DE3323961C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Ermittlung der Wirk-, Blind- und/oder Scheinleistung eines Wechselstromverbrauchers oder -erzeugers mit einem einen Hallsensor enthaltenden Meßwertaufnehmer, bei welcher der Hallsensor einem einer an dem Verbraucher oder Erzeuger abgenommenen, elektrischen Meßgröße ent­ sprechenden magnetischen Induktionsfeld ausgesetzt ist, an den den Hallsensor enthaltenden Meßwertaufnehmer mit einem Umschalter abwechselnd zwei verschiedene Steuerströme geschaltet sind, die amplitudenproportional zur Verbraucherspannung und um einen Winkel gegeneinander phasenverschoben sind, und der in einer integrierenden Vorrichtung gebildete Mittelwert der Hallsensor-Ausgangs­ spannung bei Aufschaltung des ersten Steuerstroms ein der Wirkleistung entsprechendes Signal darstellt, das einer Steuer- und Auswertevorrichtung zur Auswertung zugeführt ist.

Elektrische Größen, die an Wechselstromverbrauchern oder -erzeugern bestimmt werden können, sind Strom I, Spannung U, Wirkleistung P, Blindleistung Q, Schein­ leistung S und der Leistungsfaktor cos Φ. Anhand des Vorzeichens der Wirkleistung P kann festgestellt werden, ob ein Verbraucher oder Erzeuger elektrischer Energie vorliegt. Bei der Blindleistung Q kann kapazitive und induktive Blindleistung anhand des Vorzeichens unter­ schieden werden. Im allgemeinen Fall ist der Strom I gegenüber der Spannung U phasenverschoben, so daß ein Wirk- und Blindstromanteil bestimmt werden kann. Ferner sind bei der Überwachung von Verbrauchern oder Erzeugern elektrischer Energie die bezüglich der Zeit aufintegrierten Werte von Wirkleistung P, Blindleistung Q und Scheinleistung S von Interesse, die die in einem bestimmten Zeitintervall aufgenommenen bzw. abgegebenen Wirk-, Blind- und Scheinenergien darstellen.

Durch die DE-AS 12 94 053 ist eine Meßeinrichtung zur Ermittlung von Wirkenergie der vorgenannten Gattung be­ kannt. Das auf den Hallsensor einwirkende Induktionsfeld wird hierbei mit einer Frequenz, die der Meßgröße Wirk­ leistung entspricht, umgepolt, so daß diese Vorrichtung lediglich einen Spannungsfrequenzwandler darstellt, dessen Ausgangsimpulse in einem Zähler zur Wirkverbrauchsermittlung summiert werden. Andere Wechselstromgrößen sind somit nicht erfaßbar. Des weiteren ist von Nachteil, daß die Energie­ flußrichtung nicht bestimmbar und demnach Verbraucher und Erzeuger nicht unterscheidbar sind, und daß ein meßwert­ verfälschender Einfluß der ohmschen Nullspannung des Hallsensors gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zur zusätz­ lichen einfachen Ermittlung der Blind- und/oder Schein­ leistung dient und damit die Bestimmung aller daraus ableitbaren einen Wechel­ stromverbraucher oder -erzeuger betreffenden elek­ trischen Größen ermöglicht und vollelektronisch arbeiten kann.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Induktionsfeld dem Verbraucher- oder Erzeugerstrom ent­ spricht, daß die zwei verschiedenen Steuerströme abwechselnd dem Strompfad des Hallsensors des Meßwertaufnehmers aufge­ schaltet sind, daß der Winkel zwischen den Steuerströmen 90° beträgt, daß bei Aufschaltung des zweiten Steuerstromes der Mittelwert der Hallsensor-Ausgangsspannung ein der Blindleistung Q entsprechendes Signal ist, das zusammen mit einem zusätzlichen, der Spannung entsprechenden Signal einer Steuer- und Recheneinheit zugeführt ist und daß die Mittelwerte der Hallsensor-Ausgangsspannungen mit einem integrierenden Analog-Digitalwandler ermittelt sind, dessen Integrationsdauer ein ganzzahliges Vielfaches der halben Periodendauer des Wechselstromes entspricht. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Zweckmäßig ist es demnach, das Aufschalten der Steuer­ ströme für den Hallsensor des Meßwertaufnehmers und die Steuerung des Analog-Digitalwandlers mittels der Steuer- und Recheneinheit auszuführen, für die ein Mikroprozessor vorgesehen ist.

