DE19505652C2

DE19505652C2 - Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals

Info

Publication number: DE19505652C2
Application number: DE19505652A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Fujii; Shinzo Tamai; Hatsuhiko Naitoh; Naohiro Toki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: JP3338159B2; US5498955A; CA2133864A1; US5808462A; US5714877A; US5602469A; CH690466A5; US5731698A; DE19505652A1; CA2133864C; JPH07225249A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals (Wechselspannung- oder Wechselstromsi gnals), das für die Steuerung oder den Schutz von elektrischen Vorrichtungen verwendet wird, zum Bei spiel in Trennschaltern, Leistungswandlern oder Lei stungsreglern, die mit einem Stromversorgungssystem verbunden sind.

Fig. 23 zeigt eine Anordnung einer Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase nach dem Stand der Technik. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Objektsy stem, für das die Amplitude und Phase eines Wechsel signals erfaßt wird, 2 ist eine einphasige Wechsel spannungsquelle mit einer Spannungsamplitude von V₀ und einer Winkelfrequenz von ω₀, 3 ist eine mit der Spannungsquelle verbundene Last und 4 ist ein Wech selspannungsdetektor (Wechselspannungserfassungsvor richtung), die das Wechselspannungssignal (Wechselsi gnal) des Objektsystems erfaßt und ein Spannungssi gnal v erzeugt, das proportional zu der Wechselspan nung ist. Die Vorrichtung kann auch so gebildet wer den, daß sie einen Wechselstrom anstelle einer Wech selspannung erfaßt.

Mit 5 ist ein Amplitudendetektor bezeichnet, der die Amplitude V des Wechselspannungssignals v erfaßt und eine solche Vorrichtung ist in der japanischen Pa tentveröffentlichung JP 56-28469 B2 offenbart. Mit 6 ist ein Phasendetektor bezeichnet, der die Phase θ des Wechselspannungssignals v erfaßt, und diese Vorrich tung in dem Handbuch "Electric Engineering Handbook", Seite 447, veröffentlicht Februar 1988 durch The In stitute of Electrical Engineers of Japan.

Mit 7 ist ein Gleichrichterkreis bezeichnet, der eine Einphasen-Vollwellengleichrichtung für das von dem Wechselspannungsdetektor gelieferte Spannungssignal durchführt, 8 ist ein Verzögerungskreis erster Ord nung zum Dämpfen der geraden Oberwellen des Span nungssignals v, wodurch ein Signal erzeugt wird, das proportional zu der Amplitude des Spannungssignals v ist, 9 ist ein Nulldurchgangs-Erfassungskreis zum Feststellen des Nulldurchgangs des Spannungssignals v und 10 ist ein Phasenvergleichskreis, der die Phasen differenz zwischen dem erfaßten Nulldurchgang und der Ausgangsphase eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 12 bestimmt, der so schwingt, daß die durch ein Tiefpaßfilter 11 gelieferte Phasendifferenz ein Mini mum ist, dessen Ausgangsphase die Phase θ des Span nungssignals v darstellt.

Das Tiefpaßfilter 11 wird verwendet, um höhere harmo nische, die in einem durch den Phasenvergleichskreis 10 erfaßten Phasendifferenzsignal enthalten sind.

Im Betrieb erfaßt der Wechselspannungsdetektor 4 das Wechselspannungssignal des Objektsystems 1 und er zeugt ein Spannungssignal v, das proportional zu der Wechselspannung ist. Das Spannungssignal v wird dem Amplitudendetektor 5 und dem Phasendetektor 6 gelie fert, durch die Amplitude V und die Phase θ der Wech selspannung bestimmt werden.

In dem Spannungsdetektor 5 führt der Gleichrichter kreis 7 die Vollwellen-Einphasenverstärkung für das Spannungssignal v durch, um ein Signal zu erzeugen, das gerade Oberwellen des Spannungssignals v zusätz lich zu einer Gleichspannungskomponente einschließt. Der Verzögerungskreis 8 erster Ordnung filtert die gerade harmonischen aus, wodurch eine Gleichspan nungskomponente bestimmt wird, die Amplitude V des Spannungssignals v darstellt.

In dem Phasendetektor 6 erfaßt der Nulldurchgangser fassungskreis 9 den Punkt des Nulldurchgangs des Spannungssignals v und der Phasenvergleichskreis 10 bestimmt die Phasendifferenz zwischen dem Nulldurch gangspunkt und der Ausgangsphase des spannungsgesteu erten Oszillators 12, der so oszilliert, daß die Pha sendifferenz null ist, bei der die Ausgangsphase die Phase θ des Spannungssignals v darstellt. In dem von dem Phasenvergleichskreis 10 gelieferten Phasendiffe renzsignal enthaltenen Oberwellenkomponenten werden durch das Tiefpaßfilter 11 eliminiert, so daß die Phase θ des Wechselspannungssignals genau bestimmt werden kann.

Diese Schaltungsanordnung umfaßt jedoch einen Verzö gerungskreis 8 erster Ordnung in dem Amplitudendetek tor 5 und ein Tiefpaßfilter 11 in dem Phasendetektor 6 und diese Schaltkreise bewirken eine Zeitverzöge rung aufgrund ihrer Charakteristika des Bestimmens der Amplitude V und der Phase θ der Wechselspannung.

Eine andere Vorrichtung zur Erfassung der Amplitude und Phase nach dem Stand der Technik, die in der ja panischen Offenlegungsschrift JP 1-301183 A offenbart ist, verwendet einen Beobachter, um ein erfaßtes Wechselsignal in zwei Wechselsignale aufzuspalten, die zueinander um 90° außer Phase sind und berechnet die Amplitude des Wechselsignals aufgrund der aufge spaltenen Wechselsignale. Allerdings hat der Beobach ter im allgemeinen eine Ansprechverzögerung, wodurch eine Phasenverzögerung in seinem Ausgangssignal be wirkt wird, und daher kann diese Vorrichtung nicht die Amplitude V eines Wechselspannungssignals sofort bestimmen.

Die oben beschriebene Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und der Phase eines Wechselsignals nach dem Stand der Technik ist nicht in der Lage, die Amplitu de und die Phase eines Wechselsignals sofort zu be stimmen, aufgrund der Verwendung des Verzögerungs kreises 8 erster Ordnung und des Tiefpaßfilters 11, die eine Phasenverzögerung aufgrund ihrer Phasencha rakteristika bewirken, und folglich kann sie nicht genau die Steuerung oder den Schutz von elektrischen Vorrichtungen im System durchführen.

Die vorliegende Erfindung ist vorgesehen, um die obi gen Nachteile zu vermeiden. Folglich liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Er fassung der Amplitude und Phase zu schaffen, die in der Lage ist, die Amplitude und Phase eines Wechsel signals ohne Phasenverzögerung zu bestimmen, wobei außerdem die Amplitude und Phase genau bestimmt wer den soll, selbst wenn die Signalfrequenz des Objekt systems variiert. Darüber hinaus soll die erfindungs gemäße Vorrichtung gegen Störungen und gegen in dem Wechselsignal enthaltene Oberwellen unempfindlich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und der ne bengeordneten Ansprüche gelöst.

Zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt die Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsi gnals nach der Erfindung einen Berechnungskreis, der eine bestimmten Phasencharakteristik bei der Frequenz des Wechselsignals, das von einem Wechselsignalerfas sungskreis erfaßt wird, aufweist, und berechnet ein Wechselsignal, dessen Phase um die Größe der Phasen charakteristik verschoben ist, einen ersten Verstär kerkreis, der den Kosinus der Phasencharakteristik mit dem erfaßten Wechselsignal multipliziert, und einen zweiten Verstärkerkreis, der den Umkehrwert des Sinus der Phasencharakteristik mit dem um das Aus gangssignal des Berechnungskreises subtrahierten Aus gangssignal des ersten Verstärkerkreises multipli ziert. Die Berechnung liefert sofort zwei Wechselsi gnale, die Frequenz des erfaßten Wechselsignals auf weisen und zueinander um 90° außer Phase sind und folglich kann die Amplitude und die Phase des Wech selsignals ohne Phasenverzögerung bestimmt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Amplitude und Phase eines Wechselsignals umfaßt eine Kompensationsvorrichtung, die Verstärkungscharakteri stik und Phasencharakteristik des Berechnungskreises auf der Grundlage der mit einer Frequenzberechnungs vorrichtung berechneten Frequenz berechnet, multipli ziert den Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik mit dem Ausgangssignal des Berechnungskreises und liefert den Kosinus der Phasencharakteristik und den Umkehrwert des Sinus der Phasencharakteristik als Multiplikationsfaktoren jeweils für den ersten und zweiten Verstärkerkreis. Folglich ist es möglich, die Amplitude und die Phase des Wechselsignals genau zu bestimmen, selbst wenn die Signalfrequenz des Objekt systems variiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals umfaßt eine Kompensationsvorrichtung, die Verstärkungscharakteri stik und Phasencharakteristik des Berechnungskreises auf der Grundlage des Frequenzsteuerwertes berechnet, den Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik mit dem Ausgangssignal des Berechnungskreises multipliziert und den Kosinus der Phasencharakteristik und den Um kehrwert des Sinus der Phasencharakteristik als Mul tiplikationsfaktoren jeweils für den ersten und zwei ten Verstärkerkreis vorsieht. Folglich ist es mög lich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals ge nau festzustellen, selbst wenn die Signalfrequenz des Objektsystems variiert aufgrund seiner Spannungsquel le variabler Frequenz.

Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich tung zur Erfassung der Amplitude und Phase eines Wechselsignals einen Kompensationssignalgenerator, der die Phase des erfaßten Wechselsignals um die Grö ße der Phasencharakteristik des Verzögerungskreises erster Ordnung voreilen läßt. Folglich kann die dem Verzögerungskreis erster Ordnung zugeordnete Phasen verzögerung eliminiert werden und es wird möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals genau ohne Phasenverzögerung zu bestimmen.

Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich tung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wech selsignals einen Kompensationssignalgenerator, der die Phase des erfaßten Wechselsignals um die Größe der Phasencharakteristik des verwendeten Tiefpaßfil ters voreilen läßt. Dadurch wird die den Tiefpaßfil ter zugeordnete Phasenverzögerung eliminiert und es wird möglich, die Amplitude und Phase eines Wechsel signals genau ohne Phasenverzögerung zu bestimmen.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Amplitude und Phase eines Wechselsi gnals einen Rotationstransformationskreis, der die Rotationtransformation für die Ausgangssignale des ersten und zweiten Verstärkerkreises abhängig von der Phasencharakteristik des Verzögerungskreises erster Ordnung durchführt, wodurch die Phase dieser Aus gangssignale um die Größe der Phasencharakteristik voreilt. Folglich wird die dem Verzögerungskreis er ster Ordnung zugeordnete Phasenverzögerung eliminiert und es wird möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals genau ohne Phasenverzögerung zu be stimmen.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kompensationsvorrichtung, die Verstärkungscha rakteristik des Schaltungsabschnittes von dem Eingang des Verzögerungskreises erster Ordnung bis zum Aus gang des Subtrahierers berechnet und darüber hinaus die Verstärkungscharakteristik und Phasencharakteri stik des Verzögerungskreises erster Ordnung auf der Grundlage der durch die Frequenzberechnungsvorrich tung berechneten Frequenz, den Umkehrwert der Ver stärkungscharakteristik des Schaltungsabschnittes mit dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises erster Ordnung multipliziert, den Umkehrwert der Verstär kungscharakteristik des Verzögerungskreises erster Ordnung mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers mul tipliziert und die Phasencharakteristik des Verzöge rungskreises erster Ordnung dem Rotationstransforma tionskreis liefert. Folglich wird es möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals genau zu be stimmen, selbst wenn die Signalfrequenz des Objektsy stems variiert.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kompensationsvorrichtung, die Verstärkungscha rakteristik des Schaltungsabschnittes von dem Eingang des Verzögerungskreises erster Ordnung bis zum Aus gang des Subtrahierers und die Verzögerungscharakte ristik und Phasencharakteristik des Verzögerungskrei ses erster Ordnung auf der Grundlage des Fre quenzsteuerwertes berechnet, den Umkehrwert der Ver stärkungscharakteristik des Schaltungsabschnittes mit dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises erster Ordnung multipliziert, den Umkehrwert der Verstär kungscharakteristik der Verzögerungskreises erster Ordnung mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers mul tipliziert und die Phasencharakteristik des Verzöge rungskreises erster Ordnung an den Rotationstransfor mationskreis liefert.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Rotationstransformationskreis, der die Rota tionstransformation für die Ausgangssignale des Tief paßfilters und Differenzierkreises abhängig von der Phasencharakteristik des Tiefpaßfilters durchführt und die Phase ihrer Ausgangssignale um die Größe der Phasencharakteristik voreilen läßt. Folglich wird die dem Tiefpaßfilter zugeordnete Phasenverzögerung eli miniert und es wird möglich, die Phase und Amplitude des Wechselsignals genau ohne Phasenverzögerung zu bestimmen.

Weiter umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umwandlungsvorrichtung, die Rotationstransformation für die Ausgangssignale der Wechselsignalerfassungs vorrichtung und des Differenzierkreises auf der Grundlage der Referenzphase für das Wechselsignal durchführt und diese Ausgangssignale in eine Kosinus- Wellenkomponente und eine Sinus-Wellenkomponente des Wechselsignals umwandelt. Folglich werden die Kosi nus- und Sinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals sofort berechnet und es wird möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals ohne Phasenverzögerung zu bestimmen.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umwandlungsvorrichtung, die Rotationstransforma tion für die Ausgangssignale des Verzögerungskreises erster Ordnung und des Voreilungskreises erster Ord nung auf der Grundlage der Referenzphase für das Wechselsignal durchführt und diese Ausgangssignale in eine Kosinus-Wellenkomponente und eine Sinus-Wellen komponente des Wechselsignals umwandelt. Folglich wird die dem Verzögerungskreis erster Ordnung zuge ordnete Phasenverzögerung eliminiert und es wird mög lich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals so fort ohne die Verwendung eines Differenzierkreises zu bestimmen. Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Erzeugungsvorrichtung für eine Pha sendifferenz, die das Ausgangssignal des Verzöge rungskreises erster Ordnung von dem von der Wechsel signalerfassungsvorrichtung erfaßten Wechselsignal subtrahiert und bestimmte Werte mit dem Subtraktions ergebnis und dem Wechselsignal multipliziert, und eine Umwandlungsvorrichtung, die Rotationstransforma tion des Ausgangssignals der Erzeugungsvorrichtung der Phasendifferenz auf der Grundlage der Refer enzphase des Wechselsignals durchführt und das Aus gangssignal in eine Kosinus-Wellenkomponente und eine Sinus-Wellenkomponente des Wechselsignals umwandelt. Folglich wird die dem Verzögerungskreis erster Ord nung zugeordnete Phasenverschiebung eliminiert und es wird möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsi gnals sofort ohne die Verwendung eines Differenzier kreises zu bestimmen.

Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich tung eine Umwandlungsvorrichtung, die Rotationstrans formation für die Ausgangssignale der Wechselsignal erfassungsvorrichtung und des Phasenvoreilungskreises auf der Grundlage der Referenzphase des Wechselsi gnals durchführt und diese Ausgangssignale in eine Kosinus-Wellenkomponente und eine Sinus-Wellenkompo nente des Wechselsignals umwandelt. Folglich wird es möglich, die Amplitude und Phase des Wechselsignals sofort ohne die Verwendung eines Differenzierkreises zu bestimmen.

Weiterhin umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Umwandlungsvorrichtung, die das von der Wechselsi gnalerfassungsvorrichtung erfaßte Wechselsignal mit den Kosinus- und Sinuskomponenten des Wechselsignals mit der Referenzphase multipliziert, die Ergebnisse der Multiplikation für den Verzögerungskreis erster Ordnung vorsieht und die Kosinus- und Sinus-Komponen ten des Wechselsignals auf der Grundlage der Multi plikationsergebnisse subtrahiert, um das Ausgangssi gnal des Verzögerungskreises und auf der Grundlage des Ausgangssignals des Verzögerungskreises erster Ordnung berechnet. Folglich wird die dem Verzöge rungskreis erster Ordnung zugeordnete Phasenverzöge rung eliminiert und es wird möglich, die Amplitude und Phase des Wellensignals sofort ohne die Verwen dung eines Differenzierkreises zu erfassen.

Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, daß sie die Kosinus- und Sinus-Wellen komponenten des Wechselsignals, die von der Umwand lungsvorrichtung geliefert werden, an eine Amplitu den/Phasendifferenz-Erfassungsvorrichtung liefert, nachdem sie durch ein Tiefpaßfilter hindurchgegangen sind. Folglich wird es möglich, daß die Vorrichtung unempfindlich gegen in dem Wechselsignal enthaltene Oberwellen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung der Amplitude und Phase eines Wechselsignals auf der Grundlage eines ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Polarkoodinaten transformation erläutert, und

Fig. 3 bis 22 Blockschaltbilder, die Vorrichtung zur Erfassung der Amplitude und Phase ei nes Wechselsignals nach anderen Aus führungsbeispielen der Erfindung zei gen, und

Fig. 23 ein Blockschaltbild, das die Vorrich tung zur Erfassung der Amplitude und Phase eines Wechselsignals nach dem Stand der Technik zeigt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden genauer in bezug auf die beigefügten Zeichnungen be schrieben.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Anordnung einer Erfassungsvorrich tung der Amplitude und Phase eines Wechselsignals auf der Grundlage eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der die Bauteile, die mit denen der Vorrichtung nach dem Stand der Technik nach Fig. 23 identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen sind und ihre Beschreibung wird nicht wieder holt.

Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Signalaufspal tungsvorrichtung, die das Spannungssignal (Wechsel spannung) v, das von dem Wechselspannungsdetektor 4 (Wechselspannungserfassungsvorrichtung) erfaßt wird, in zwei Spannungssignale a und b aufspaltet, die Fre quenz des Signals v aufweisen und zueinander um 90° außer Phase sind, 14 bezeichnet einen Berechnungs kreis, der eine bestimmte Phasencharakteristik ϕ (und eine Verstärkungscharakteristik ist eine Einheit, d. h. 0 dB) bei einer Frequenz des erfaßten Spannungs signals v und der ein Spannungssignal berechnet, des sen Phase um die Größe der Phasencharakteristik ϕ verschoben ist, 15 ist ein Verstärker (erster Ver stärkerkreis), der das erfaßte Spannungssignal v mit cos ϕ multipliziert, 16 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Berechnungskreises 14 von dem Aus gangssignal des Verstärkers 15 subtrahiert und 17 ist ein Verstärker, der das Ausgangssignal des Subtrahie rers 16 mit dem reziproken Wert von sin ϕ multipli ziert. Der Subtrahierer 16 und der Verstärker 17 bil den in Kombination einen zweiten Verstärkerkreis.

Mit 18 ist ein Amplituden/Phasenerfassungskreis be zeichnet, der die Polarkoordinatentransformation für die aufgespaltenen Signale a und b implementiert, wobei die Amplitude V und die Phase θ des Spannungs signals v detektiert wird, 19 ist ein Multiplizierer, der das Spannungssignal a quadriert, 20 ist ein Mul tiplizierer, der das Spannungssignal b quadriert, 21 ist ein Addierer, der die Ausgangssignale der Multi plizierer 19 und 20 summiert, 22 ist ein Wurzelbe rechnungskreis, der die Quadratwurzel des Ausgangs signals des Addierer 21 berechnet, 23 ist ein Teiler, der das Spannungssignal a durch das Ausgangssignal des Wurzelberechnungskreises 22 teilt, 24 ist ein Berechnungskreis für den invertierten Kosinus, der den invertierten Kosinus (im Bereich von 0 bis 180°) des Ausgangssignals des Teilers 23 berechnet, 25 ist ein Polaritäts-Berechnungskreis, der "1" in Abhängig keit von einem positiven Spannungssignal b oder "-1" für ein negatives Spannungssignal b erzeugt, und 26 ist ein Multiplizierer, der das Ausgangssignal des Polaritätsberechnungskreises 25 mit dem Ausgangssi gnal des Berechnungskreises 24 des invertierten Kosi nus multipliziert, wodurch die Phase ϕ des Spannungs signals v in dem Bereich von -180 bis 180° ausgewer tet wird.

Der Wechselspannungsdetektor 4 erfaßt die Wechsel spannung des Objektsystems 1 und erzeugt ein Span nungssignal v, das proportional zu einer Wechselspan nung in der gleichen Weise wie in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist. Die Signalaufspal tungsvorrichtung 13 spaltet das empfangene Spannungs signal v in zwei Spannungssignale a und b auf, die die Frequenz des Spannungssignals v aufweisen und zueinander um 90° außer Phase sind, wie im folgenden beschrieben wird.

Das als V coc θ ausgedrückte Spannungssignal v wird intakt als Spannungssignal a verwendet und der Be rechnungskreis 14 berechnet ein anderes Spannungssi gnal v, dessen Phase um die Menge der Phasencharak teristik ϕ wie folgt phasenverschoben ist.

Ursprüngliches Spannungssignal v:

v = V cos θ (1)

Berechneter Spannungswert v:

v = V cos (θ + ϕ)
= V (cos θ cos ϕ - sin θ sin ϕ) (2).

Der Verstärker 15 gründet die Operation auf einem Multiplikationsfaktor von cos ϕ, wobei das Spannungs signal v mit cos ϕ wie folgt multipliziert wird.

Ausgangssignal des Verstärkers 15

= V cos θ cos ϕ (3).

Nachdem der Subtrahierer 16 das Ausgangssignal des Berechnungskreises 14 von dem Ausgangssignal des Ver stärkers 15 subtrahiert hat, multipliziert der Ver stärker 17 das Subtraktionsergebnis mit dem Umkehr wert von sin ϕ, um das Spannungssignal b wie folgt zu erzeugen.

Ausgangssignal des Subtrahierers 16

= V sin θ sin ϕ (4)

b = V sin θ sin ϕ/sin ϕ = V sin θ (5).

