DE2822484A1

DE2822484A1 - Einrichtung zur elektrischen leistungsmessung

Info

Publication number: DE2822484A1
Application number: DE19782822484
Authority: DE
Inventors: Kenneth J Cook; Robert C Murray
Original assignee: Valeron Corp
Current assignee: Valenite LLC
Priority date: 1977-05-23
Filing date: 1978-05-23
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1604199A; JPS53145682A; US4096436A; JPS627981B2; FR2392390B1; DE2822484B2; FR2392390A1; DE2822484C3; CA1096942A

Description

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PATENTANWALT

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Oak Park, Michigan 48237 τ κι. ε χ β 22019 ε spat

23.Mai 1978

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Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung und bezieht sich insbesondere auf ein Überwachungsgerät, dessen Anzeigevorrichtung elektrisch gegenüber Hochspannung auf einer überwachten Leitung und dem gemessenen Strom isoliert ist.

Wirkleistung ist eine Größe, die auch in Pferdestärken ausgedrückt werden kann. Da es sich um eine elektrische Größe handelt, kann sie elektronisch berechnet und in Pferdestärken umgesetzt werden. Zur Berechnung der von einer elektrischen Einrichtung verbrauchten Wirkleistung kann ein Wattmeter den durch die Einrichtung fließenden Strom mit dem an der Einrichtung auftretenden Spannungsabfall multiplizieren. Die Multiplikation muß zu jedem Zeitpunkt ausgeführt werden, wenn Wechselspannungen und Wechselströme ausgewertet werden. Die Umsetzung der von einer elektrischen Einrichtung verbrauchten Wirkleistung in Pferdestärke-Einheiten ist eine einfache mathematische Multiplikation, die durch Zählen oder Verstärken erreicht wird.

Pferdestärken- und Wattmeter werden allgemein zur Bestimmung der in elektrischen Lasten verbrauchten Leistung eingesetzt, beispielsweise bei großen Elektromotoren, Maschinen, Werkzeugmaschinen und ähnlichen Geräten. Die Überwachung des Leistungsbedarfs solcher Geräte ist zur Geschwindigkeitssteuerung, zur Aufzeichnung von Betriebsgrößen, zur Maximierung des Wirkungsgrades, zur laufenden Wartung und zu ähnlichen Zwecken nützlich. In der Vergangenheit wurden als Wattmeter Galvanometer verwendet, bei denen die magnetische Wechselwirkung zwischen einem bewegten Elektromagneten am Instrumentenzeiger und stationären Elektromagneten ausgewertet wird. Die Multiplikation von Strom und Spannung zur Bestimmung der Leistung erfolgt durch mechanische Durchführung dieser

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beiden Spulen durch das elektromagnetische Feld der Jeweils anderen Spule. Diese Art der Messung hat einige größere Nachteile. Zunächst kann keine perfekte Kopplung zwischen den Elektromagnetfeldern erreicht werden, wodurch Ungenauigkeiten in die Messung eingeführt werden. Außerdem eignen sich Instrumente dieser Art nicht gut für elektronische Einrichtungen, beispielsweise für Prozeßsteuergeräte oder Aufzeichnungsgeräte, da das Instrument notwendigerweise einen relativ starken Strom führen muß.

Ein zweites und moderneres Meßgerät arbeitet unter Ausnutzung des Hall-Effekts innerhalb einer integrierten Schaltung, die durch die gleichen Elektromagnete umgeben ist, wie es bei dem Galvanometergerät der Fall ist. Diese Instrumentenart kann in Verbindung mit elektronischen Einrichtungen verwendet werden, hat aber einen weiteren Nachteil gemeinsam mit dem Galvanometergerät. Jedes Wattmeter muß nämlich den Stromfluß auswerten, den das zu überwachende Gerät führt. Im Falle des nach dem Hall-Effekt arbeitenden Geräts oder des Galvanometergeräts muß dieser Strom durch stark dimensionierte Wicklungen (Elektromagnete) innerhalb des Instruments fließen. Wenn der Stromfluß zu stark für diese Wicklungen ist, so muß ein externer Stromwandler vorgesehen sein, der zu größeren Kosten, größeren Anzeigefehlern und zur Einschränkung nur für Wechselstrommessungen führt. Ferner ist der Einsatz von Wattmetern deshalb gefährlich, weil extrem hohe Spannungen und Ströme an freiliegenden Instrumentenanschlüssen auftreten und eine Handhabung des Instruments während des Betriebs beispielsweise zur Umschaltung des Meßbereichs u.a. deshalb sehr gefährlich sein kann. Ein weiterer Nachteil besteht in der physikalischen Größe der Wattmeter. Diese ist notwendigerweise durch die starken Stromspulen innerhalb des

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Instrumentengehäuses sowie durch den Raumbedarf im Hinblick auf die Instrumentenbewegung selbst gegeben. Schließlich sind einige Wattmeter nicht universell für Wechselstrom und Gleichstrom einsetzbar, ohne daß eine besondere Einstellung und/oder Veränderung nötig ist.