Des weiteren sollte an die Steuer- und Recheneinheit eine Anzeigeeinheit und/oder eine Signaleinrichtung ange­ schlossen sein und die Steuer- und Recheneinheit kann eine Zeitreferenz zur Zeitmessung und -anzeige enthalten, mit deren Hilfe die Wirk-, Blind- und Scheinleistung zur Ermittlung der in einem bestimmten Zeitraum aufge­ nommenen oder abgegebenen Wirk-, Blind- und Scheinenergie eines Verbrauches oder eines Erzeugers bezüglich der Zeit aufintegrierbar ist. Angebracht ist es ferner, ein Bedienungstastenfeld zum Aufruf der jeweils gewünschten Meßgröße in der Anzeigeeinheit und zur Programmierung der Signaleinrichtung vorzusehen.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Meßeinrichtung ist sehr einfach in ihrem Aufbau und daher wirtschaftlich zu fertigen, das weitgehend handelsübliche Bauteile verwendet werden können. Auch die Handhabung der Meßeinrichtung ist sehr einfach: Nach Einschalten in den Meßkreis können alle elektrischen Größen angeschlossener Wechelstromverbraucher oder -erzeuger, beispielsweise durch Tastendruck, abgerufen werden. Eine Meßbereichswahl oder -umschaltung kann auf­ grund des gewählten Meßverfahrens entfallen. Der Hallsensor im Meßwertaufnehmer wird nämlich einen dem Verbraucher- bzw. dem Erzeugerstrom entsprechenden magnetischen Induk­ tionsfeld ausgesetzt und erhält abwechselnd zwei verschie­ dene Steuerströme, von denen der erste amplitudenpro­ protional und phasengleich und der zweite amplituden­ proportional und um 90° phasenverschoben zur Verbraucher- bzw. Erzeugerspannung ist. Der Mittelwert der Hallsensor- Ausgangsspannung entspricht bei Aufschaltung des ersten Steuerstroms der Wirkleistung P und bei Aufschaltung des zweiten Steuerstromes der Blindleistung Q des angeschlos­ senen Verbrauchers bzw. Erzeugers. Die Bildung dieser Mittelwerte erfolgt vorteilhaft in einem integrierenden Analog-/Digitalwandler, dessen Integrationszeit für das Meßsignal einem ganzzahligen Vielfachen der halben Perioden­ dauer des Wechselstromes entspricht. Die Mittelwertbildung erfolgt somit sehr schnell und genau. Bei mehrphasigen Meßobjekten ist daher pro Phase ein Meßwertaufnehmer mit Hallsensor und Steuerstromumschaltung vorzusehen, wobei die Mittelwertbildung aufgrund der Schnelligkeit mit nur einem Analog-/Digitalwandler mit Eingangsumschalter erfolgen kann. Die in einem Meßzyklus erhaltenen Werte der Wirk- und Blindleistung und der Spannung für die einzelnen Phasen müssen dann in der Steuer- und Recheneinheit weiter­ verarbeitet werden. Wenn die Mittelwertbildung z. B. über eine ganze Periodendauer des Wechselstromes erfolgt, erhält man eine besonders gute Unterdrückung von Störeinflüssen und Unvollkommenheiten des Hallsensors. Hierauf gründet sich wesentlich die hohe Genauigkeit der Meßeinrichtung und ein großer Meßbereichsumfang. Die Bestimmung der Wirk- und Blindleistung ist daher mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung weitaus genauer und aufwandsgünstiger in einem großen Meßbereich durchzuführen als beispiels­ weise Strom-, Spannungs- und Phasenwinkelmessungen, aus denen man die Leistungsgrößen dann berechnen könnte, wobei jedoch eine Ausmittelung von Störeinflüssen nicht mehr gegeben wäre. Zudem wird bei bekannter Wirk- und Blindleistung nur noch der Effektivwert der Verbraucher bzw. Erzeugerspannung und nicht deren Phase benötigt, um alle weiteren elektrischen Größen in einfacher Weise zu bestimmen.