Somit erzeugt die Signalaufspaltungsvorrichtung 13 die Spannungssignale a = V cos θ und b = V sin θ, die von dem ursprünglichen Spannungssignal v hergeleitet sind und deren Phase zueinander um 90° versetzt ist. Da die Signalaufspaltungsvorrichtung 13 die Span nungssignale a und b auf der Grundlage der Berechnung erzeugt, anstelle einen Verzögerungskreis erster Ord nung und ein Tiefpaßfilter zu verwenden, die in der Vorrichtung nach dem Stand der Technik vorgesehen sind, haben die Spannungssignale a und b keine Pha senverzögerung.

Danach implementiert die Amplituden/Phasenerfassungs vorrichtung 18 die Polarkoordinatentransformation für die resultierenden Spannungssignale a und b, um die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v wie folgt zu erfassen (er wird auch auf Fig. 2 Bezug genommen).

Die Spannungssignale a und b werden durch die jewei ligen Multiplizierer 19 und 20 quadriert und der Ad dierer 21 summiert die Multiplizierausgangssignale wie folgt.

Ausgangssignal des Addierers 21

= V² cos² θ + V² sin² θ (6).

Der Berechnungskreis 22 für die Quadratwurzel berech net die Quadratwurzel des Ausgangssignals des Addie rers 21 und sein Ausgang (Größe der Polarkoordinaten) stellt die Amplitude V des Wechselsignals wie folgt dar.

Ausgangssignal des Berechnungskreises 22 der Quadrat wurzel

= (V² cos² θ + V² sin² θ)^1/2
= {V²(cos² θ + sin² θ)}^1/2
= V (7)

Der Dividierer 23 dividiert das Spannungssignal a durch das Ausgangssignal des Quadratwurzel-Berech nungskreises 22 und der Berechnungskreis 24 des in vertierten Kosinus berechnet cos^-1 des Ausgangssignals des Dividierers 23 wie folgt.

Ausgangssignal des Dividierers 23

= Vcos θ/V
= cos θ (8)

Das Ausgangssignal des Berechnungskreises 24 für den invertierten Kosinus

= θ (9),

wobei 0 < θ 180°.

Schließlich multipliziert der Multiplizierer 26 das Ausgangssignal des Berechnungskreises 24 des inver tierten Kosinus mit dem Ausgangssignal des Polari tätsberechnungskreises 25 (es ist "1" für ein positi ves Spannungssignal b oder "-1" für ein negatives Spannungssignal b) und das Ausgangssignal des Multi plizierers stellt die Phase θ des Wechselsignals im Bereich von -180° bis 180° dar.

Dieses Ausführungsbeispiel kann die zwei Spannungs signale a und b einer 90°-Phasendifferenz durch die Berechnung auswerten und die Amplitude V und Phase θ des Wechselsignals kann ohne Phasenverzögerung detek tiert werden.

Folglich kann die elektrische Vorrichtung in dem Ob jektsystem eine verbesserte Steuerung oder Schutzlei stung auf der Grundlage der detektierten Amplitude und Phase der Wechselspannung aufweisen.

Ausführungsbeispiel 2

Dieses Ausführungsbeispiel, das aus dem Ausführungs beispiel 1 hergeleitet wird, verwendet einen Wechsel stromdetektor, um den Wechselstrom des Objektsystems 1 zur Erzeugung des Wechselsignals zu detektieren, im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 1, bei dem ein Wech selspannungsdetektor 4 verwendet wird, und es wird die gleiche Wirksamkeit wie die des Ausführungsbei spiels 1 erreicht.

Ausführungsbeispiel 3

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 1 hergeleitet wird, verwendet einen Berech nungskreis des inversen Sinus oder inversen Tangens, um die Phase θ zu berechnen im Gegensatz zu Ausfüh rungsbeispiel 1, bei dem ein Berechnungskreis für den inversen Kosinus verwendet wird.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 3 zeigt eine Anordnung der Vorrichtung zur Er fassung der Amplitude und Phase dieses Ausführungs beispiels, bei der der Berechnungskreis 14 des Aus führungsbeispiels 1 aus einem Differentiationskreis 14a besteht, der das Spannungssignal v, das von dem Wechselspannungsdetektor 4 erfaßt wird, differen ziert. Für das Spannungssignal v = V cos θ erzeugt der Differentiationskreis 14a das Ausgangssignal wie folgt.

Ausgangssignal des Differentiationskreises 14a

= -V sin θ (10).

Der Differentiationskreis 14a weist eine Phasencha rakteristik von 90° auf, da sein Ausgang in bezug auf das Spannungssignal v um 90° außer Phase ist und der Verstärker 15 weist einen Multiplikationsfaktor auf, der der Kosinus der Phasencharakteristik des Diffe rentiationskreises 14a ist, d. h. cos 90° = 0, und somit ist seine Verstärkung null. Der Verstärker 17 weist einen Multiplikationsfaktor auf, der den Um kehrwert des Sinus der Phasencharakteristik des Dif ferentiationskreises 14a ist, d. h. 1/sin 90° = 1, und somit ist seine Verstärkung eins.

Der Subtrahierer 16 subtrahiert -V sin θ, das durch den Differentiationskreis 14a von null vorgesehen wird (der Verstärker 15 mit einer Verstärkung von null erzeugt immer ein Ausgangssignal null), wodurch ein Ausgangssignal von V sin θ erzeugt wird und der Verstärker 17 mit einem Verstärkungsfaktor eins er zeugt V sin θ als Spannungssignal b. Somit berechnet dieses Ausführungsbeispiel die Phase ohne Phasenver zögerung wie im Ausführungsbeispiel 1. Der Verstärker 15 mit "0" Verstärkungsfaktor hat keine Wirkung und kann eliminiert werden.

Ausführungsbeispiel 5

Dieses Ausführungsbeispiel, das vom Ausführungsbei spiel 1 hergeleitet wird, verwendet einen Berech nungskreis 14b, der in der Form einer solchen Trans ferfunktion ausgedrückt wird, daß sie einen Nullpunkt auf dem Ursprung der s-Ebene und einen Pol, der in der Größe gleich der Winkelfrequenz des Spannungssi gnals v auf der realen Achse links der Ebene auf weist, wie in Fig. 4 gezeigt wird. In diesem Fall weisen die Verstärker 15 und 17 jeweils Verstärkungs faktoren von 1/2^1/2 und 2^1/2 auf.

Dieses Ausführungsbeispiel benötigt keinen Differen tiationskreis 14a, der im Ausführungsbeispiel 4 ver wendet wird, und ist daher weniger anfällig gegen Störungen oder Rauschen.

Ausführungsbeispiel 6

Dieses Ausführungsbeispiel, das vom Ausführungsbei spiel 1 hergeleitet wird, verwendet einen Berech nungskreis 14c, der in Form einer Transferfunktion einer stabilen Verzögerung erster Ordnung ausgedrückt wird, indem sie einen Pol aufweist, der in Größe gleich der Winkelfrequenz des Spannungssignals v ist, wie in Fig. 5 gezeigt wird. In diesem Fall haben die Verstärker 15 und 17 jeweils Verstärkungsfaktoren von 1/2^1/2 und -2^1/2. Da der Berechnungskreis 14c unter schiedlich zu dem in der Vorrichtung zum Stand der Technik verwandten Verzögerungskreis 8 erster Ordnung ist, führt er die Verzögerungsoperation erster Ord nung auf der Grundlage der Berechnung durch und daher bewirkt er keine Phasenverzögerung.

Dieses Ausführungsbeispiel benötigt keinen Differen tiationskreis 14a, wie in Ausführungsbeispiel 4 und daher ist er unanfälliger gegen Rauschen.

Ausführungsbeispiel 7

Fig. 6 zeigt die Anordnung der Vorrichtung zum Erfas sen einer Amplitude und Phase dieses Ausführungsbei spiels. In der Figur ist mit 30 eine Frequenzberech nungsvorrichtung bezeichnet, die die Frequenz ω₁ des Spannungssignals v auf der Grundlage der Phase θ be rechnet, die von der Vorrichtung 18 zur Erfassung der Amplitude/Phase detektiert wird, 31 ist ein Subtra hierer, der eine berechnete Phase θ₁ (wird später erklärt) von der durch die Vorrichtung 18 zur Erfas sung der Amplitude/Phase erfaßten Phase θ abzieht, 32 ist ein Komparator, der "1" erzeugt, wenn das Aus gangssignal des Subtrahierers 31 größer als 180° ist und sonst eine "0" erzeugt, 33 ist ein Komparator, der "1" erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Subtra hierers 31 kleiner als -180° ist und sonst "0", 34 und 35 sind Verstärker, die die Ausgangssignale der Komparatoren 32 und 33 jeweils um 360 verstärken, 36 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Ver stärkers 34 von dem Ausgangssignal des Verstärkers 35 abzieht, 37 ist ein Addierer, der die Ausgangssignale der Subtrahierer 31 und 36 summiert, 38 ist ein Ver stärker, der die Ausgangssignale des Addierers 37 verstärkt, um ein die Frequenz ω₁ des Spannungssi gnals v angebendes Signal zu erzeugen, und 39 ist ein Begrenzerkreis, der einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert aufweist, die abhängig von der Fre quenzänderung des Spannungssignals v festgelegt sind, wobei der Begrenzerkreis die berechnete Frequenz ω₁ in dem Bereich der Begrenzung eingrenzt.

Mit dem Bezugszeichen 40 ist ein Integrierkreis be zeichnet, der das von dem Begrenzerkreis 39 geliefer te Frequenzsignal ω₁ integriert, 41 ist ein Kosinus- Berechnungskreis, der den Kosinus des Ausgangssignals des Integrationskreises 40 berechnet, 42 ist ein Si nus-Berechnungskreis, der den Sinus des Ausgangssi gnals des Integrierkreises 40 berechnet, 43 ist ein Multiplizierer, der das Ausgangssignal des Kosinus- Berechnungskreises 41 quadriert, 44 ist ein Multipli zierer, der das Ausgangssignal des Sinus-Berechnungs kreises 42 quadriert, 45 ist eine Addierer, der die Ausgangssignale der Multiplizierer 43 und 44 sum miert, 46 ist ein Quadratwurzel-Berechnungskreis, der die Quadratwurzel des Ausgangssignals des Addierers 45 berechnet, 47 ist ein Dividierer, der das Aus gangssignal des Kosinus-Berechnungskreises 41 durch das Ausgangssignal des Quadratwurzel-Berechnungskrei ses 46 dividiert, 48 ist ein Berechnungskreis für den invertierten Kosinus, der den invertierten Kosinus (im Bereich von 0 bis 180°) des Ausgangssignals des Dividierers 47 berechnet, 49 ist ein Polaritätsbe rechnungskreis, der "1" abhängig von einem positiven Ausgangssignal des Sinus-Berechnungskreises 42 oder "-1" für ein negatives Ausgangssignal erzeugt, und 50 ist ein Multiplizierer, der das Ausgangssignal des Berechnungskreises 48 für den invertierten Kosinus mit dem Ausgangssignal des Polaritätsberechnungskrei ses 49 multipliziert, wodurch die Phase ϕ des Span nungssignals v im Bereich von -180 bis 180° ausgewer tet wird.

