Taktimpulssignale erzeugt und an das Verzögerungsglied 36 angeschlossen ist Das Verzögerungsglied 36 kann beispielsweise ein mehrstufiges Schieberegister enthalten und verzögert bei dieser Ausführungsform ein Eingangssignal um eine Zeit, die der Phasendifferenz zwischen der Lastspannung und dem Laststrom der Netzleitungen entspricht

Ein Transformator 40, der nachfolgend als Stromwandler bezeichnet werden soll, ist an die Netzleitungen angeschlossen und erzeugt ein Stromsignal e* das dem Laststrom proportional ist.

Eine Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 enthält eine erste impulssignalumsetzerschaltung44, deren Eingang mit dem Spannungswandler 30 verbunden ist, sowie eine zweite Impulssignalumsetzerschaltung 46, deren Eingang mit dem Stromwandler 40 verbunden ist Diese nachfolgend als Phasenimpulsgeber bezeichneten Schaltungen 44 und 46 sind jeweils beispielsweise aus Komparatoren aufgebaut Die Phasenimpulsgeber stellen jeweils Zeitpunkte fest zu denen die zugeführten elektrischen Signale den Wert Null durchlaufen und erzeugen elektrische Signale entsprechend der Phasendifferenz zwische:, den beiden zugeführten elektrischen Signalen. Die Ausgänge der Phasenimpulsgeber 44 und 46 sind an das Verzögerungsglied 36 angeschlossen.

Ein Time-division-Multiplizierer 48 ist an den Stromwandler 40 und das Verzögerungsglied 36 angeschlossen und enthält beispielsweise einen Satz analoger Schalter. Diese werden durch das PBM-Signal vom Verzögerungsglied 36 selektiv gesteuert, so daß der Multiplizierer über einen Widerstand 50 ein dem Stromsignal e/ proportionales Spannungssignal erhält und an diesem mit dem Spannungssignal vom Verzögemngsgiied 36 eine Time-division-Multiplikation ausfuhrt und dann ein der Leistung proportionales Signal bildet

Der Integrator 52, der an den Multiplizierer 48 angeschlossen ist, integriert das Leistungssignal und erzeugt ein Spannungssignal, das der Arbeit proportional ist Der Integrator 52 enthält Reihenschaltungen mit Widerständen 54 und 56 und Kondensatoren 58 und 60, wie dies aus der Figur ersichtlich ist.

Eine Verarbeitungsschaltung 62, die an den Integrator 52 angeschlossen ist, wandelt das Arbeits-Signal in ein Anzeigesignal um. Die Verarbeitungsschaltung 62 enthält einen Spannungs/Frequenz-Umset/.er 64, der mit dem Integrator 52 verbunden ist, und einen Frequenzteiler 66, der an den Spannungs/Frequenz-Umscizer 64 angeschlossen ist. Der Spannungs/Frequenz-Umsetzer 64 liefert ein Impulssignal mit einer dem Pegel des vom Integrator 52 zugeführten Spannungssignals proportionalen Folgefrequenz. Der Frequenzteiler 66 frequenzteilt dieses Impulssignal und erzeugt damit ein Anzeigesignal.

Eine Anzeigeschaltung 68 ist an die Verarbcitungsschaltung 62 angeschlossen und zeigt die Arbeil entsprechend dem vom Frequenzteiler 66 gelieferten Anzeigesignal sichtbar an.

F i g. 5 zeigt ein Schaltbild der PBM-Schaltung 32 von Fig.*. nie PBM-Schaltung 32 enthält einen Integrator 70, der mit dem Spannungswandler 30 verbunden ist, und einen Vergleicher 72. der mit dem Integrator 70 verbunden ist Der Integrator 70 enthält einen Widerstand R 1, einen ersten Operationsverstärker A 1, dessen invertierender Eingang über den Widerstand Λ 1, an den Spannungswandler 30 angeschlossen ist und dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt, einen Kondensaior Cl zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers A 1 und einen Widerstand R 2 zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A 1 und dem Ausgang des Vergleichers 72. Der Vergleicher 72 enthält einen /weiten Operationsverstärker A 2, dessen nicht invertierender Eingang an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers A 1 angeschlossen ist, um von diesem ein integriertes Spannungssignal e* zu empfangen, einen Inverter /, der an den Ausgang des Operationsverstärkers A 2 angeschlossen ist, um dessen Ausgangssignal zu invertieren, und eine Kombination von Widerständen R 3 und R 4, die an den Ausgang des Inverters / angeschlossen sind, um dessen Ausgangssignal spannungszuteilen und eine dem Vergleich dienende Bezugsspannung c_h :in den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers A 2 zu liefern. Der Vergleicher 72 ist so ausgelegt, daß er eine Spannung +e_r abgibt, wenn sein Ausgangssignal den Binärwert »1« besitzt, und eine Spannung — e_r, wenn sein Ausgangssignal den Binärwert »0« besitzt