Die Steuer- und Recheneinheit kann mit den ihr bekannten Meßwerten Wirkleistung P, Blindleistung Q und Spannung U und der Zeitreferenz alle folgenden Größen bestimmen:

Die bestimmten Größen können zur Anzeige gebracht werden oder abhängig von ihren Werten kann die Steuer- und Rechen­ einheit besondere Signaleinrichtungen oder Steuer- bzw. Zu- und Abschalteinrichtungen an angeschlossenen Ver­ brauchern oder Erzeugern betätigen.

Die elektrischen Funktionselemente der Meßeinrichtung werden zweckmäßigerweise in ein Gehäuse eingebaut, das mittels integrierter Steckverbindungen oder mit Steckver­ bindungen, die mit dem Gehäuse über Leitungen verbunden sind, in den Meßkreis eingeschaltet werden kann. Die Stromversorgung der elektrischen Funktionselemente erfolgt vorzugsweise über eine zentrale Stromversorgungseinrichtung die an dem zu messenden Stromkreis angeschlossen ist. Bei Ausfall des zu messenden Stromkreises sollte eine unab­ hängige Stromquelle selbstätig zuschaltbar sein.

Nach Verbindung mit dem Meßkreis ist die Meßeinrichtung betriebsbereit und zeigt eine Meßgröße, z. B. die Wirk­ leistung P, an. Zum Aufruf der übrigen Größen in die Anzeige ist es zweckmäßig, ein Tastenfeld mit z. B. 4 mal 4 Tasten, im Quadrat angeordnet, zu verwenden. Über dieses Tastenfeld kann auch die Programmierung einer Signalein­ richtung für den angeschlossenen Verbraucher oder Erzeuger erfolgen.

Die vorschlagsgemäße Meßeinrichtung kann zur Kontrolle, Prüfung und Überwachung angeschlossener Wechselstromver­ braucher oder -erzeuger bei äußerst einfacher Handhabung, verwendet werden. In Handwerk und Industrie sind beispiels­ weise an Motoren die Größen der Wirkleistung P, Leistungs­ faktor cos Φ und Scheinleistung S von Interesse, sowie die Wirk- und Blindenergieaufnahme in einem bestimmten Zeitraum, insbesondere bei selbsttätig ein- und ausschal­ tenden Geräten und Maschinen. In Blindleistungskompensations­ anlagen ist eine ständige Bestimmung der Blindleistung und Blindenergie von Interesse, um das Zu- bzw. Abschalten geeigneter Blindlasten zur Kompensation zu veranlassen. Die Meßeinrichtung ist auch zu Lehr- und Unterrichts­ zwecken, z. B. in Schulen, Hochschulen, Labors und in der Lehrlingsausbildung in Handwerk und Industrie bestens geeignet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäß ausgebildeten Meßeinrichtung zur Bestimmung aller elektrischen Größen von Wechselstromverbrauchern dargestellt und wird nachfolgend im einzelnen erläutert:

Die in einem Gehäuse 42 eingebaute Meßeinrichtung dient zur Bestimmung aller elektrischen Größen eines Wechsel­ stromverbrauchers oder -erzeugers 12 (im folgenden auch Meßobjekt genannt), der über die Stromleitungen 21 und 43 beispielsweise mit einem Wechselstromversorgungsnetz 1 verbunden ist. Wesentliche Bestandteile der Meßeinrichtung sind der über eine Leitung 22 mit dem Stromkreis des Meßobjektes 12 verbundene Meßwertaufnehmer 2, der steuer­ bare Umschalter 3, der über die Leitung 26 die Steuer­ ströme des im Meßwertaufnehmer 2 enthaltenen Hallsensors liefert, die Funktionsblöcke 4 und 5, denen über die Leitungen 23, 23′ und 23′′ die am Meßobjekt 12 anliegende Spannung zugeführt wird und die daraus die geeigneten Steuerströme für den Hallsensor im Meßwertaufnehmer 2 bilden und sie über die Leitungen 24 und 25 dem steuer­ baren Umschalter 3 zuführen, der integrierende Analog-/ Digitalwandler 6, der über eine Signalleitung 28 ein der Spannung am Meßobjekt 12 entsprechendes Signal, das im Funktionsblock 14 aus der über die Leitung 23 zuge­ führten Spannung gewonnen wird, erhält, die Steuer- und Recheneinheit 7, der über eine Signalleitung 33 die digitalisierten Meßwerte zugeführt werden und die über Leitungen 30 und 32 den steuerbaren Umschalter 3 bzw. den Analog-/Digitalwandler 6 steuert, und die über Leitungen 35 und 36 mit einer Anzeigeeinrichtung 8 bzw. Signaleinrichtung 9 verbunden ist und über eine Leitung 39 mit einer Eingabetastatur bzw. einem Bedienungstastenfeld 10 in Verbindung steht. Des weiteren betätigt die Steuer- und Rechenein­ heit 7 über eine Signalleitung 41 eine Steuer- bzw. Zu- oder Abschalteinrichtung 11 für das Meßobjekt 12.

Außerdem enthält die Meßeinrichtung eine zentrale Strom­ versorgung 13, die aus dem zu messenden Stromkreis über eine Leitung 20 gespeist wird und die über Ver­ sorgungsleitungen 31, 37, 38, 40 und 42 die Funktions­ gruppen 6, 8, 9, 7 und 3 mit elektrischer Energie versorgt.

Durch den Anschluß des einen Hallsensor enthaltenden Meßwertaufnehmers 2 an den Stromkreis des Meßobjektes 12 über die Leitung 22 wird der Hallsensor einem dem leistungsbestimmenden Strom entsprechenden magnetischen Induktionsfeld ausgesetzt. Außerdem werden an den Strom­ pfad des Hallsensors mit dem steuerbaren Umschalter 3 abwechselnd zwei verschiedene Steuerströme geschaltet, von denen der erste amplitudenproportional und phasen­ gleich und der zweite amplitudenproportional und um 90° phasenverschoben zu der leistungsbestimmenden Spannung ist. Auf diese Weise entspricht der Mittelwert der Hall­ sensor-Ausgangsspannung (Hallspannung) bei Aufschaltung des ersten Steuerstroms der Wirkleistung P und bei Auf­ schaltung des zweiten Steuerstroms der Blindleistung Q des Verbrauchers oder Erzeugers 12. Der integrierende Analog-/Digitalwandler mit fester Integrationsdauer über ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wechselstrom­ periode bildet diese Mittelwerte sehr schnell nachein­ ander und gibt sie jeweils passend zu den entsprechenden Stellungen des steuerbaren Umschalters 3 in digitalisierter Form über die Leitung 33 an die Steuer- und Recheneinheit 7, wo sie als Wirk- bzw. Blindleistungsmeßwerte registriert werden. Ein weiterer Eingang des Analog-/Digitalwandlers 6 erhält ein der leistungsbestimmenden Spannung ent­ sprechendes Signal über die Signalleitung 28, das mit dem Funktionsblock 14 über die Leitung 23 aus dem Strom­ kreis des Meßobjektes 12 entnommen wird.