Mit 51 ist eine Kompensationsvorrichtung bezeichnet, die die Verstärkungscharakteristik und Phasencharak teristik des Berechnungskreisses 14 auf der Grundlage der von der Frequenzberechnungsvorrichtung 30 berech neten Frequenz ω₁ berechnet, das Ausgangssignal des Berechnungskreises 14 mit dem Umkehrwert der Verstär kungscharakteristik multipliziert und den Kosinus der Phasencharakteristik als ein Multiplikationsfaktor für den Verstärker 15 und den Umkehrwert des Sinus der Phasencharakteristik als ein Multiplikationsfak tor für den Verstärker 17 liefert. Mit 52 ist ein Verstärkungscharakteristik-Berechnungskreis bezeich net, der die Verstärkungscharakteristik des Berech nungskreises 14 auf der Grundlage der von dem Begren zerkreis 39 gelieferten Frequenz ω₁ berechnet, 53 ist ein Phasencharakteristik-Berechnungskreis, der die Phasencharakteristik des Berechnungskreises 14 auf der Grundlage der von dem Begrenzerkreis 39 geliefer ten Frequenz ω₁ berechnet, 54 ist ein Umkehr-Berech nungskreis, der den Umkehrwert der Verstärkercharak teristik berechnet, 55 ist ein Multiplizierer, der den Umkehrwert der Verstärkercharakteristik mit dem Ausgangssignal des Berechnungskreises 14 multipli ziert, 56 ist ein Kosinus-Berechnungskreis, der den Kosinus der Phasencharakteristik berechnet und ihn als Multiplikationsfaktor für den Verstärker 15 vor sieht, 57 ist ein Sinus-Berechnungskreis, der den Sinus der Phasencharakteristik berechnet und 58 ist ein Umkehrwert-Berechnungskreis, der den Umkehrwert des Ausgangssignals des Sinus-Berechnungskreises 57 berechnet und ihn als Multiplikationsfaktor für den Verstärker 17 vorsieht.

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 1 hergeleitet ist und bei dem die Frequenz berechnungsvorrichtung 30 und die Kompensationsvor richtung 51 hinzugefügt ist, berechnet die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v sehr genau, selbst wenn die Frequenz des Objektsystems 1 vari iert.

Die Frequenzberechnungsvorrichtung 30 berechnet die Frequenz ω₁ des Spannungssignals v, um so die Über tragungseigenschaften (Verstärkungscharakteristik und Phasencharakteristik) des Berechnungskreises 14 ab hängig von der Frequenzänderung des Objektsystems zu modifizieren, so daß die Übertragungseigenschaften immer mit der Systemfrequenz zusammenpassen, damit die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v genau erfaßt werden können.

Der Subtrahierer 31 subtrahiert die berechnete Phase θ₁ von der detektierten Phase θ, um die Phasendiffe renz θ - θ₁ auszuwerten. Das Phasendifferenzsignal wird dem Addierer 37 und auch den Komparatoren 32 und 33 zugeführt, durch die es mit 180° und -180° vergli chen wird und der Subtrahierer 36 liefert 0, 360 oder -360 an den Addierer 37 abhängig von den Vergleichs ergebnissen. Der Addierer 37 addiert 0, 360 oder -360 zu der Phasendifferenz θ - θ₁, so daß sie wegen der Zweckmäßigkeit der Berechnung auf den Bereich zwi schen -180 und 180 begrenzt ist und folglich wird das geschlossene Schleifensystem der Frequenzberechnungs vorrichtung 30 stabilisiert.

Der Verstärker 38 verstärkt das Ausgangssignal des Addierers 37 und die resultierende Frequenz ω₁ wird durch den Begrenzerkreis 39 zwischen den oberen und unteren Grenzwert limitiert. Die begrenzte Frequenz ω₁ wird als Ausgangssignal der Frequenzberechnungs vorrichtung 30 an die Kompensationsvorrichtung 51 geliefert. Die begrenzte Frequenz ω₁ wird auch dem Integrierkreis 40 zugeführt und der Kosinus-Berech nungskreis 41 und Sinus-Berechnungskreis 42 erzeugen zwei Signale, die zueinander um 90° außer Phase sind, aus dem Integrationsausgangssignal mit der Absicht, die Phase θ₁ vorher für die folgende Berechnung der Frequenz ω₁ des Spannungssignals v auszuwerten.

Der Berechnungskreisabschnitt (Multiplizierer 43 bis 50) in der Frequenzberechnungsvorrichtung 30 zur Be rechnung der Phase θ₁ auf der Grundlage der Ausgangs signale des Kosinus-Berechnungskreises 41 und des Sinus-Berechnungskreises 42 ist ähnlich zu der Ampli tuden/Phasenerfassungsvorrichtung 18 und daher wird seine Beschreibung weggelassen.

Die Verstärkungscharakteristik und Phasencharakteri stik des Berechnungskreises 14, die durch Kreise 52 und 53 auf der Grundlage der von dem Begrenzerkreis 39 gelieferten Frequenz ω₁ berechnet werden, werden für die Fälle der Übertragungsfunktion G(s) = s und G(s) = √2 . s/(s + ω₀) im folgenden gezeigt:
Für G(s) = s:
Verstärkungscharakteristik (Gencharakteristik) = ω
Phasencharakteristik = π/2
Für G(s) = √2 . s/(s + ω₀):
Verstärkungscharakteristik = √2 . ω/(ω² + ω₀ ²)^1/2
Phasencharakteristik = π/2 - tan^-1(ω/ω₀)

Darauf berechnet der Reziprokkreis 54 den Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik und der Multiplizierer 55 multipliziert das Ausgangssignal des Berechnungs kreises 14 mit dem Umkehrwert der Verstärkungscharak teristik. Somit wird die Verstärkungscharakteristik des Berechnungskreises abhängig von der Frequenzände rung des Objektsystems 1 modifiziert.

Der Kosinus-Berechnungskreis 56 und der Sinus-Berech nungskreis 57 berechnen den Kosinus und den Sinus der Phasencharakteristik. Der Multiplikationsfaktor des Verstärkers 15 wird so festgesetzt, daß er der Kosi nus der Phasencharakteristik ist und somit multipli ziert der Verstärker den Kosinus der Phasencharakte ristik mit dem Spannungssignal v. Der Reziprokkreis 58 berechnet den Umkehrwert des Sinus der Phasencha rakteristik und er wird als Multiplikationsfaktor des Verstärkers 17 festgesetzt. Somit multipliziert der Verstärker 17 das Ausgangssignal des Subtrahierers 16 mit dem Umkehrwert des Sinus der Phasencharakteristik und folglich wird die Phasencharakteristik des Be rechnungskreises 14 abhängig von der Frequenzänderung des Objektsystems 1 modifiziert.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, die Ver stärkungscharakteristik und Phasencharakteristik des Berechnungskreises 14 abhängig von der Frequenzände rung des Objektsystems 1 zu kompensieren und die Am plitude V und Phase θ des Spannungssignals v kann genau erfaßt werden, selbst wenn die Systemfrequenz variiert.

Ausführungsbeispiel 8

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 7 hergeleitet wird, umfaßt einen Integrier kreis 59, der parallel zu dem Verstärker 38 geschal tet ist, um das Ausgangssignal des Addierers 37 zu integrieren und einen Addierer 60, der die Ausgangs signale des Verstärkers 38 und des Integrierkreises 59 summiert, um die Frequenz ω₁ des Spannungssignals v auszuwerten, wie in Fig. 7 gezeigt wird, im Gegen satz zum Ausführungsbeispiel 7, wo der Verstärker 38 das Ausgangssignal des Addierers 37 verstärkt, um die Frequenz ω₁ auszuwerten.

Dieses Ausführungsbeispiel kann den Offset-Fehler durch die Verwendung des Integrierkreises 59 vermei den und daher kann es die Frequenz ω₁ des Spannungs signals v genauer auswerten.

Ausführungsbeispiel 9

Dieses Ausführungsbeispiel, das vom Ausführungsbei spiel 8 hergeleitet wird, umfaßt einen Verzögerungs kreis 61 erster Ordnung am Ausgang des Addierers 60, wie in Fig. 8 gezeigt wird, im Gegensatz zum Ausfüh rungsbeispiel 8, bei dem der Addierer direkt mit dem Begrenzerkreis 39 verbunden ist.

Dieses Ausführungsbeispiel ist gegen Rauschen unemp findlich und in der Lage, die Frequenz ω₁ des Span nungssignals v genauer auszuwerten.

Ausführungsbeispiel 10

Dieses Ausführungsbeispiel dient für den Fall eines Objektsystems 1, bei dem ein Kontroller 62 (Regler) die Systemfrequenz abhängig von einem Frequenzregel wert ω^* regelt bzw. steuert und ein Leistungswandler 63 liefert eine Leistung variabler Frequenz an die Last 3. Die Kompensationsvorrichtung 51 kompensiert die Verstärkungscharakteristik und Phasencharakteri stik des Berechnungskreises 14 auf der Grundlage des Frequenzsteuerwertes ω^*, wie in Fig. 9 gezeigt wird, im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 7, bei dem diese Charakteristika des Berechnungskreises 14 auf der Grundlage der ausgewerteten Frequenz ω₁ des Objektsy stems 1 kompensiert werden. Der verbleibende Teil ist identisch zu dem Ausführungsbeispiel 7 und seine Be schreibung wird daher weggelassen.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, die Am plitude V und Phase θ des Spannungssignals v genau zu detektieren, selbst für ein Objektsystem, das von einer Stromversorgungsquelle variabler Frequenz ab hängt.

Ausführungsbeispiel 11

Fig. 10 zeigt die Anordnung einer Erfassungsvorrich tung für die Amplitude und Phase nach der vorliegen den Erfindung. In der Figur ist mit 64 ein Verzöge rungskreis erster Ordnung bezeichnet, der das Span nungssignal v von dem Wechselspannungsdetektor 4 er hält, 65 ist ein Verstärker (erster Verstärkungs kreis), der den Umkehrwert des Verstärkungsfaktors des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung mit dem Ausgangssignal des Kreises 64 multipliziert, 66 ist ein Subtrahierer, der das Spannungssignal v von dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises 64 erster Ord nung subtrahiert, 67 ist ein Verstärker (zweiter Ver stärkungskreis), der den Umkehrwert des Verstärkungs faktors des Schaltungsabschnitts von dem Eingang des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung bis zum Ausgang des Subtrahierers 66 mit dem Ausgang des Subtrahie rers 66 multipliziert, 68 ist ein Kompensationssi gnalgenerator, der ein Kompensationssignal erzeugt, das die Phase θ des von der Amplituden/Phasenerfas sungsvorrichtung 18 erfaßten Spannungssignals v um die Größe der Phasencharakteristik des Verzögerungs kreises 64 erster Ordnung voreilen läßt, und 69 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Kompen sationssignalgenerators 68 von dem Ausgangssignal des Multiplizierers 26 subtrahiert.

Der Verzögerungskreis 64 erster Ordnung verzögert die Phase des Spannungssignals v um die Größe seiner Pha sencharakteristik ϕ.