Die Erfindung vermeidet die vorstehend aufgezeigten Nachteile bekannter Geräte, insbesondere der nach dem Hall-Effekt arbeitenden Geräte und der Galvanometergeräte, durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen dieser Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Einrichtung nach der Erfindung werden Spannung und Strom nicht durch umfangreiche Wicklungen innerhalb des Instruments selbst gemessen. Die Einrichtung enthält außerdem eine elektrische Isolierung zwischen dem Anzeigeteil und den in vielen Einsatzfällen extrem hohen zu messenden Spannungen. Dadurch wird nicht nur die Sicherheit für die Bedienungsperson erhöht, sondern auch die Überwachung der von einem Gerät verbrauchten elektrischen Leistung an einer von dem Gerät entfernten Stelle, beispielsweise auf einer zentralen Steuertafel ermöglicht. Ein Widerstand hoher Leistung ist mit der zu messenden Last in Reihe geschaltet. Beim Betrieb ist der Spannungsabfall an diesem Widerstand proportional dem durch die Last fließenden Strom. Die Einrichtung wertet nun den Spannungsabfall an der Last über einen Spannungsteiler aus, dessen Ausgangssignal elektronisch mit dem Stromsignal des genannten Reihenwiderstands multipliziert wird. Diese elektronische Multiplikation vermeidet jegliche Wechselwirkung von Spulen und die damit verbundenen Ungenauigkeiten. Die Isolation des Ausgangssignals wird durch eine Entkopplungsvorrichtung erreicht, die den Ausgangsstromkreis mit der Hochspannungsseite der Einrichtung magne-

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tisch koppelt und gleichzeitig die elektrische Isolation bewirkt. Nach der Entkopplungsstufe wird das Ausgangssignal gefiltert und in nutzbarer Form angezeigt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus dem möglichen kompakten Aufbau und den relativ niedrigen Kosten integrierter Schaltungen, verglichen mit großen, induktiven Galvanometergeräten und den in ihnen enthaltenen Stromspulen. Dies ermöglicht den Aufbau eines extrem kompakten Wattmetermoduls, der mit der elektrischen Last direkt verbunden sein kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in dem extrem schnellen Ansprechen der Multiplikationsstufe. Die üblichen Drehspulgeräte erfordern eine relativ lange Zeit zur Einstellung und Stabilisierung der Anzeige. Die elektronische Berechnung des Produkts aus Strom und Spannung erfolgt hiergegen praktisch augenblicklich. Die schnelle Ansprechzeit ist besonders wichtig bei der Anwendung in Regelsystemen.

Bei einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht ein weiterer Vorteil in der universellen Einsatzmöglichkeit, der Einrichtung für Gleichstrom, Einphasen-Wechselstrom und Mehrphasen-Wechselstrom. Dies ist durch in der Einrichtung vorhandene synchrone Modulator- und Demodulatorschaltungen möglich. Zusätzlich zu dieser Vielseitigkeit ermöglicht die synchrone Modulation und Demodulation einen optimalen Wirkungsgrad der Multiplikationsund Entkopplungsstufen sowie eine Verringerung ihrer Größe.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Einrichtung, das sich für Dreiphasen-Ströme eignet, sind zwei der vorstehend beschriebenen Wattmetermodule vorgesehen und

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elektrisch mit der Last verbunden, so daß sie unabhängig voneinander den Leitungsstrom und die Spannung an zwei Zweigen der Dreiphasen-Last messen. Die Ausgangssignale der beiden Wattmetermodule werden summiert und einer Filter- und Anzeigevorrichtung zugeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig.1a ein Blockdiagramm einer weiteren Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für einen Wattmetermodul,

Fig.3a ein der Multiplizierschaltung zugeführtes Spannungssignal,

Fig.3b ein der Multiplizierschaltung zugeführtes moduliertes Stromsignal,

Fig.3c ein weiteres, der Multiplizierschaltung zugeführtes moduliertes Stromsignal,

Fig.3d das modulierte Produkt- oder Leistungssignal der Multiplizierschaltung,

Fig.3e das demodulierte Ausgangssignal des Wattmetermoduls,

Fig. 4 die Schaltung des Summierverstärkers und eines Tiefpaßfilters am Ausgang der Einrichtung und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens einer Einrichtung nach der Erfindung gegenüber bisherigen Geräten.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Einrichtung 10 nach der Erfindung dargestellt. Diese Einrichtung umfaßt einen Wattmetermodul 12, eine Stromversorgung 14 und einen digitalen Anzeigemodul 15. Die Einrichtung 10 ist so geschaltet, daß sie die in einer elektrischen Last 16 verbrauchte Lei-

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stung berechnet und anzeigt. Die elektrische Speisespannung wird der Last 16 über Leistungen 18 zugeführt. Im dargestellten Beispiel ist die Last 16 ein Einphasen-Wechselstrommotor. Die auszuwertende Leistung kann jedoch auch in jeder anderen elektrischen Last verbraucht werden. Ein Widerstand 20 des Typs MSA-XXX der Firma Ram Meter, Inc. ist mit der Last 16 in Reihe geschaltet. Der Widerstand 20 ist ein Hochstrom-Präzisionswiderstand, der den durch den Motor 16 oder eine andere Last fließenden Strom führt. Obwohl er einen etwas größeren Widerstandswert als die bisher üblichen hierzu verwendeten Widerstände hat, ist er in bekannter Weise ausgebildet, und zwar abhängig von vorgegebenen Konstruktionsgrößen. An dem Widerstand 20 fällt eine Spannung ab, die dem Stromfluß durch die Last 16 proportional ist. Ein Verstärker 22 erhöht diese Spannung auf einen in einer nachgeordneten Multiplizierschaltung 24 nutzbaren Wert. Eine synchrone Modulatorstufe 26 ist zwischen dem Verstärker 22 und der Multiplizierschaltung 24 vorgesehen und dient zur Polaritätsumkehr des verstärkten Signals am Ausgang des Verstärkers 22 mit einer Frequenz, die durch eine Oszillatorstufe 28 bestimmt ist. Eine Modulationsfrequenz von ca. 22 kHz dient zur Erzielung eines maximalen Betriebswirkungsgrades und zur Vermeidung von Fehlersignalen, die bei typischen handelsüblichen Multiplizierschaltungen auftreten können. Die synchrone Modulation ist auch im Hinblick auf die Verwendung eines Entkopplungstransformators 30 bei Gleichstromlasten erforderlich. Es sei bemerkt, daß die synchrone Modulation dann nicht erforderlich ist, wenn eine Wechselstromlast vorgesehen ist. Sie ist in der Einrichtung 10 jedoch vorgesehen, um den universellen Einsatz für Wechselstrom- und Gleichstrommessungen zu ermöglichen, um den Wirkungsgrad bei Wechselstrombetrieb zu optimieren und den Einsatz relativ kleiner, kompakter Entkopplungstransformatoren zu ermöglichen. Der synchrone Modulator 26