Mit der Steuerleitung 30 veranlaßt die Steuer- und Rechen­ einheit 7 das Schalten des Umschalters 3 und über die Steuerleitung 32 wird dazu passend jeweils ein Wandel­ vorgang des Analog-/Digitalwandlers 6 ausgelöst; ferner erfolgt über die Leitung 32 die Auswahl des zu wandelnden Signals, so daß beispielsweise den Größen Wirkleistung P, Blindleistung Q und Spannung U entsprechende Digitalwerte jeweils in zyklischer Folge zur Steuer- und Recheneinheit 7 gelangen. Dort werden alle weiteren elektrischen Größen des angeschlossenen Wechselstromverbrauchers oder -erzeugers 12 aus diesen drei Meßgrößen bestimmt und auswählbar über die Tastatur 10 können alle elektrischen Größen in der Anzeige 8 angezeigt werden. Ferner sind über die Tastatur 10 z. B. Grenzwerte vorgebbar, bei deren Erreichen oder Überschreiten die Signaleinrichtung 9 betätigt wird und/oder die Steuer- bzw. Zu- oder Ab­ schalteinrichtung 11 veranlaßt wird, geeignet in den Stromkreis des Verbrauchers oder Erzeugers 12 einzu­ greifen.

Claims (5)

1. Meßeinrichtung zur Ermittlung der Wirk-, Blind- und/oder Scheinleistung eines Wechselstromverbrauchers oder -erzeugers mit einem einen Hallsensor enthaltenden Meßwertaufnehmer, bei welcher der Hallsensor einem einer an dem Verbraucher oder Erzeuger abgenommenen, elektrischen Meßgröße entsprechenden magnetischen In­ duktionsfeld ausgesetzt ist, an den den Hallsensor­ enthaltenden Meßwertaufnehmer mit einem Umschalter abwechselnd zwei verschiedene Steuerströme geschaltet sind, die amplitudenproportional zur Verbraucherspannung und um einen Winkel gegeneinander phasenverschoben sind, und der in einer integrierenden Vorrichtung gebildete Mittelwert der Hallsensor-Ausgangsspannung bei Auf­ schaltung des ersten Steuerstroms ein der Wirkleistung entsprechendes Signal darstellt, das einer Steuer- und Auswertevorrichtung zur Auswertung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktionsfeld dem Verbraucher- oder Erzeuger­ strom entspricht, daß die zwei verschiedenen Steuerströme abwechselnd dem Strompfad des Hallsensors des Meßwertauf­ nehmers (2) aufgeschaltet sind, daß der Winkel zwischen den Steuerströmen 90° beträgt, daß bei Aufschaltung des zweiten Steuerstromes der Mittelwert der Hallsensor- Ausgangsspannung ein der Blindleistung Q entsprechendes Signal ist, das zusammen mit einem zusätzlichen, der Spannung entsprechenden Signal einer Steuer- und Rechen­ einheit (7) zugeführt ist und daß die Mittelwerte der Hallsensor-Ausgangsspannungen mit einem integrierenden Analog-Digitalwandler (6) ermittelt sind, dessen Inte­ grationsdauer ein ganzzahliges Vielfaches der halben Periodendauer des Wechselstromes entspricht.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschalten der Steuerströme für den Hallsensor des Meßwertaufnehmers (2) und die Steuerung des Analog- Digitalwandlers (6) von der Steuer- und Recheneinheit (7) ausgeführt ist, für die ein Mikroprozessor vorge­ sehen ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuer- und Recheneinheit (7) eine Anzeige­ einheit (8) und/oder eine Signaleinrichtung (9) ange­ schlossen sind.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit (7) eine Zeitreferenz zur Zeitmessung und -anzeige enthält, mit deren Hilfe die Wirk-, Blind- und Scheinleistung zur Ermittlung der in einem bestimmten Zeitraum aufgenommenen oder abgegebenen Wirk-, Blind- und Scheinenergie eines Verbrauchers (12) oder eines Erzeugers (12) bezüglich der Zeit aufintegrierbar ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bedienungstastenfeld (10) zum Aufruf der je­ weils gewünschten Meßgröße in der Anzeigeeinheit (8) und zur Programmierung der Signaleinrichtung (9) vor­ gesehen ist.