Der Verzögerungskreis 64 erster Ordnung weist eine Übertragungsfunktion G₁ = 1/(sT + 1) auf, d. h., er hat einen Verstärkungsfaktor von 1/{(ω₀T)² + 1}^1/2, wobei T die Zeitkonstante ist (Gleichspannungsverstärkungs faktor ist eins).

Das von dem Verzögerungskreis 64 erster Ordnung ver zögerte Spannungssignal v wird dem Verstärker 65 zu geführt, der einen auf den Umkehrwert des Verstär kungsfaktors des Kreises 64, d. h. {(ω₀T)²+ 1}^1/2 fest gelegten Multiplikationsfaktor aufweist, wobei der Kreis 64 das Multiplikationsergebnis als Spannungs signal a liefert.

Das von dem Verzögerungskreis 64 erster Ordnung ge lieferte Spannungssignal v wird auch dem Subtrahierer 66 zugeführt, durch den das von dem Spannungsdetektor 4 erfaßte Spannungssignal v von dem verzögerten Span nungssignal v subtrahiert wird. Das Ergebnis der Sub traktion wird dem Verstärker 67 zugeführt, dessen Multiplikationsfaktor auf den Umkehrwert des Verstär kungsfaktors des Schaltungsabschnittes vom Eingang des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung zu dem Aus gang des Subtrahierers 66, d. h. {(ω₀T)² + 1}^1/2/ω₀T fest gesetzt ist, wobei dieser Abschnitt das Multiplika tionsergebnis als Spannungssignal b liefert.

Die Spannungssignale a und b sind so vorgesehen, daß sie zueinander um 90° außer Phase sind, was auf dem Vergleich zwischen der Übertragungsfunktion G₁ des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung und der Über tragungsfunktion G₂ des Schaltungsabschnittes vom Eingang des Kreises 64 bis zum Ausgang des Subtrahie rers 66 wie folgt basiert.

G₁ = 1/(sT + 1) (11)

G₂ = 1-1/(sT + 1)
= -Ts/(sT + 1) (12).

Somit werden für das Spannungssignal v = V cos θ die Spannungssignale a und b wie folgt ausgedrückt.

a = V cos (θ - ϕ) (13)

b = -V sin (θ - ϕ) (14).

Die Amplituden/Phasenerfassungsvorrichtung 18 detek tiert die Amplitude V und die Phase θ des Spannungs signals v auf der Grundlage der Spannungssignale a und b wie in Ausführungsbeispiel 1. Allerdings be nutzt die Signalaufspaltungsvorrichtung 13 den Ver zögerungskreis erster Ordnung mit einer Phasenverzö gerung in der Größe der Phasencharakteristik ϕ, wie in den Formeln (13) und (14) gezeigt wird, und daher kann die Amplitude V und die Phase θ des Spannungs signals v nicht ohne Verzögerung erfaßt werden, d. h., der Verstärker 26 erzeugt eine Ausgangsphase von θ - ϕ.

Dieses Ausführungsbeispiel wurde entworfen, um die oben erwähnte Phasenverzögerung durch Verwendung des Kompensationssignalgenerators 68 zu verschieben, der ein Kompensationssignal -ϕ = -tan^-1ω₀T erzeugt, um das Ausgangssignal des Multiplizierers 26 um die Größe der Phasencharakteristik ϕ des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung voreilen zu lassen, so daß der Subtra hierer 69 -tan^-1ω₀T von dem Ausgangssignal des Multi plizierers 26 subtrahiert. Folglich wird es möglich, die Amplitude V und Phase θ des Spannungssignals v ohne eine Verzögerung zu erfassen.

Ausführungsbeispiel 12

Fig. 11 zeigt die Anordnung einer Erfassungsvorrich tung für die Amplitude und Phase nach der vorliegen den Erfindung. In dieser Figur bezeichnet das Bezugs zeichen 70 ein Tiefpaßfilter, das die in dem Span nungssignal v, das von dem Wechselspannungsdetektor 4 erfaßt wird, eingeschlossenen Oberwellen eliminiert und 71 ist ein Differentiationskreis, der das Aus gangssignal des Tiefpaßfilters 70 differenziert.

Das von dem Spannungsdetektor 4 erfaßte Spannungssi gnal v wird dem Tiefpaßfilter 70 zugeführt, durch die die in ihm enthaltenen Oberwellen eliminiert werden. Das Spannungssignal v ohne Oberwellen wird als Span nungssignal a der Amplituden/Phasenerfassungsvorrich tung 18 zugeführt und auch an den Differenzierkreis 71 geliefert. Der Differenzierkreis 71 differenziert das Spannungssignal v, um das Spannungssignal b zu erzeugen, das an die Amplituden/Phasenerfassungsvor richtung 18 geliefert wird.

Da das Spannungssignal b das Ergebnis der Differen tiation des Spannungssignals a ist, sind diese Signa le um 90° zueinander außer Phase. Somit können die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v auf der Grundlage der Spannungssignale a und b, wie in Ausführungsbeispiel 1 detektiert werden. In diesem Fall ist die Phase jedoch um die Größe der Phasencha rakteristik des Tiefpaßfilters 70 verzögert, wie es der Fall ist bei dem Verzögerungskreis 64 erster Ord nung nach Ausführungsbeispiel 11, und der Kompensa tionssignalgenerator 68 erzeugt ein Kompensationssi gnal -ϕ = -tan^-1ω₀T, um die Phase um die Größe der Phasencharakteristik ϕ voreilen zu lassen, um die Phasenverzögerung zu verschieben.

Folglich wird es möglich, die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v ohne Phasenverzögerung zu detektieren.

Ausführungsbeispiel 13

Fig. 12 zeigt die Anordnung der Erfassungsvorrichtung für die Amplitude und Phase nach der vorliegenden Erfindung. In der Figur sind mit 72 und 73 Verstär ker bezeichnet, deren Verstärkungsfaktor auf cos ϕ, d. h. dem Kosinus der Phasencharakteristik ϕ (Phasen differenz) des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung gesetzt sind, 74 und 75 sind Verstärker, deren Ver stärkungsfaktor auf sin ϕ, d. h. den Sinus der Phasen charakteristik ϕ (Phasendifferenz) des Kreises 64 festgesetzt sind, 76 ist ein Addierer, der die Aus gangssignale der Verstärker 72 und 75 summiert, und 77 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Verstärkers 73 von dem Ausgangssignal des Verstärkers 74 abzieht.

Die Verstärker 72 bis 75, der Addierer 76 und der Subtrahierer 77 bilden in Kombination einen Rota tionstransformationskreis, der die Rotationstransfor mation der Ausgangssignale der Verstärker 65 und 67 auf der Grundlage der Phasencharakteristik ϕ des Ver zögerungskreises 64 erster Ordnung implementiert, so daß ihre Ausgangsphase um die Größe der Phasencharak teristik ϕ voreilt.

Die Ausgangssignale der Verstärker 65 und 67 sind von der Phase des Spannungssignals v um die Größe der Phasencharakteristik ϕ des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung verzögert, wie in Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel 11 beschrieben wurde. Dieses Aus führungsbeispiel dient dazu, das Phasenverzögerungs problem durch die Verwendung des Rotationstransforma tionskreises zu lösen, wie genauer im folgenden be schrieben wird.

Für das Spannungssignal v = Vcos θ erzeugen die Ver stärker 65 und 66 Ausgangssignale, die von der Pha sencharakteristik θ des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung wie folgt abhängen.

Ausgangssignal des Verstärkers 65 = Vcos (θ - ϕ) (15)

Ausgangssignal des Verstärkers 67 = -Vsin (θ - ϕ) (16)

Der Addierer 76 summiert die Ausgangssignale der Ver stärker 72 und 75 auch, um ein Ausgangssignal wie folgt zu erzeugen.

Ausgangssignal des Verstärkers 76

= Vcos (θ - ϕ) cos ϕ - Vsin (θ - ϕ) sin ϕ
= V cos θ (17).

Der Subtrahierer 77 subtrahiert das Ausgangssignal des Verstärkers 73 von dem Ausgangssignal des Ver stärkers 74, um ein Ausgangssignal wie folgt zu er zeugen.

Ausgangssignal des Subtrahierers 77

= Vcos (θ - ϕ) sin ϕ + Vsin (θ - ϕ) cos ϕ
= V sin θ (18).

Der Vergleich der Formeln (15) und (16) mit den For meln (17) und (18) offenbart, daß die Ausgangssignale der Verstärker 65 und 67 um die Größe der Phasencha rakteristik ϕ des Verzögerungskreises 64 erster Ord nung durch die Operation des Rotationstransforma tionskreises voreilen. Folglich wird die durch den Verzögerungskreis 64 erster Ordnung erzeugte Phasen verzögerung eliminiert und es wird möglich, die Am plitude V und die Phase θ des Spannungssignals v ohne Verzögerung zu erfassen.

Beispiel 14

Fig. 13 zeigt die Anordnung der Erfassungsvorrichtung für die Amplitude und die Phase nach der vorliegenden Erfindung. In der Figur ist mit 78 ein Verstärkungs charakteristik-Berechnungskreis bezeichnet, der die Verstärkungscharakteristik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung auf der Grundlage der von der Fre quenzberechnungsvorrichtung 30 berechneten Frequenz ω₁berechnet, 79 ist ein Verstärkungscharakteristik- Berechnungskreis, der die Verstärkungscharakteristik des Schaltungsabschnittes von dem Eingang des Verzö gerungskreises 64 erster Ordnung bis zu dem Ausgang des Subtrahierers auf der Grundlage der berechneten Frequenz ω₁ berechnet, und 80 ist ein Phasencharak teristik-Berechnungskreis, der die Phasencharakteri stik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung auf der Grundlage der berechneten Frequenz ω₁ berechnet.

Mit den Bezugszeichen 81 und 83 sind Berechnungskrei se für den Umkehrwert bezeichnet, die den Umkehrwert der von den Kreisen 78 und 79 berechneten Verstär kungscharakteristik berechnen, 82 ist ein Multipli zierer, der das Ausgangssignal des Reziprokkreises 81 mit dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung multipliziert, 84 ist ein Multiplizie rer, der das Ausgangssignal des Reziprokkreises 83 mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers 66 multipli ziert, 85 ist ein Kosinus-Berechnungskreis, der der Kosinus der berechneten Phasencharakteristik berech net und das Ergebnis als Multiplikationsfaktor für die Verstärker 72 und 73 vorsieht, und 86 ist ein Sinus-Berechnungskreis, der den Sinus der berechneten Phasencharakteristik berechnet und das Ergebnis als ein Multiplikationsfaktor für die Verstärker 74 und 75 vorsieht.

Dieses Ausführungsbeispiel dient zur Berechnung der Frequenz ω₁ des Objektsystems 1 unter Verwendung der Frequenzberechnungsvorrichtung 30 und kompensiert die Verstärkungscharakteristik und die Phasencharakteri stik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung abhän gig von der Frequenzänderung des Objektsystems 1, wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels 7.