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wird durch einen Oszillator 28 über einen Entkopplungstransformator 32 und eine leitungsseitige Stromversorgung 34 gesteuert. Unter "Modulation" und "Demodulation" sollen im folgenden alle bekannten synchron und asynchron arbeitenden Prinzipien verstanden werden. Die Anwendung einer synchronen Modulation und Demodulation im hier dargestellten Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine von mehreren Möglichkeiten dar. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die Modulation nicht unbedingt nach elektrischem, sondern auch nach optischem oder mechanischem Prinzip durchgeführt werden kann. Die Entkopplungstransformatoren 32 und 30 sind zur Erzielung eines relativ sicheren Ausgangssignals am Wattmetermodul 12 erforderlich. Unter "relativ sicher" ist ein Spannungspegel zu verstehen, der dem Erdpotential relativ nahe kommt.

Der Spannungsabfall an der Last 16 wird mit einem Spannungsteiler aus Widerständen 34 und 36 ausgewertet, der der Last 16 parallelgeschaltet ist. Der Abgriff des Spannungsteilers ist elektrisch mit der Multiplizierschaltung 24 über eine Schutzschaltung 38 verbunden, die die auszuwertende Spannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt, auch wenn eine fehlerhafte Spannungsspitze oder -eine Hochspannungsstörung innerhalb der an der Last 16 abfallenden Spannung auftritt. Der Spannungsteiler liefert ein Spannungssignal innerhalb der Eingangsgrenzen der Multiplizierschaltung, das proportional der an der Last 16 zu überwachenden Spannung ist.

Die Multiplizierschaltung 24 führt eine elektronische Multiplikation ihrer beiden Eingangssignale durch, die eine Funktion des Stroms durch die Last 16 und der an der Last 16 abfallenden Spannung sind. Unter einer elektronischen Multiplikation ist hier eine Multiplikationsfunktion zu verstehen, die exklusiv mit Halbleiterelementen durchge-

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führt wird, im Gegensatz zu den bisher üblichen elektromechanischen Verfahren. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 24 ist somit ein Signal, das dem Produkt der beiden Eingangssignale oder der in der Last 16 verbrauchten elektrischen Leistung proportional ist. Wegen der extrem hohen Stromwerte und Spannungen bei elektrischen Schwergeräten ergibt sich am Ausgang der Multiplizierschaltung ein Signal, das zur direkten Zuführung an eine Auswertevorrichtung ungeeignet ist. Deshalb ist der Entkopplungstransformator 30 vorgesehen, der eine Sperre gegenüber der Hochspannung an der Last 16 darstellt und gleichzeitig das Signal magnetisch auf die Niederspannungsseite des Wattmetermoduls koppelt.

Die Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 30 ist elektrisch mit einem synchronen Demodulator 40 verbunden, der ähnlich wie der synchrone Modulator 26 durch den Oszillator 28 gesteuert wird. Nach der Demodulation wird das Signal V_Q einer Ausgangsschaltung 15 zugeführt, die eine digitale Anzeige und wahlweise ein analoges Ausgangssignal liefert.

Das Synchronisationssignal für die Modulation und die Demodulation sowie die Leistung zum Betrieb der gegenüber der Hochspannungsseite isolierten Schaltung wird über den Leistungs-Entkopplungstransformator 32 zugeführt. In der Ausgangsschaltung 15 ist ein Summierverstärker 42 vorgesehen, der erforderlichenfalls den Einsatz zweier Wattmetermodule 12 in diesem System ermöglicht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der zweite Eingang des Summierverstärkers 42 nicht genutzt, da nur eine Einphasen-Last mit der Einrichtung 10 zu überwachen ist. Der Summierverstärker 42 setzt ferner Watt in Pferdestärken um, was Ie- lidglich eine elektrische Zählfunktion auf der Basis des

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Zusammenhangs zwischen beiden Einheiten darstellt (1 PS =· 746 Watt). Durch entsprechende Bewertung kann die Einrichtung 10 auch Kilowatt oder Prozent des vollen Meßbereichs anzeigen. Die Ausgangsschaltung 15 enthält ferner ein Tiefpaßfilter 44 zur Stabilisierung des angezeigten Wertes, wenn die Einrichtung 10 in einer Schaltung verwendet wird, die stetige 60 Hz-Schwankungen aufweist. Das Filter 44 unterdrückt Flackererscheinungen in der Anzeige und ermöglicht ein schnelles Ansprechen auf Änderungen der angezeigten Leistung. Sine Digitalanzeige 46 ist lediglich ein Volt-Meter das eine Ablesung beispielsweise in Pferdestärkeneinheiten ermöglicht. Ein analoges Ausgangssignal wird zusätzlich über einen Ausgangsverstärker 48 abgegeben.