Bei der derart aufgebauten PBM-Schaltung 32 sei angenommen, daß das binäre Ausgangssignal des Vergleichers 72 »1« sei, wenn das Spannungssignal e_v den Wert Null hat (e_r = 0), und daß die Spannungsteilr widerstände R 3 und R 4 gleiche Werte haben.

Für diesen Fall gibt der zweite Operationsverstärker A 2 zu einem Zeitpunkt t1 am Ausgang die Spannung + e> ab, wie dies in F i g. 6A gezeigt ist Da die Spannung + e_rmittels des Inverters /invertiert und dann durch die Widerstände R3 und A4 zu 1/2 e_r geteilt wird, wird als Bezugsspannung e* die Spannung — eJ2 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A 2 zum Zeitpunkt /1 angelegt, wie dies in Fig.6B gezeigt ist Da die Spannung +e_r über den Widerstand R 2 am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärker A 1 anliegt, besitzt das integrierte Spannungssignal et vom Operationsverstärker A 1 vom Zeitpunkt 11 ausgehend eine negative Steigung, wie in F i g. 6C dargestellt Wenn das integrierte Spannungssignai et bis auf — e,/2 abgefallen ist und die Beziehung e*<e* erfüllt (zum Zeitpunkt f2 in Fig.6C), dann schaltet das Aus-

gangssignal des zweiten Operationsverstärkers A 2 auf den Binärwert »0« um, welches der Spannung — e_r entspricht (/ 2 in Fig. 6A). Dann wird die Spannung + dl als Vergleichs-Bezugsspannung e/, an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers A 2 angelegt (Zeitpunkt 12 in Fig. 6B). Zur gleichen Zeit wird die Spannung — e_r über den Widerstand Λ 2 an den invertitienden Eingang es ersten Operationsverstärker A 1 angelegt, so daß das integrierte Spannungssignal e* vom Operationsverstärker Al vom Zeitpunkt ti an eine positive Steigung besitzt, wie dies in F i g. 6C dargestellt ist. Wenn dann das integrierte Spannungssignal e* den Wert + cJ2 erreicht und die Beziehung e,täe/, erfüllt (Zeitpunkt f 3 in Fig. 6C), schaltet das binäre Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers A 2 wieder auf den Binärzustand »1« entsprechend der Spannung + e_r (Zeitpunkt ί3 in Fig.6A). Auf diese Weise wiederholt die PBM-Schaltung 32 die Folge der Arbeitsschritte und führt eine tigenschwingung aus.

Das Tastverhältnis der PBM-Schaltung 32, die in der oben beschriebenen Weise arbeitet, kann wie folgt mathematisch ausgedrückt werden. Das Zeitintervall während dessen das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers A 2 »1« ist, sei U und das Zeitintervall, während dieses Ausgangssignal »0« ist, sei i;,. Das integrierte Spannungssignal e* (t_a) ist dann

R\C\

R2C\

wobei R 1 und R 2 die Widerstandswerte und CI die Kapazität der Widerstände bzw. des Kondensators, die in F i g. 5 gezeigt sind, bedeuten. Falls Ri = R 2, ergibt sich /., zu

_ e,R\C\

Das integrierte Spannungssignal ex(tb) ist gegeben durch

Falls R 1 = R 2, ergibt sich tb zu
e,R\C\

t„ =

e, + e.

Unter Verwendung der Gleichungen (6) und (8) lassen sich die Tastverhältnisse D und D errechnen

D =

D =

e,~e.

h ₌ e_r

Die F i g. 7A und 7 B zeigen Signalverläufe zur Erläuterung einer grundsätzlichen Multiplikationsmethode zum Erhalt der Wirkleistung und der Scheinleistung. Die Wirkleistung ist das Produkt des Spannungssignals c, und des Stromsignals e,. Bei gleichzeitiger Betrachtung stellt sich die Wirkleistung zum Zeitpunkt /1 als das Produkt der Signale an den Punkten A und B in den Figuren dar. Die Scheinleistung erhält man durch Multiplizieren des Stromsignals e, mit einem Spannungssignal, das durch Phasenverschiebung des Spannungssignals e_v in bezug auf das Stromsignal e, um die Phasendifferenz zwischen dem Spannungssignal und dem Stromsignal erhalten wurde. Bei der hier erläuterten ersten Ausführungsform wird diese Phasendifferenz mit Hilfe der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 festgestellt, das Spannungssignal mittels des Verzögerungsglied 36 entsprechend verzögert und das Spannungssignal und das Stromsignal an den Punkten C und B zum Zeitpunkt /1 multipliziert, um die Scheinleistung zu erhalten.