Insbesonders berechnen die Verstärkungscharakteri stik-Berechnungskreise 78 und 79 die Verstärkungscha rakteristiken in der gleichen Weise wie Ausführungs beispiel 7, die Umkehrkreise 81 und 83 berechnen den Umkehrwert der Verstärkungscharakteristika und die Multiplizierer 82 und 84 multiplizieren die Ausgangs signale der Umkehrkreise 81 und 83 mit den Ausgangs signalen des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung und des Verstärkers 66, wobei die Verstärkungscharak teristik kompensiert wird. Folglich wird die Verstär kungscharakteristik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung abhängig von der Frequenzänderung des Objekt systems modifiziert.

Der Phasencharakteristik-Berechnungskreis 80 berech net die Phasencharakteristik in der gleichen Weise wie Ausführungsbeispiel 7, der Kosinus-Berechnungs kreis 85 berechnet den Kosinus der Phasencharakteri stik, um den Multiplikationsfaktor für die Verstärker 72 und 73 festzulegen, und der Sinus-Berechnungskreis 86 berechnet den Sinus der Phasencharakteristik, um den Multiplikationsfaktor für die Verstärker 74 und 75 festzulegen, wodurch die Phasencharakteristik kom pensiert wird. Folglich wird die Phasencharakteristik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung abhängig von der Frequenzänderung des Objektsystems 1 modifi ziert.

Ausführungsbeispiel 15

Dieses Ausführungsbeispiel gilt für den Fall eines Objektsystems 1, bei dem ein Kontroller 62 die Sy stemfrequenz abhängig von einem Frequenzsteuer- bzw. Regelwert ω^* steuert und ein Leistungswandler 63 lie fert eine Leistung bzw. Spannung variabler Frequenz an die Last. Die Kompensationsvorrichtung 51 kompen siert die Verstärkungscharakteristik und Phasencha rakteristik des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung auf der Grundlage des Frequenzsteuerwertes ω^*, wie in Fig. 14 gezeigt wird, im Gegensatz zu Ausführungsbei spiel 14, bei dem diese Charakteristika des Verzöge rungskreises 64 erster Ordnung auf der Grundlage der ausgewerteten Frequenz ω₁ des Objektsystems 1 kompen siert wurden. Der verbleibende Teil ist identisch zum Ausführungsbeispiel 14 und daher wird seine Erläute rung weggelassen.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, die Am plitude V und die Phase θ des Spannungssignals v ge nau zu detektieren, selbst für ein Objektsystem, das von einer Leistungsquelle variabler Frequenz abhängt.

Ausführungsbeispiel 16

Dieses Ausführungsbeispiel ist derart entworfen, daß der Rotationstransformationskreis die Rotationstrans formation für die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters 70 und des Differenzierkreises 71 auf der Grundlage der Phasencharakteristik ϕ des Tiefpaßfilters 70 im plementiert, im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 13, bei dem der Rotationstransformationskreis die Rota tionstransformation für die Ausgangssignale der Ver stärker 65 und 67 auf der Grundlage der Phasencharak teristik ϕ des Verzögerungskreises 64 erster Ordnung implementiert, und es wird die gleiche Wirksamkeit wie die des Ausführungsbeispiels 13 erreicht.

Ausführungsbeispiel 17

Fig. 16 zeigt die Anordnung der Detektionsvorrichtung der Amplitude und Phase nach diesem Ausführungsbei spiel. In der Figur ist mit 90 ein Differenzierkreis (Differenziervorrichtung) bezeichnet, die das Span nungssignal v differenziert, das von dem Wechselspan nungsdetektor 4 erfaßt wird, 91 ist ein Berechnungs kreis für eine trigonometrische Funktion, der den Kosinus und den Sinus der Referenzphase θ₂ des Span nungssignals v berechnet, 92 ist ein Produktsummenbe rechner (Umwandlungsvorrichtung), der die Rotations transformation für die Ausgangssignale des Wechsel spannungsdetektors 4 und des Differenzierkreises 90 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Berechners für die trigonometrische Funktion 91 implementiert, wobei die Ausgangssignale des Spannungsdetektors 4 und des Differenzierkreises 90 in eine Sinus- und eine Kosinus-Wellenkomponente des Spannungssignals v umgewandelt werden, 93 ist ein Multiplizierer, der die Kosinus-Wellenkomponente mit dem Spannungssignal v multipliziert, 94 ist ein Multiplizierer, der das Spannungssignal v mit der Sinus-Wellenkomponente mul tipliziert, 95 ist ein Multiplizierer, der das Span nungssignal v₂ mit der Kosinus-Wellenkomponente mul tipliziert, 96 ist ein Multiplizierer, der das Span nungssignal v₂ mit der Sinus-Wellenkomponente multi pliziert, 97 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangs signal des Multiplizierers 96 von dem Ausgangssignal des Multiplizierers 93 subtrahiert, und 98 ist ein Addierer, der die Ausgangssignale der Multiplizierer 94 und 95 summiert und ein invertiertes Ausgangssi gnal erzeugt.

Mit 99 ist eine Erfassungsvorrichtung für eine Ampli tuden/Phasendifferenz, die die Polarkoordinatentrans formation für die Kosinus-Wellenkomponente a und die Sinus-Wellenkomponente b des Spannungssignals v im plementiert, die von dem Berechner 92 geliefert wer den, wodurch die Amplitude V des Spannungssignals v erfaßt wird, und die weiterhin die Erfassung der Pha sendifferenz θ - θ₂ zwischen der Phase θ des Span nungssignals v und der Referenzphase θ₂ realisiert, und 100 ist ein Amplitudendetektor in dem Amplitu den/Phasendifferenzerfassungskreis 99, der aus den Multiplizierern 19 und 20, dem Addierer 21 und dem Quadratwurzelberechnungskreis 22 besteht (siehe Fig. 1).

Mit 101 ist ein Phasendifferenzdetektor in der Ampli tuden/Phasendifferenz-Erfassungsvorrichtung 99 be zeichnet, der aus einem Dividierer 23, einem Berech nungskreis 24 für den invertierten Kosinus, einem Polaritätsberechnungskreis 25 und einem Multiplizie rer 26 besteht (siehe Fig. 1), und 102 ist ein Addie rer (Addiervorrichtung), der die Referenzphase θ₂ zu der Phasendifferenz θ - θ₂ addiert, die durch den Phasendifferenzdetektor 101 erfaßt wird.

Der Wechselspannungsdetektor 4 erfaßt das Spannungs signal v und der Differenzierkreis 90 differenziert das Signal v, um eine Spannungssignal v₂ zu erzeugen, das zu dem Signal v um 90° außer Phase ist. Genauer wird für das Spannungssignal v = V cos θ ein Span nungssignal v₂ = -sin θ erzeugt. Der Berechner 91 für die trigonometrische Funktion berechnet den Kosinus θ₂ und Sinus θ₂ für die Referenzphase θ₂ des Span nungssignals v. Die Referenzphase θ₂ ist die Phase der Nennfrequenz des Objektsystems 1 (im allgemeinen 50 oder 60 Hz) und daher ist sie spezifisch für das System.

Der Produktsummenberechner 92 realisiert die Rota tionstransformation für die Spannungssignale v und v₂ auf der Grundlage von cos θ₂ und sin θ₂, um die Span nungssignale v und v₂ in die Kosinus-Wellenkomponente a und die Sinus-Wellenkomponente b des Spannungssi gnals v umzuwandeln. In diesem Fall verzögert der Berechner 92 die Phasen der Signale v und v₂ um die Größe der Referenzphase θ₂ über die Rotationstrans formation, damit die Erfassungsvorrichtung 99 der Amplituden/Phasendifferenz der folgenden Stufe die Phasendifferenz θ - θ₂ zwischen der Phase θ des Span nungssignals v und der Referenzphase θ₂ erfassen kann.

Die Rotationstransformation durch den Berechner 92 wird durch die folgenden Formeln ausgedrückt.

Ausgangssignal a des Subtrahierers 97

= V cos θ cos θ₂ + V sin θ sin θ₂
= V cos (θ - θ₂) (19).

Ausgangssignal b des Addierers 98

= V cos (θ - ϕ) sin ϕ + V sin (θ - ϕ) cos ϕ
= V sin (θ - θ₂) (20).

Die Erfassungsvorrichtung 99 für die Amplituden/Pha sendifferenz implementiert die Polarkoordinatentrans formation für die Spannungssignale a und b, die von dem Berechner 92 geliefert werden, wodurch die Ampli tude V des Spannungssignals v und die Phasendifferenz θ - θ₂ erfaßt wird (für eine detaillierte Beschrei bung der Operation, siehe Ausführungsbeispiel 1). Der Addierer 102 addiert die Referenzphase θ₂ zu der Dif ferenz θ - θ₂, die durch den Phasendifferenzdetektor 101 erzeugt wird, wodurch die Phase θ des Spannungs signals v berechnet wird.

Folglich ist dieses Ausführungsbeispiel in der Lage die Amplitude V und Phase θ des Spannungssignals v ohne Phasenverzögerung zu erfassen.

Ausführungsbeispiel 18

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 17 hergeleitet wird, bei dem der Produktsum menberechner 92 die Rotationstransformation für die Ausgangssignale des Wechselspannungsdetektors 4 und Differenzierkreises 90 implementiert, verwendet ein Filter (Verzögerungskreis erster Ordnung) 103, das das Spannungssignal v von dem Detektor 4 empfängt und ein in der Phase voreilendes Filter (voreilender Kreis erster Ordnung) 104, der ein Spannungssignal erzeugt, das der Phase des Ausgangssignals des Fil ters 103 um 90° voreilt, wie in Fig. 17 gezeigt wird, anstelle des Differenzierkreises 90 des Ausführungs beispiels 17. Der Produktsummenberechner 92 implemen tiert die Rotationstransformation für die Ausgangs signale der Filter 103 und 104 und die gleiche Wirk samkeit wie die des Ausführungsbeispiels 7 wird er reicht.

Das Phasenverzögerungsfilter 103 und das in der Phase voreilende Filter 104 weisen Übertragungsfunktionen G₁(s) und G₂(s) wie folgt auf.

G₁(s) = Ka/(sT + 1) (21),

wobei Ka = {1 + (ω₀T)²}^1/2

G₂(s) = KbsT/(sT + 1) (22),

wobei Kb = {1 + (ω₀T)²}^1/2/ω₀T.

Da G₁(s)(G₂(s) gleich sT ist, weisen die Ausgangssi gnale des Phasenverzögerungsfilters 103 und des in der Phase voreilenden Filters 104 eine Phasendiffe renz von 90° auf. Somit wird es durch Eingeben der Ausgangssignale der Filter 103 und 104 an den Pro duktsummenberechner 92 möglich, die Amplitude V und Phase θ des Spannungssignals v ohne Phasenverzögerung zu erfassen, wie in dem des Ausführungsbeispiels 17.

Dieses Ausführungsbeispiel benötigt keinen Differen zierkreis und daher ist es gegen Rauschen anfällig.