In Fig. 1a ist eine andere Ausführungsform der Erfindung in Form einer Überwachungseinrichtung 50 dargestellt. Eine Quelle 52 speist eine induktive Dreiphasen-Last 54. Zwei Wattmetermodule 56 und 56' sowie Meßwiderstände 57 und 57' sind elektrisch mit zwei der drei Zweige der Last 54 wie bereits beschrieben verbunden, um den Strom in den Zweigen A und B der Last 54 auszuwerten. Das den beiden Modulen 56 und 56' zugeführte Spannungssignal wird an dem dritten Zweig C der Last 54 abgenommen. Die Ausgangssignale V und V_Q' der beiden Module werden den Eingängen eines Summierverstärkers 58 zugeführt. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 58 wird über ein Filter 60 einer Anzeige 62 und einem Verstärker 64 zugeführt, wie es bereits für die Einheiten 42, 44, 46 und 48 (Fig. 1) beschrieben wurde. Bei der Anordnung nach Fig. 1a ist das Ausgangssignal des Summierverstärkers 58 eine Funktion der gesamten in der Last 54 verbrauchten Leistung.

In Fig. 2 ist die Schaltung eines Wattmetermoduls darge stellt. Die Erdsymbole auf der linken Seite einer imaginä-

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ren Linie durch die Entkopplungstransformatoren 100 und 102 bezeichnen Erd- bzw. Massepotential. Die auf der rechten Seite der Entkopplungstransformatoren 100 und 102 gezeigten Massepotentialpunkte entsprechen nicht genau dem Erdpotential, sondern stellen ein "erdfreies Massepotential¹¹ dar, das sich hinsichtlich seines absoluten Potentialwertes ändert, da es auf einer relativ hohen Speiseleitungsspannung für die Last beruht. Zwei Serienwiderstände 104 und 106 sind der Last 108 parallelgeschaltet. Sie bilden einen Spannungsteiler, und ihre Werte sind abhängig vom jeweiligen Einsatzfall so gewählt, daß die Spannung am Abgriff zwischen beiden Widerständen 104 und 106 im Bereich von +10 Volt liegt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist elektrisch mit dem Anschluß XIII der Multiplizierschaltung 110 über einen Widerstand 112 von 100 kOhm verbunden. Der Anschluß XIII ist ferner mit dem erdfreien Massepotential über einen Kondensator 114 von 68 pF verbunden. Der Kondensator 114 und der Widerstand 112 bilden ein Tiefpaßfilter, das hochfrequente Störsignale, Spannungsspitzen und kurzzeitige Änderungen aus dem Eingangssignal filtert. Der Widerstand 112 dient auch als Strombegrenzer im Falle einer Eingangsspannungsüberhöhung.

Der Anschluß XIII der Multiplizierschaltung 110 ist ferner elektrisch mit einer Gleichstromversorgung von +15 Volt bzw. - 15 Volt über in Sperrichtung gepolte Dioden 116 und 118 verbunden. Diese dienen als überspannungsschutz und bilden einen Stromweg geringen Widerstandes für den Fall eines Stromflusses i_n Durchlaßrichtung. Während des Normalbetriebs liegt die Spannung am Anschluß XIII der Multiplizierschaltung 110 innerhalb des Bereichs von +10 Volt. Der Anschluß XII der Multiplizierschaltung 110 ist direkt mit dem erdfreien Massepotential verbunden, gleiches gilt für den Anschluß X. Der Anschluß III der Multiplizierschaltung 110 ist elektrisch mit dem - 15 Volt-Anschluß der Stromversorgung verbunden, während der Anschluß XIV elektrisch

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mit dem +15 Volt-Anschluß der Stromversorgung verbunden ist. Die Dioden 116 und 118 sind vom Typ 1N914A der Firma General Electric . Die Multiplizierschaltung 110 ist vom Typ AD532 der Firma Analog Devices. Es sei jedoch bemerkt, daß auch äquivalente Schaltungen verwendet werden können. In der folgenden Beschreibung entsprechen die mit römischen Zahlen bezeichneten Anschlüsse den entsprechenden Bezeichnungen an den vorstehend genannten Typen. Die Betriebseigenschaften der Multiplizierschaltung 110 entsprechen der folgenden Beziehung, wobei die Anschlußnummern verwendet sind:

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Ein Hochstromwiderstand 120 ist mit der zu überwachenden Last 108 in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt ist elektrisch mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 120, der proportional dem Strom durch die Last 108 ist, liegt an dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 126. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 126 ist durch das Verhältnis der Widerstandswerte eines Eingangswiderstandes 122 zu einem Rückkopplungswiderstand 124 des Verstärkers 126 bestimmt. Beide Widerstände liegen am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 126, der vom Typ LM308A der Firma National Semi-Conductor ist. Der nicht invertierende Eingang III des Verstärkers 126 ist mit dem erdfreien Massepotential über einen Widerstand 128 von 1 kOhm verbunden, der somit ein Bezugspotential liefert. Die Anschlüsse I und VIII des Verstärkers 126 sind durch einen Kondensator 130 von 330 pF überbrückt, der eine Frequenzkompensation für den Verstärker 126 bewirkt. Der Ausgangsanschluß VI des Verstärkers 126 ist elektrisch mit den Anschlüssen IX und VII der Multi-