F i g. 8 zeigt ein schematisches Schaltbild des in F i g. 4 gezeigten Verzögerungsglieds 36. Das Verzögerungsglied 36 enthält ein Schieberegister 75 mit einer Vielzahl von Rückstellflipflops 74i bis 74„, die in Reihe geschaltet sind, eine Schalteranordnung 78 mit Schaltern 76i bis 76„, die jeweils mit den (^-Ausgängen der Flipflops 74i bis 74„ verbunden sind, und eine Schalterstcucrschaltung 80, die elektrisch mit der Schalteranordnung 78 verbunden ist. Als Antwort auf die beiden Impulssignale, die von der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 eingegeben werden, und das Taktimpulssignal vom Taktimpulsgeber 38 schließt die Schaltersteuerschaltung 80 einen der Schalter 76, bis 76„ zur Schaffung einer Verzögerung, die proportional der Zeitdifferenz zwischen den beiden Impulssignalen ist.

F i g. 9 zeigt schematisch in Blockform einen Aufbau der in F i g. 4 gezeigten Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42. Sie enthält einen ersten Vergleicher 82, der an den Spannungswandler 30 angeschlossen ist, und einen zweiten Vergleicher 84, der an den Stromwandler 40 (") angeschlossen ist. Da die Bezugsspannungsanschlüsse beider Vergleicher 82 und 84 auf Null gehalten sind, erfassen diese Vergleicher jeweils die Zeitpunkte, zu denen das Spannungssignal vom Spannungswandler und das Stromsignal vom Stromwandler den Wert Null durchlaufen. Die erfaßten Signale werden in Form von Impulssignalen an das Verzögerungsglied 36 übertragen, um in diesem eine Verzögerungszeit einzustellen.

Die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform des erläuterten Aufbaus soll nun beschrieben werden. Die Lastspannung der Netzleitungen wird mit Hilfe des Spannungswandlers 30 in ein ihr proportionales Spannvngssignal umgesetzt und dieses an die PBM-Schaltung 32 angelegt. Sie erzeugt entsprechend dem Spannungssignal ein PBM-Signal und überträgt dieses auf die Verzögerungsschaltung 34. Das PBM-Signal wird um die mittels der Verzögerungs-Einstellschaltung 42 eingestellte Zeit verzögert Genauer gesagt wird das PBM-Signal im Schieberegister 75 für die Dauer eines Zeitintervalls von der Vorderflanke des mit dem Spannungssignal e, synchronisierten Impulses bis zur Vorderflanke des mit dem Stromsignal e, synchronisierten Impulses verschoben. Das verzögerte PBM-Signal wird dann in den Time-division-Multiplizierer 48 eingegeben, wo es mit einem dem Stromsignal vom Stromwandler 40 proportionalen Spannungssignal multipliziert wird.

Das bedeutet, daß das Spannungssignal e_v und das Stromsignal e,in Phase multipliziert werden, so daß man ein elektrisches Signal erhält, welches der Scheinleistung proportional ist Dieses Scheinleistungssignal

wird mit Hilfe des Integrators 52 in ein der Arbeit proportionales Spannungssignal integriert. Dieses Arbeitssignal wird, nachdem es mittels der Verarbeitungsschaltung 62 in ein Anzeigesignal umgesetzt wurde, zur Anzeigeschaltung 68 übertragen, mittels der dann die elektrische Arbeit sichtbar angezeigt wird.