Ausführungsbeispiel 19

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 17 hergeleitet wird, bei dem der Produktsum menberechner 92 die Rotationstransformation für die Ausgangssignale des Wechselspannungsdetektors 4 und den Differenzierkreis 90 implementiert, verwendet ein Phasenverzögerungsfilter 103, das das Spannungssignal v von dem Spannungsdetektor 4 erhält, und eine Erzeu gungsvorrichtung 105 für die Phasendifferenz, die das Ausgangssignal des Filters 103 von dem erfaßten Span nungssignal v subtrahiert und das Subtraktionsergeb nis und Spannungssignal v mit den vorgeschriebenen Werten Ka und Kb multipliziert, wie in Fig. 18 ge zeigt wird, anstelle des Differenzierkreises 90 des Ausführungsbeispiels 17. Die Erzeugungsvorrichtung 105 für die Phasendifferenz besteht aus einem Multi plizierer 106 mit einem Multiplikationsfaktor von Ka und einem anderen Multiplizierer 107 mit einem Multi plikationsfaktor von Kb.

Der Produktsummenberechner 92 implementiert die Ro tationstransformation für das Ausgangssignal des Er zeugungskreises 105 für die Phasendifferenz und es wird die gleiche Wirksamkeit wie die des Ausführungs beispiels 17 erzielt. Der Grund für die Erzielung der gleichen Wirksamkeit wie im Ausführungsbeispiel 17 wird durch diese Anordnung dadurch erreicht, daß die Formel (22), die die Übertragungsfunktion G₂(s) des in der Phase voreilenden Kreises 104 wie folgt ausge drückt werden kann.

G₂(s) = Kb sT/(sT + 1)
= 1 - 1/(sT + 1) (23),

wobei Kb = {1 + (ω₀T)²}^1/2/ω₀T.

Ausführungsbeispiel 20

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 17 hergeleitet wird, bei dem der Produktsum menberechner 92 die Rotationstransformation für die Ausgangssignale des Wechselspannungsdetektors 4 und Differenzierkreises 90 implementiert, verwendet einen in der Phase voreilenden Kreis 108, der das Span nungssignal v von dem Spannungsdetektor 4 empfängt und ein Spannungssignal erzeugt, das dem Signal v um 90° voreilt, wie in Fig. 19 gezeigt wird, anstelle des Differenzierkreises 90 des Ausführungsbeispiels 17. Der in der Phase voreilende Kreis 108 besteht aus dem Berechnungskreis 14, dem Verstärker 15, dem Sub trahierer 16, dem Verstärker 17, die in dem Signal aufspaltungskreis 13 des Ausführungsbeispiels 1 ver wendet werden (siehe Fig. 1).

Fig. 20 zeigt ein anderes, vom Ausführungsbeispiel 20 hergeleitetes Ausführungsbeispiel, bei dem mit 109 und 110 Verstärker bezeichnet sind, die zum Multipli zieren des Multiplikationsfaktors cos ϕ/sin ϕ verwen det werden, 111 und 112 sind Verstärker, die zum Mul tiplizieren eines Wertes mit dem Multiplikationsfak tor |G(jω₀)| sin ϕ verwendet werden, und 113 und 114 sind Addierer bzw. Subtrahierer.

Ausführungsbeispiel 21

Fig. 21 zeigt die Anordnung des Erfassungsgerätes der Amplitude und Phase auf der Grundlage dieses Ausfüh rungsbeispiels. In der Figur ist mit 115 ein Umwand lungskreis bezeichnet, der das von dem Spannungsde tektor 4 erfaßte Spannungssignal v mit dem Kosinus und Sinus der Referenzphase θ₂ multipliziert, die Multiplikationsergebnisse den Tiefpaßfiltern 118 und 119 zuführt, die gefilterten Ausgangssignale von den jeweiligen Multiplikationsergebnissen subtrahiert und die Kosinus-Wellenkomponente a und Sinus-Wellenkom ponente b des Spannungssignals v auf der Grundlage der Subtraktionsergebnisse und der Filterausgangssi gnale berechnet.

Mit 116 ist ein Multiplizierer bezeichnet, der den Kosinus der Referenzphase θ₂ mit dem erfaßten Span nungssignal v multipliziert, 117 ist ein Multiplizie rer, der den Sinus der Referenzphase θ₂ mit dem Si gnal v multipliziert, 118 und 119 sind Tiefpaßfilter (Verzögerungskreise erster Ordnung), die jeweils eine Übertragungsfunktion von 1/sT aufweisen, 120 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Tiefpaßfil ters 118 von dem Ausgangssignal des Multiplizierers 116 subtrahiert, 121 ist ein Subtrahierer, der das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 119 von dem Aus gangssignal des Multiplizierers 117 abzieht, 122 und 123 sind Verstärker, die die Ausgangssignale der je weiligen Tiefpaßfilter 118 und 119 verdoppeln, 124 und 125 sind Verstärker, die die Ausgangssignale der jeweiligen Multiplizierer 120 und 121 mit 1/ωT multi plizieren, 126 ist ein Subtrahierer, der das Aus gangssignal des Verstärkers 125 von dem Ausgangssi gnal des Verstärkers 122 abzieht, und 127 ist ein Addierer, der die Ausgangssignale des Verstärkers 123 und 124 summiert und ein invertiertes Ausgangssignal erzeugt.

Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich den Ausfüh rungsbeispielen 18 bis 20 darin, daß es das Span nungssignal v in Signale a und b mit einer 90° Pha sendifferenz ohne die Verwendung eines Differenzier kreises aufspaltet und die Phasendifferenz zwischen der Phase θ des Signals v und der Referenzphase θ₂ auf der Grundlage der Signale a und b feststellt. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vor hergehenden Ausführungsbeispielen nur in der Opera tion des Aufspaltens des Spannungssignals v in die Signale a und b, was durch die Umwandlungsvorrichtung 115 realisiert wird.

Die Umwandlungsvorrichtung weist eine folgende Funk tion auf:

Wenn v ersetzt wird durch V cos θ und die Formel (24) umgestellt wird, wird folgendes erhalten:

Die Formel (25) zeigt, daß das Spannungssignal in zwei Spannungssignale a und b umgewandelt werden kann, die zueinander um 90° außer Phase sind, wobei die Berechnung durch die Umwandlungsvorrichtung 115 vorgenommen wird. Somit kann die Amplitude V und die Phase θ des Spannungssignals v auf der Grundlage der Signale a und b wie in den Ausführungsbeispielen 17 bis 20 festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel 22

Dieses Ausführungsbeispiel, das von dem Ausführungs beispiel 17 hergeleitet wird, bei dem die Erfassungs vorrichtung 99 für die Amplituden/Phasendifferenz die Polarkoordinatentransformation für die Spannungssi gnale a und b implementiert, die durch den Produkt summenberechner 92 geliefert werden, verwendet Tief paßfilter 118 und 119, die die Spannungssignale a und b empfangen, wobei ihre Ausgangssignale des Polarko ordinatentransformation zugeführt werden.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, in den Signalen a und b eingeschlossene Oberwellen ohne die Notwendigkeit einer Phasenverzögerung zu eliminieren, da die Signale a und b, die durch den Produktsummen berechner 92 erzeugt werden, Gleichstromsignale sind.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung zum Er fassen des Wechselsignals des Objektsystems und einer Signalaufspaltungsvorrichtung (13) zum Auf spalten des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) in zwei Wechselsignale, die um 90° zueinander außer Pha se sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufspaltungsvorrichtung (13) einen Berechnungskreis (14) umfaßt, der ein Wechselsignal berechnet, das um den Betrag der Phasencharakteristik des Berechnungs kreises (14) bei der Frequenz des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) phasenverschoben ist, einem ersten Verstärkerkreis (15), der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) mit dem Kosinus der Phasencharak teristik multipliziert, und einem zweiten Ver stärkerkreis (17), der die Differenz der Aus gangssignale des ersten Verstärkerkreises (15) und des Berechnungskreises (14) mit dem Umkehr wert des Sinus der Phasencharakteristik multi pliziert und daß die Vorrichtung zum Erfassen der Phase und Am plitude eines Wechselsignals weiterhin beinhaltet eine Amplituden-Phasenerfassungs vorrichtung (18) zum Bestimmen der Amplitude und Phase des erfaßten Wechselsignals durch Reali sieren der Polarkoordinatentransformation für die Ausgangssignale der Wechselsignalerfassungsvor richtung (4) und des zweiten Verstärkers (17).

2. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Berechnungskreis (14) das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) differenziert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Frequenzberechnungsvor richtung (30) zum Berechnen der Frequenz des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) auf der Grundlage der durch die Amplituden- und Phasenbestimmungsvor richtung (18) bestimmten Phase und eine Kompen sationsvorrichtung (51) vorgesehen sind, die die Verstärkungscharakteristik und Phasencharakteri stik des Berechnungskreises (14) auf der Grund lage der berechneten Frequenz berechnet, das Ausgangssignal des Berechnungskreises (14) mit dem Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik multipliziert und den Kosinus der Phasencharak teristik und den Umkehrwert des Sinus der Pha sencharakteristik als Multiplikationsfaktoren jeweils für den ersten und zweiten Verstärker kreis (15, 17) vorsieht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kompensationsvorrichtung (51), die die Verstärkungscharakteristik und Phasencharak teristik des Berechnungskreises (14) auf der Grundlage eines Frequenzsteuersignals berechnet, das vorgegeben ist, um die Signalfrequenz des Objektsystems (1) zu steuern, das Ausgangssignal des Berechnungskreises (14) mit dem Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik multipliziert und den Kosinus der Phasencharakteristik und den Umkehrwert des Sinus der Phasencharakteristik jeweils als Multiplikationsfaktoren für den er sten und zweiten Verstärkerkreis (15, 17) vor sieht.

5. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1) und einer Signalaufspal tungsvorrichtung (13) zum Aufspalten des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) in zwei Wechselsignale, die zueinander um 90° außer Phase sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufspaltungsvorrichtung (13) einen Verzö gerungskreis (64) erster Ordnung, der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) empfängt, einen ersten Verstär kerkreis (65), der das Ausgangssignal des Verzöge rungskreises (64) erster Ordnung mit dem Umkehr wert des Verstärkungsfaktors des Verzögerungs kreises (64) erster Ordnung multipliziert, einen Subtrahierer, der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfas sungsvorrichtung (4) von dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung subtrahiert und einen zweiten Verstärkerkreis (67) umfaßt, der das Ausgangs signal des Subtrahierers (66) mit dem Umkehrwert des Verstärkungsfaktors des Schaltungsabschnit tes von dem Eingang des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung bis zum Ausgang des Subtrahierers (66) multipliziert, und daß die Vorrichtung zum Erfassen der Phase und Am plitude eines Wechselsignals weiterhin eine Amplitu den-Phasenerfassungsvorrichtung (18) zum Bestimmen der Amplitude und Phase des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) durch Reali sieren der Polarkoordinatentransformation für die Ausgangssignale des ersten Verstärkungskreises (65) und des zweiten Verstärkungskreises (67) beinhaltet, wobei die Amplituden-Phasenerfassungsvorrichtung (18) weiterhin eine Kompensationsvorrichtung (68) umfaßt, welche die Phase um den Betrag der Phasen charakteristik des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung vorauseilen läßt.

6. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1) und einer Signalaufspal tungsvorrichtung (13) zum Aufspalten des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) in zwei Wechselsignale, die um 90° zueinander außer Phase sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufspaltungsvorrichtung (13) einen Tief paßfilter (70) zum Eliminieren der in dem erfaß ten Wechselsignal enthaltenen Oberwellen und einen Differenzierkreis (71) umfaßt, der das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters (70) differen ziert, daß die Vorrichtung zum Erfassen der Phase und Am plitude eines Wechselsignals weiterhin eine Amplitu den-Phasenerfassungsvorrichtung (18) zum Bestimmen der Amplitude und Phase des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) durch Reali sieren der Polarkoordinatentransformation für die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters (70) und des Dif ferenzierkreises (71) beinhaltet, wobei die Amplitu den-Phasenerfassungsvorrichtung (18) weiterhin eine Kompensationsvorrichtung (68) umfaßt, welche die Phase um den Betrag der Phasencharakteristik des Tiefpaßfilters (70) vorauseilen läßt.

7. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1) und einer Signalaufspal tungsvorrichtung (13) zum Aufspalten des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) in zwei Wechselsignale, die zu einander um 90° außer Phase sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Si gnalaufspaltungsvorrichtung (13) einen Verzöge rungskreis (64) erster Ordnung, der das erfaßte Wechselsignal empfängt, einen ersten Verstärker kreis (65), der das Ausgangssignal des Verzöge rungskreises (64) erster Ordnung mit dem Umkehr wert des Verstärkungsfaktors des Verzögerungs kreises (64) erster Ordnung multipliziert, einen Subtrahierer (66), der das erfaßte Wechselsignal von dem Ausgangssignal des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung subtrahiert und einen zwei ten Verstärkerkreis (67) umfaßt, der das Aus gangssignal des Subtrahierers (66) mit dem Um kehrwert des Verstärkungsfaktors des Schaltungs abschnittes von dem Eingang des Verzögerungs kreises (64) erster Ordnung bis zu dem Ausgangs signal des Subtrahierers (66) multipliziert und weiterhin einen Rotationstransformationskreis (72 bis 77) aufweist, der die Phase der Aus gangssignale des ersten und zweiten Verstärker kreises (65, 67) um den Betrag der Phasencharak teristik des Verzögerungskreises (64) voreilen läßt, und daß die Vorrichtung zum Erfassen der Phase und Am plitude eines Wechselsignals weiterhin eine Amplitu den-Phasenerfassungsvorrichtung (18) zum Bestimmen der Amplitude und Phase des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) durch Reali sieren der Polarkoordinatentransformation für die Ausgangssignale des Rotationstransformationskreises (72 bis 77) beinhaltet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter gekennzeich net durch eine Frequenzberechnungsvorrichtung zum Berechnen der Frequenz des erfaßten Wechsel signals auf der Grundlage der durch die Amplitu den- und Phasenbestimmungsvorrichtung (18) be stimmten Phase und eine Kompensationsvorrichtung (51), die die Verstärkungscharakteristik des Schaltungsabschnittes von dem Eingang des Ver zögerungskreises (64) erster Ordnung bis zu dem Ausgangs des Subtrahierers und die Verstärkungs charakteristik und Phasencharakteristik des Ver zögerungskreises (64) erster Ordnung aufgrund der berechneten Frequenz berechnet, das Aus gangssignal des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung mit dem Umkehrwert der Verstärkungscha rakteristik des Schaltungsabschnittes multipli ziert, das Ausgangssignal des Subtrahierers (66) mit dem Umkehrwert der Verstärkungscharakteri stik des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung multipliziert und die Phasencharakteristik des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung für den Rotationstransformationskreis (72 bis 77) vor sieht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter gekennzeich net durch eine Kompensationsvorrichtung (51), die die Verstärkungscharakteristik des Schal tungsabschnittes von dem Eingang des Verzöge rungskreises (64) erster Ordnung bis zu dem Aus gang des Subtrahierers (66) und die Verstär kungscharakteristik und Phasencharakteristik des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung auf der Grundlage eines Frequenzsteuerwertes berechnet, der vorgegeben ist, um die Signalfrequenz des Objektsystems (1) zu steuern, das Ausgangssignal des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung mit dem Umkehrwert der Verzögerungscharakteristik des Schaltungsabschnittes multipliziert, das Ausgangssignal des Subtrahierers (66) mit dem Umkehrwert der Verstärkungscharakteristik des Verzögerungskreises (64) erster Ordnung multi pliziert und die Phasencharakteristik des Ver zögerungskreises (64) erster Ordnung für den Rotationstransformationskreis (72 bis 77) vor sieht.

10. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1) und einer Signalaufspal tungsvorrichtung (13) zum Aufspalten des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) in zwei Wechselsignale, die zueinander um 90° außer Phase sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufspaltungsvorrichtung (13) ein Tiefpaß filter (70) zum Eliminieren der in dem erfaßten Wechselsignal enthaltenen Oberwellen, einen Dif ferenzierkreis (71), der das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters (70) differenziert und einen Ro tationstransformationskreis (72 bis 77) umfaßt, der die Phase der Ausgangssignale des Tiefpaß filters (70) und des Differenzierkreises (71) um den Betrag der Phasencharakteristik des Tiefpaßfilters (70) durch Imple mentieren der Rotationstransformation für die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters (70) und des Differenzierkreises (71) voreilen läßt, und daß die Vorrichtung zum Erfassen der Phase und Am plitude eines Wechselsignals weiterhin eine Amplitu den-Phasenerfassungsvorrichtung (18) zum Bestimmen der Amplitude und Phase des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) durch Reali sieren der Polarkoordinatentransformation für die Ausgangssignale des Rotationstransformationskreises (72 bis 77) beinhaltet.

11. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1), gekennzeichnet durch eine Differenziervor richtung (90) zum Differenzieren des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4), eine Umwandlungsvorrichtung (92) zum Umwandeln der Ausgangssignale der Signalerfas sungsvorrichtung (4) und der Differenziervor richtung (90) in Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals über die Rotations transformation auf der Grundlage einer Referenzphase des Wechselsignals, eine Amplitu den- und Phasendifferenzbestimmungsvorrichtung (99), die die Polarkoordinatentransformation für die umgewandelten Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals realisiert, wodurch die Amplitude des Wechselsignals bestimmt wird und die die Phasendifferenz zwischen der Phase des Wechselsignals und der Referenzphase be stimmt, und eine Addiervorrichtung (102) zum Ad dieren der Referenzphase zu der bestimmten Pha sendifferenz.

12. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1), gekennzeichnet durch einen Verzögerungs kreis (103) erster Ordnung, der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) empfängt, einen Voreilungskreis (104) erster Ordnung, der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) empfängt und ein Wechselsignal erzeugt, das der Phase des Ausgangssignals des Verzögerungs kreises (103) erster Ordnung um 90° voreilt, einer Umwandlungsvorrichtung (92) zum Umwandeln der Ausgangssignale des Verzögerungskreises (103) erster Ordnung und des Voreilungskreises (104) erster Ordnung in Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals über die Rotationstransformation auf der Grundlage einer Referenzphase des Wechselsignals, eine Amplituden- und Phasendifferenzbestimmungsvor richtung (99), die die Polarkoordinatentransfor mation für die umgewandelten Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals durchführt, wodurch die Amplitude des Wechselsignals be stimmt wird und weiterhin die Phasendifferenz zwischen der Phase des Wechselsignals und der Referenzphase bestimmt wird, und eine Addiervorrich tung (102) zum Addieren der Referenzphase zu der bestimmten Phasendifferenz.

13. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals eines Objektsystems mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1), gekennzeichnet durch einen Verzögerungs kreis (103) erster Ordnung, der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) empfängt, eine Vorrichtung zum Erzeugen der Phasendifferenz (105), die das Aus gangssignal des Verzögerungskreises (103) erster Ordnung von dem Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) subtra hiert und das Subtraktionsergebnis und das Wech selsignal mit vorgegebenen Werten multipliziert, eine Umwandlungsvorrichtung (92) zum Umwandeln der Ausgangssignale der Vorrichtung zum Erzeugen der Phasendifferenz (105) in Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals über die Rotationstransformation auf der Grundlage einer Referenzphase des Wechselsignals, eine Amplituden- und Phasendifferenzbestimmungsvor richtung (99), die die Polarkoordinatentransfor mation für die umgewandelten Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals durchführt, wodurch die Amplitude des Wechselsignals be stimmt wird und die die Phasendifferenz zwischen der Phase des Wechselsignals und der Refer enzphase bestimmt, und eine Addiervorrichtung (102) zum Addieren der Referenzphase zu der be stimmten Phasendifferenz.

14. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1), gekennzeichnet durch einen Phasenvorei lungskreis (108), der das Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) empfängt und ein Wechselsignal erzeugt, welches der Phase des Ausgangssignals der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) um 90° vor eilt, eine Umwandlungsvorrichtung (92) zum Um wandeln der Ausgangssignale der Wechselsignal erfassungsvorrichtung (4) und des Phasenvorei lungskreises (108) in Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals über die Rotationstransformation auf der Grundlage einer Referenzphase des Wechselsignals, eine Amplituden- und Phasendifferenzbestimmungsvor richtung (99), die die Polarkoordinatentransfor mation für die umgewandelten Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals durchführt, wobei die Amplitude des Wechselsignals bestimmt wird und die die Phasendifferenz zwischen der Phase des Wechselsignals und der Referenzphase feststellt, und eine Addiervorrichtung (102) zum Addieren der Referenzphase zu der bestimmten Phasendifferenz.

15. Vorrichtung zum Erfassen der Amplitude und Phase eines Wechselsignals in einem Objektsystem mit einer Wechselsignalerfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen des Wechselsignals des Objektsystems (1), gekennzeichnet durch eine Umwandlungsvor richtung (115), die den Kosinus und den Sinus einer Referenzphase des Wechselsignals mit dem Ausgangssignal der Wechselsignalerfassungsvorrich tung (4) multipliziert, die Multi plikationsergebnisse Verzögerungskreisen (118, 119) erster Ordnung zuführt und die Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals auf der Grundlage der Multiplikationsergebnisse, jeweils subtrahiert, die Ausgangssignale der Verzögerungskreise (118, 119) erster Ordnung be rechnet, eine Amplituden- und Phasendifferenzbe stimmungsvorrichtung (99), die die Polarkoordi natentransformation für die berechneten Amplituden der Sinus- und Kosinus-Wellenkomponenten des Wechselsignals realisiert, wodurch die Amplitude des Wechselsi gnals bestimmt wird und die die Phasendifferenz zwischen der Phase des Wechselsignals und der Referenzphase feststellt, und eine Addiervor richtung zum Addieren der Referenzphase zu der bestimmten Phasendifferenz.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, weiterhin gekennzeichnet durch ein Tiefpaßfilter zum Eliminieren der in der Kosinus- und Sinus- Wellenkomponente des Wechselsignals enthaltenen Oberwellen, wobei die Kosinus- und Sinus-Wellen komponenten des Wechselsignals, die durch die Umwandlungsvorrichtung erzeugt werden, über das Tiefpaßfilter geleitet werden, bevor sie der Amplituden- und Phasendifferenzerfassungsvor richtung (99) zugeführt werden.