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plizierschaltung 110 über einen Reihenwiderstand 132 bzw. 134 von 5,6 kOhra verbunden. Die Widerstände 132 und 134 dienen zur Strombegrenzung. Wird als Last 108 beispielsweise ein Einphasen-Wechseltrommotor für 60 Hz überwacht, so ist das Eingangssignal am Anschluß XIII des Verstärkers 110 ein Sinussignal von 60 Hz, wie es in Fig. 3 bei A dargestellt ist. Die Amplitude dieses Signals wird durch die Spannungsteilerwiderstände 104 und 106 bestimmt und hat einen Spitzenwert von ca. + 10 Volt. Der Anschluß XII der Multiplizierschaltung 110 ist mit dem erdfreien Massepotential verbunden, so daß er den Signalwert Null führt.

Ein 22 kHz-Oszillator, der im einzelnen noch beschrieben wird, erzeugt ein Rechtecksignal, das abwechselnd zwei Feldeffekttransistoren 136 und 138 leitend bzw. nicht leitend steuert. Der Source-Anschluß beider Feldeffekttransistoren 136 und 138 ist elektrisch mit dem Massepotential verbunden. Die Drain-Anschlüsse sind elektrisch mit den Anschlüssen IX und VII der Multiplizierschaltung 110 verbunden. Ist der Feldeffekttransistor 136 leitend, so ist der Anschluß IX mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Ist der Feldeffekttransistor 138 leitend, so ist der Anschluß VII elektrisch mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Die Feldeffekttransistoren 136 und 138 sind abwechselnd gesperrt, und die Eingangssignale für die Anschlüsse IX und VII haben den in Fig. 3 bei B und C gezeigten Verlauf. Das rechteckförmige Ausgangssignal des 22 kHz-Oszillators moduliert das 60 Hz-Ausgangssignal des Verstärkers 126. Unter Berücksichtigung der charakteristischen Gleichung der Multiplizierschaltung 110 ist ihr Ausgangssignal am Anschluß II das Produkt des Eingangssignals am Anschluß XIII (Signalverlauf A) und abwechselnd des Eingangssignals am Anschluß IX (Signalverlauf B) und am An-

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Schluß VII (Signalverlauf C) der Multiplizierschaltung 110. Obwohl die Multiplizierschaltung 110 am Anschluß VII ein positives Eingangssignal erhält, wird dieses intern als Negativwert ausgewertet.

Das Produktsignal der Multiplizierschaltung 110 ist in Fig. 3 bei D dargestellt. Der Signalverlauf D hat einen Spitzenwert von 10 Volt, was für den vollen Meßbereich gilt. Das Produktsignal wird einem Anschluß der Primärwicklung des Entkopplungstransformators 102 über einen Strombegrenzungswiderstand 140 von 56 0hm zugeführt. Der andere Anschluß der Primärwicklung ist elektrisch mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Der Anschluß I der Multiplizierschaltung 110 ist mit dem Anschluß II verbunden.

Die Entkopplungstransformatoren 100 und 102 sind zwar mit extrem großer Primär-Sekundär-ÜberSchlagsspannung konstruiert, jedoch in üblicher Weise aufgebaut. Das Übersetzungsverhältnis des Entkopplungstransformators 102 beträgt ca. 10 : 1. Jeder Anschluß der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 102 ist elektrisch mit der Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors 142 bzw. verbunden. Diese beiden Transistoren sind mit den Feldeffekttransistoren 136 und 138 gleichartig und vom Typ 2N5638 der Firma Motorola. Die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren 142 und 144 sind mit Erdpotential 146 verbunden. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 142 und 144 sind ferner separat über Dioden 148 und mit Erdpotential verbunden. Die Dioden 148 und 150 sind vom Typ 1N914A der Firma General Electric. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators dient zur Beschaltung mit einer externen Ausgangsschaltung über ein Tiefpaßfilter, das aus einem Kondensator 152 von 0,2 mF und einem variablen Reihenwiderstand

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Λ?

von 5 kOhm besteht. Das Filter dient zur Ausfilterung hochfrequenter Störsignale, die durch eine Fehlanpassung innerhalb des Systems hervorgerufen sein können. Der Widerstand 154 ermöglicht ferner eine Verstärkungseinstellung.