Wie zuvor beschrieben, besitzt die erste Ausführungsform zv^:schen der PBM-Schaltung 32 und dem Time-divisior.-Multiplizierer 48 die Verzögerungsschaltung 34. Das PBM-Signal wird synchron mit den Taktimpulsen sequentiell an die Vcrzögerungsschaltung 34 angelegt. Die Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 erfaßt die NuMdurchgänge des der Lastspannung proportionalen Spannungssignals und des dem Laststrom proportionalen Spannungssignals. Das PBM-Signal wird dann vom Verzögerungsglied 36 während des Zeitintervalls, das der Phasendifferenz zwischen dem Spannungssignal und dem Stromsignal entspricht, gehalten. Das verzögerte PBM-Signal wird im Time-division-Multiplizierer48 einer Time-division-Multiplikation unterzogen, was zur Bildung eines Scheinleistungssignals führt. Mit dem Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsform läßt sich eine sehr genaue Scheinarbeitsmessung erreichen, ohne daß die Notwendigkeit für irgendeinen komplizierten Aufbau besteht.

Fig. 10zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform für den Fall, daß der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung als Wirkarbeitszähler ausgebildet ist. In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher oder in ihrem Aufbau entsprechender Teile wie beim Scheinarbeitszähler von F i g. 4 verwendet und diese Teile in ihrer Arbeitsweise nicht noch einmal erläutert.

Der Wirkarbeitszähler von F i g. 10 unterscheidet sich vom Scheinarbeitszähler der ersten Ausführungsform im Aufbau der Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42. Man kann den Wirkarbeitszähler dadurch erhalten, daß man eine in der Verzögerungsschahung 34 eingestellte Verzögerungszeit ändert, wie dies nachfolgend angegeben ist.

Bevor die zweite Ausführungsform im einzelnen beschrieben wird sei die Annahme gemacht, daß die Lastspannung und der Laststrom an bzw. in den Netzleitungen für den Fall des Leistungsfaktors 1 mittels des Spannungswandlers 30 in das Spannungssignal e_v bzw. mittels des Stromwandlers 40 in das Stromsignal e, umgewandelt werden und durch diese Umwandlungen zwischen den Signalen e, und e, eine Phasendifferenz Φ hervorgerufen werde, wie dies in den F i g. 11A und 11B gezeigt ist Für diesen Fall als Beispiel ist die momentane Wirkleistung zum Zeitpunkt /1 das Produkt der Signale an den Punkten A und B. Als Folge davon unterscheidet sich die momentane Wirkleistung von der korrekten momentanen Wirkleistung als dem Produkt der Signale an den Punkten B und Q was somit zu einer falschen Wirkleistung führt Bei der zweiten Ausführungsform wird jedoch die richtige Wirkleistung dadurch erhalten, daß die Phasendifferenz Φ zwischen dem Spannungssignal e, und dem Stromsignal e, kompensiert wird.

Die Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 enthält eine Phaseneinstellschaltung 86. Fig. 12 zeigt schematisch den Schaltungsaufbau dieser Phaseneinstellschaltung 86. In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher oder entsprechender Teile wie in F i g. 9 benutzt und diese Teile nicht noch einmal erläutert Die Ausgänge von erstem und zweitem Vergleiciier 82 und 84 sind an die Eingänge eines Phaseneinstellglieds 88 angeschlossen. Das Phaseneinstellglied 88 gewinnt die vom Spannung: "vandler 30 und vom Stromwandler 40 hervorgerufene Phasendifferenz unter Benutzung der Impulssignale, die von den beiden Vergleichern 82 und 84 zugeführt werden und überträgt Impulssignale, die zusammen den Fehler darstellen. Genauer ausgedrückt gewinnt das Phaseneinstellglied 88 vor der eigentlichen Messung die Phasendifferenz durch Anlegen von Bczugssignalen an den Spannungswandler 30 und den

ίο Stromwandler 40 und stellt dann während der eigentlichen Messung dieselbe Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung 34 ein. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Impulssignale, die dem vom Spannungswandler 30 und vom Stromwandler 40 hcrvorgerufenen Phasenfehler entsprechen, zur Verzögcrungsschaltung 34 übertragen.