Ein Oszillator umfaßt drei Inverter 156, 158 und 160, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Diese sind Teile einer digitalen, aus sechs Abschnitten bestehenden Einheit des Typs MC14584 der Firma Motorola. Dieser Inverter bildet mit seinen passiven Komponenten einen Schmitt-Trigger. Der Oszillator erhält seine Leistung aus einer Stromversorgung 162 von +15 Volt, die über einen Filterkondensator von 10 mF mit Erde verbunden ist. Die Stromversorgung 162 hat eine Spannung von +15 Volt gegenüber Erde und speist nur die Schaltung links von den Entkopplungstransformatoren 100 und 102, im Gegensatz zu der Stromversorgung von +15 Volt mit erdfreiem Massepotential, die die Schaltung rechts von den Entkopplungstransformatoren 100 und 102 speist. Die Stromversorgung 162 ist elektrisch mit dem Anschluß XIV des Inverters 156 und intern mit den Invertern 158 und 160 verbunden. Der Anschluß VII des Inverters 156 ist intern mit den Invertern 158 und 160 und mit Erdpotential verbunden. Der Ausgangsanschluß II des Inverters 156 ist elektrisch mit dem Eingangsanschluß XIII des Inverters 158 verbunden. Der Ausgangsanschluß II des Inverters 156 ist ferner mit Erdpotential über zwei Reihenwiderstände 166 und 168 verbunden, die einen Spannungsteiler bilden. Der Widerstand 166 hat einen Wert von 2,7 kOhm, der Widerstand 168 einen Wert von 11 kOhm. Der Abgriff des Spannungsteilers zwischen den Widerständen 166 und 168 ist elektrisch mit dem Eingangsanschluß I des Inverters 156 über einen Widerstand 170 von 120 kOhm verbunden. Der Eingangsanschluß I des Inverters 156 ist ferner mit Erdpotential über einen Kondensator 172 von 0,001 mF verbunden. Der Widerstand 170 und der Konden-

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sator 172 bilden ein RC-Netzwerk, das die Frequenz des Oszillators bestimmt, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise 22 kHz beträgt. Die Funktionsweise des Schmitt-Triggers wird nicht erläutert, da sie dem Fachmann bekannt ist.

Die zweite Inverterstufe 158 des digitalen Inverters dient zur Rechteck-Signalformung des verzerrten Ausgangssignals des Inverters 156. Der Ausgangsanschluß XII des Inverters 158 ist mit dem Eingangsanschluß IX des Inverteres 160 verbunden. Der Ausgangsanschluß XII des Inverteres 158 ist ferner mit der Basis eines Transistors 174 über einen Widerstand 176 von 2,7 kOhm verbunden. Der Ausgangsanschluß VIII des Inverteres I60 ist in ähnlicher Weise mit der Basis eines weiteren Transistors 178 über einen Widerstand 180 von 2,7 kOhm verbunden. Beide Transistoren 174 und 178 sind vom Typ 2N4402 der Firma Motorola. Die Emitter der Transistoren 174 und 178 sind mit der Stromversorgung von +15 Volt verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 174 und 178 sind separat mit jeweils einem Anschluß der Primärwicklung des Entkopplungstransformators 100 verbunden. Der Mittelabgriff dieser Primärwicklung ist elektrisch mit Erdpotential verbunden. Der Entkopplungstransformator 100 hat ein Übersetzungsverhältnis von ca. 1:1. Das Ausgangssignal des Inverters 158 ist ein Rechtecksignal, und es wird der Basis des Transistors 174 zugeführt. Dieses Signal wird im Inverter I60 invertiert und dann der Basis des Transistors 178 zugeführt. Beide Transistoren werden abwechselnd leitend und nicht leitend gesteuert, wenn ihre Eingangssignale ein hohes bzw. niederes Potential haben.

Der Kollektor des Transistors 174 ist mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 144 über die Parallelschaltung eines Widerstandes 182 von 100 kOhm und eines Kondensators von 33 pF verbunden. Der Kollektor des Transistors

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178 ist ähnlich mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 142 über die Parallelschaltung eines Widerstandes 186 von 100 kOhm und eines Kondensators 188 von 33 pF verbunden. Da die Feldeffekttransistoren 142 und 144 gegenüber Beschädigungen bei Belastung in Durchlaßrichtung empfindlich sind, sind die Dioden 148 und 150 zur Erdung der Gateelektroden dieser Feldeffekttransistoren 142 und 144 vorgesehen. Sie dienen als Stromweg

in Durchlaßrichtung. Bei Normalbetrieb ist das Spannungssignal an der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 102 ein Abbild des Signals D in Fig. 3. Wenn die Transistoren 174 und 178 abwechselnd leitend gesteuert werden, so werden die Feldeffekttransistoren 142 und 144 in ähnlicher Weise abwechselnd leitend gesteuert, wenn sie in Durchlaßrichtung gepolt sind, und extrem stark gesperrt, wenn sie in Sperrichtung gepolt sind, was auf die Kopplung mit dem Leistungs-Entkopplungstransformator zurückzuführen ist. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 102 ist somit immer positiv gegenüber dem Ende der Sekundärwicklung, das elektrisch mit dem zum jeweiligen Zeitpunkt leitenden Feldeffekttransistor 142 bzw. 144 verbunden ist. Das Ausgangssignal V hat deshalb den in Fig. 3 bei E gezeigten Verlauf.

Die Sekundärwicklung des Leistungs-EntKopplungstransfomiators 100 speist die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 136 und 138. Somit werden die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 142 und 144 sowie der Feldeffekttransistoren 136 und 138 abwechselnd synchron impulsmäßig angesteuert. Die Widerstände 182 und 186 begrenzen den Strom in Vorwärtsrichtung, und die Kondensatoren 184 und 188 sind "Beschleunigungskapazitäten", die eine ausgeprägtere und steilere Schaltwirkung hervorrufen. Die Enden der Sekundärwicklung des Leistungs-Entkopplungstransformators 100 speisen die Wechselstromeingänge eines Brückengleichrichters 190, der vom Typ

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920Α3 der. Firma Motorola ist. Der Brückengleichrichter 190 und die mit ihm direkt verbundene Schaltung bilden einen Doppelweggleichrichter üblicher Art, der im vorliegenden Falle ein Rechtecksignal gleichrichtet. Die Betriebsweise dieser Schaltung wird im folgenden noch beschrieben. Die Enden der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 100 sind ferner mit den Gate-JJJlök tif*öd»ii dor FeiaoXfökfcLi-anöJ.iiUui-'du 1.50 und IJiU Üuoi-Seriendioden 192 und 194 verbunden. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 136 und 138 sind ferner über Widerstände 196 und 198 von 10 kOhm mit dem erdfreien Massepotential als Bezugspotential verbunden. Diese Widerstände liefern eine Bezugsspannung für die jeweilige Gate-Elektrode und stabilisieren die Schaltwirkung.

Wie bereits ausgeführt, werden bei abwechselndem Leitungsund Sperrzustand der Transistoren 174 und 178 die Feldeffekttransistoren 136 und 138 gleichfalls leitend bzw. nicht leitend gesteuert. Ist der Feldeffekttransistor gesperrt, so ist der Feldeffekttransistor 138 leitend. Somit ergibt sich ein Eingangssignal am Anschluß IX der Multiplizierschaltung 110, jedoch nicht am Anschluß VII. Ist der Feldeffekttransistor 138 gesperrt, so ist der Feldeffekttransistor 136 leitend. Somit ergibt sich eine Erdung des Anschlusses IX der Multiplizierschaltung 110, und ein Eingangssignal wird am Anschluß VII der Multiplizierschaltung 110 eingegeben.

Die Hochspannungsseite des Wattmetermoduls (auf der rechten Seite der Entkopplungstransformatoren) wird durch einen Doppelweggleichrichter gespeist. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 100 ist mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Die Ausgangsanschlüsse (positiv und negativ) des Brückengleichrichters 190 führen eine positive bzw. eine negative Gleichspannung

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von 15 Volt. Diese Anschlüsse sind durch zwei in Reihe geschaltete Filterkondensatoren 200 und 202 von 0,22 mF überbrückt. Der Mittelabgriff dieser Reihenschaltung ist mit dem erdfreien Massepotential verbunden.Die Ausgänge des Brückengleichrichters 190 sind ferner mit den Speiseanschlüssen 201 und 203 über Strombegrenzungswiderstände 204 und 206 von 1 kOhm verbunden. Zenerdioden 208 und 210 sind in Sperrichtung zwischen die Speiseanschlüsse 201 und 203 an das erdfreie Massepotential angeschaltet. Die Widerstände 204 und 206 dienen ferner zur Strombegrenzung für die Zenerdioden. Die Zenerdioden 208 und 210 sind vom Typ 1N4744 der Firma Motorola. Ferner sind Filterkondensatoren 212 und 214 zwischen die Anschlüsse 201 und 203 zum Massepotential geschaltet. Die Anschlüsse 201 und 203 dieser Stromversorgung führen damit eine Dauergleichspannung von + bzw. - 15 Volt.

Die in Fig.3 gezeigten Signalverläufe entsprechend dem vollen Meßbereich. Die Spannung V schwankt deshalb immer zwischen Grenzwerten von 0 und + 2 Volt. Die Signalverläufe B, C und D nach Fig. 3 sind in Richtung des Zeitmaßstabes wesentlich übertrieben dargestellt, um die 22 kHz-Modulation des 60 Hz-Stromsignals für die Multiplizierschaltung zu verdeutlichen.

In Fig. 4 ist die Ausgangsschaltung dargestellt. Sie umfaßt ein einpoliges Filter 218. Im Hinblick auf die in Fig. 1 gezeigte Einphasen-Wechselstromlast wird das Eingangssignal V_Q dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 222 über einen Widerstand 220 von kOhm zugeführt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 222 ist mit Erdpotential über einen Bezugspotentialwiderstand 224 von 4,7 kOhm verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 222 ist mit dem Tiefpaßfilter 218 ver-

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bunden. Der Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers 222 enthält die Reihenschaltung eines Widerstandes 226 von 10 kOhm und eines variablen Widerstandes 228 von 50 kOhm. Diese Kombination ist elektrisch einem Filterkondensator 230 von 0,47 mF parallelgeschaltet. Der Gegenkopplungszweig ist zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 222 und seinen invertierenden Eingang geschaltet. Ein zweiter Widerstand 232 von 10 kOhm ist gleichfalls mit dem invertierenden Eingang ^r'«s Operationsverstärkers 222 verbunden. Dieser Eingang, <><un die Spannung V₀ ¹ zugeführt werden kann, ist nur für Diviphasen-Leistungsmessung vorgesehen. In diesem Fall werden die additiv zusammengefaßten Signale V_Q und V₀ ¹ dem filternden und summierenden Verstärker 216 zugeführt. Der Operationsverstärker dient auch zur Verstärkung des EingangsSignaIs mit gleichzeitiger Umsetzung in Einheiten der Pferdestärke, in Kilowatt oder in Prozent des Vollausschlags. Der filternde und summierende Verstärker 216 erhält das Ausgangssignal V des Wattmetermoduls und bewirkt dessen Mittelung. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 222 ist dann ein Gleichstromsignal mit einer kleinen überlagerten Wechselkomponente. Da diese am Ausgang des Operationsverstärkers 222 auftritt, wird dessen Ausgangssignal dem zweipoligen Tiefpaßfilter 218 zugeführt, um sie auszufiltern und die Anzeige konstant zu halten. Das Filter 218 ist in bekannter Weise aufgebaut. Sein Eingang umfaßt zwei in Reihe geschaltete Widerstände 332 und 334 von 33 kOhm, die mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 336 verbunden sind. Die Operationsverstärker 336 und 222 sind vom Typ 741 der Firma National Semi-Conductor. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 336 ist ferner mit Erdpotential über einen Kondensator 338 von 0,33 mF verbunden. Im Gegenkopplungszweig ist eine direkte Verbindung des Verstärkerausgangs mit seinem invertierenden Eingang vorgesehen. Zusätzlich sind der positive und der negative Eingang des