In der Verzögerungsschaltung 34 wird daher das von der PBM-Schaltung 32 zugeführte PBM-Signal um ein.? der Phasendifferenz bzw. dem Phasenfehler Φ entsprcchende Zeit verzögert. Das dermaßen bezüglich des Phasenfehlers kompensierte PBM-Signal wird dann in den Multiplizierer 48 mit einem dem Stromsignal e, proportionalen Spannungssignal multipliziert. Das bei dieser Multiplikation gewonnene Leistungssignal wird verarbeitet und mittels der Anzeigeschaltung 68 die Wirkarbeit angezeigt.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich, wird bei der zweiten Ausführungsform der Phasenfehler Φ der entsteht, wenn die Lastspannung und der Laststrom der Netzleitungen mittels des Spannungswandlers 30 in ein Spannungssignal e_v bzw. mittels des Stromwandlers 40 in ein Stromsignal e, umgesetzt werden, mit Hilfe der Phaseneinstellschaltung 86 und der Verzögerungsschaltung 34 korrigiert und dann die Time-division-Multiplikation der Signale in erwähnter Weise ausgeführt. Durch die Schritte der Signalverarbeitung erhält man dann die Arbeit. Daher kann entsprechend der zweiten Ausführungsfur in die Wtrkarbeit mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Fig. 13 zeigt als Blockschaltbild das Schema einer dritten Ausführungsform, bei der der elektronische Elektrizitätszähler gemäß der Erfindung als Blindarbeitszähler ausgebildet ist. In der Figur sind gleiche Symbole zur Bezeichnung gleicher Teile wie bei der Anordnung des Scheinarbeitszählers von F i g. 4 verwendet und diese Teile nicht noch einmal beschrieben.

Der Blindarbeitszähler von F i g. 13 unterscheidet sich vom Scheinarbeitszähler hinsichtlich des Aufbaus der Verzögerungszeit-Einstellschaitung42.

so Wie eingangs erwähnt gewinnt man die Wirkleistung aus der Beziehung (Spannungssignal e„) χ (Stromsignal e/). Für den Fall gleichzeitiger Betrachtung ist die Wirkleistung zum Zeitpunkt ί 1 das Produkt aus Spannungsund Stromsignal an den Punkten A bzw. B (Fig. I4A, 14B). Zur Erzielung der Blindleistung wird das Produkt des Stromsignals e, mit einem Spannungssignal e.' (F i g. 14C) gebildet, welches durch Phasenverschiebung des Spannungssignals e_v um den Winkel λ/2 erhalten wurde. Bezogen auf Momentanwerte resultiert die Blindleistung zum Zeitpunkt 11 aus der Multiplikation des Spannungssignals am Punkt C mit dem Stromsignal am Punkt B. Bei der dritten Ausführungsform erhält man die Blindleistung auf die Weise, daß das Produkt der Signale an den Punkten B und C'anstelle der Punkte B und A gebildet wird, und zwar durch Verzögern des Spannungssignals e_v um λ/2.

Die Verzögerungszeit-Einstellschaltung 42 enthält eine Verzögerungsschaltung 90. Fig. 15 zeigt schema-

11

tisch einen Aufbau dieser Verzcgerungszeitschaltung 90. Ähnliche Zahlen bezeichnen ähnliche Teile, die nicht noch einmat beschrieben werden. Einer der Eingänge beider Vergleicher 82 und 84 ist an den Spannungswandler 30 angeschlossen. Ein Bezugssignaleingang des ersten Vergleichers 82 wird auf einer Scheitelspannung gehalten. Ein Bezugssignaleingang des zweiten Vergleichcrs 34 ist mit Maase verbunden und wird auf Nullpotential gehalten. Die Ausgänge der beiden Vergleicher sind an Eingänge eines Zeitverzögerungseinstellglieds 92 angeschlossen. Dieses gewinnt eine Phasendifferenz von -t/2 auf der Basis des Impulssignals, das vom ersten Vcrgleicher 82 zugeführt wird und den Zeitpunkt der Scheilelspannung repräsentiert, sowie des Zeitpunktes des Nullpotcntiais, der vom zweiten Vergleicher 84 ge- is liefert wird. Das Zeitverzögerungseinstellglied 92 liefert Impulssignale, die dieser Phasendifferenz entsprechen, an die Verzögerungsschaltung 34.

III Vl*»l » Vl &Ug\.l (IHgJJl.llUltUllg *J-T nilu Utlllkl UUO

PBM-Signal von der PBM-Schaltung 32 um eine Zeit entsprechend dem Phasenwinkel λ72 verzögert. Das dermaßen verzögerte PBM-Signal wird im Multiplizierer 48 mit dem dem Stromsignal e, proportionalen Spannungssignal multipliziert. Das bei dieser Multiplikation gewonnene Leistungssignal wird in oben erwähnter Weise weiterverarbeitet und die elektrische Arbeit mittels der Anzeigeschaltung 68 angezeigt.

Wie beschrieben, wird bei der dritten Ausführungsform die Pulsbreitenmodulation auf der Basis des Spannungssignals e_v, das der Lastspannung an den Netzleitungen proportional ist, ausgeführt. Nachdem das PBM-Signal auf digitale Weise um λγ/2 phasenverschoben wurde, wird es mit dem Laststrom e, in den Netzleitungen multipliziert, damit die Blindleistung und dann die Blindarbeit gewonnen werden können. Daher kann entsprechend der dritten Ausführungsform die Blindarbeit mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die drei Ausführungsformen beschränkt ist. !n den drei Ausführungsformen wird das PBM-Signal - -f der Basis des vom Spannungswandlers 30 erhalte' panniingssignals gewonnen und mit dem vom Stromwandler 40 gelieferten Stromsignal e/ multipliziert, um auf diese Weise die Leistung zu erhalten. Alternativ könnte das der Leistung proportionale Signal gewonnen werden, indem das PBM-Signal auf der Basis des Stromsignals erzeugt und mit dem Spannungssignal multipliziert wird. Während bei den drei Ausführjngsformen ein. Schieberegister 75 für das Verzögerungsglied verwendet wird, könnten stattdessen auch eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) oder eine Eimerketteneinrichtung (BBD) verwendet werden.

Wenn im Vorangehenden von Arbeit, Energie, Leistung. Schein-, Blind-, Wirk-Arbeit, -Energie bzw. -Leistung die Rede ist, dann ist immer eine elektrische Arbeit bzw. Leistung gemeint

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Elektrizitätszähler, umfassend
einen an Netzleitungen angeschlossenen Spannungswandler (30) zur Erzeugung eines der Spannung an den Netzleitungen proportionalen ersten Signals (e_r),

einen an die Netzleitungen angeschlossenen Stromwandler (40) zur Erzeugung eines dem Strom in den Netzleitungen proportionalen zweiten Signals (e*
eine das eine der beiden Signale (e_r) in ein pukbreitenmoduliertes Signal umsetzende Pulsbreitenmodulatorschaltung (32) und

eine mit dem anderen der beiden Signale (ei) und dem pulsbreitenmodulierten Signal beaufschlagte und ein einer Leistung entsprechendes Signal erzeugende Time-Division-Multiplizierschaltung (48), der eine Integrationsschaltung (52) zur Erzeugung eines einer Arbeit entsprechenden Anzeigesignals und eine Anzeigeschaltung (68) folgen,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Pulsbreitenmodulatorschaltung (32) und die Time-Division-Multplizierschaltung (48) eine Verzögerungsschaltung (34) geschaltet ist, deren Verzögerungszeit mittels einer Verzögerungszeiteinstellschaltung (42) nach Maßgabe eines zu korrigierenden Winkelfehlers der Wandler (30, 40) und/oder nach Maßgabe dessen einstellbar ist, ob die Scheinarbeit, die Wirkarbeit oder die Blindarbeit zu messen ist(Fig.4, to, 13).

2. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Jie Ver_ögerungszeit-Einstellschaltung (42) eine ers:e und eine zweite Impulssignalumsetzerschaltung (44, 4t', umfaßt, von denen jede an einen der Transformatoren (30, 40) angeschlossen ist und die Zeitpunkte feststellen, zu denen die zugeführten elektrischen Signale in gleicher Richtung den Wert Null durchlaufen, um so eine Phasendifferenz zwischen beiden elektrischen Signalen in Form einer Zeitdifferenz zu erhalten, und die Impulssignale entsprechend der Zeitdifferenz an die Verzögerungsschaltung (34) zur Einstellung einer Verzögerungszeit liefern.

3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiteinstellschaltung (42) eine Phaseneinstellschaltung (86) umfaßt, die mit dem Spannungstransformator (30) und dem Stromtransformator (40) verbunden ist und zwei elektrische Signale erfaßt, die eine vom Spannungstransformator (30) und vom Stromtransformator (40) hervorgerufene Phasendifferenz aufweisen und dadurch erhalten werden, daß an den Spannungstransformator (30) eine Bezugsspannung und an den Stromtransformator (40) ein demgegenüber phasengleicher Bezugsstrom angelegt werden, und daß eine Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung (34) auf der Basis dieser Zeitdifferenz eingestellt wird.

4. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiteinstellschaltung (42) eine Verzögerungszeitschaltung (90) umfaßt, die mit einem der Transformatoren (30, 40) verbunden ist und einen Zeitpunkt feststellt, zu dem eines der elektrischen Signale vom Spannungstransforniator (30) und Stromtransformator (40) den Wert Null und einen Scheitelwert erreicht, um auf diese Weise eine Zeitdifferenz gleich einer Phasendifferenz von ir/2 zu erhalten, und entsprechend dieser Zeitdifferenz eine Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung (34) einstellt