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Operationsverstärkers 336 durch die Reihenschaltung eines Kondensators 340 von 0,47 mF und des Widerstandes 334 verbunden. Das Ausgangssignal des Filters 218 wird einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise einem Voltmeter oder einer Digitalanzeige zugeführt oder auch wahlweise über einen Verstärker einem Analogsignalausgang zugeführt.

In Fig. 5 ist das Ansprechverhalten der Einrichtung graphisch dargestellt. Es ist ein Anstieg des Ausgangssignals auf 97,6 % des Endwertes innerhalb einer Zeit von ca. 100 msec, gezeigt, während typische Galvanometergeräte hierzu 650 msec, oder mehr benötigen. Im Hinblick auf die mechanische Arbeitsweise eines Galvanometergerätes ergibt sich auch ein charakteristisches Überschießen durch die Massenträgheit der mechanischen Teile, bevor eine stabilisierte Anzeige erreicht wird.

Die Ausgangsschaltung und die Digitalanzeige können an einer von der zu überwachenden Last und dem Wattmetermodul entfernten Stelle vorgesehen sein. Der Wattmetermodul ist an dem Meßwiderstand bzw. in dessen unmittelbarer Nähe vorgesehen. Diese Anordnung vermeidet das Erfordernis, einen Anteil des LeitungsStroms oder auch der Leitungsspannung von den Speiseleitungen der Last abzuzweigen. Die Bedienungsperson der Überwachungseinrichtung wird nur einer extrem niedrigen Spannung (V bzw. V ') ausgesetzt. Eine Einrichtung nach der Erfindung ist deshalb extrem vielseitig und bietet relativ große Sicherheit im Vergleich zu den bisherigen Meßeinrichtungen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird dann erkennbar, wenn mehrere elektrische Lasten innerhalb eines Gesamtkomplexes vorgesehen sind und eine periodische Überwachung Jder einzelnen Last auf ihren Leistungsverbrauch erforderlich ist.

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In diesem Fall werden geeignete Meßwiderstände und Wattmetermodule jeder Einzellast zugeordnet und die einzelnen Ausgangssignale an eine einzige Meßstelle geführt, die dann abwechselnd oder wahlweise das Ausgangssignal eines jeden einzelnen Moduls an einer einzigen Digitalanzeige auswertet.

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Claims

2R22U34 Patentansprüche

1. Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung und -überwachung, mit einer Vorrichtung zur Multiplikation eines an einer Last abfallenden Spannungssignals mit einem dem Strom durch die Last proportionalen Stromsignal und mit einer Vorrichtung zur Anzeige des Multiplikationssignals, gekennzeichnet durch eine Eingangsschaltung (22, 34, 36) zur Erzeugung eines dem Spannungsabfall an der Last (16) proportionalen Spannungssignals und eines dem Strom durch die Last (16) proportionalen Stromsignals, durch eine Multiplizierschaltung (24) zur Multiplikation des Spannungssignals und des Stromsignals und durch Entkopplungsvorrichtungen (30, 32) zwischen der Multiplizierschaltung (24) und einer Ausgangsschaltung (15), die die Vorrichtung (46) zur Anzeige des Multiplikationssignals enthält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationsschaltung (26) zwischen der Eingangsschaltung (22, 34, 36) und der Multiplizierschaltung (24) vorgesehen ist, die das Stromsignal moduliert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Demodulationsschaltung (40) zwischen den Entkopplungsvorrichtungen (30, 32) und der Ausgangsschaltung (15) vorgesehen ist, die das Multiplikationssignal demoduliert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (28) mit der Demodulationsschal-

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tung (40) direkt und mit der Modulationsschaltung (26) über die Entkopplungsvorrichtungen (30, 32) verbunden ist und die Modulationsschaltung (26) und die Demodulationsschaltung (40) synchron steuert.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (22, 34, 36) einen Meßwiderstand (20) mit geringem Widerstandswert umfaßt, der mit der Last (16) in Reihe geschaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtungen (30, 32) ein Signaltransformator (30) und ein Leistungstransformator (32) sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (46) von der Eingangsschaltung (22, 34, 36), der Multiplizierschaltung (24) und den Entkopplungsvorrichtungen (30, 32) entfernt angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssöhaltung (22, 34, 36) einen Verstärker zur Verstärkung des Stromsignals aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (22, 34, 36) einen der Last (16) parallelgeschalteten Spannungsteiler (34, 36) aufweist.

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10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung (24) in integrierter Technik aufgebaut ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überspannungs-Schutzschaltung (38) zwischen der Eingangsschaltung (22, 34, 36) und der Multiplizierschaltung (24) angeordnet ist.

12. Verfahren zur elektrischen Leistungsmessung und -Überwachung mit einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Multiplikation des Stromsignals und des Spannungssignals erhaltene Leistungssignal gegenüber der Multiplikationsschaltung und der Eingangsschaltung elektrisch entkoppelt angezeigt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsignal vor der elektrischen Entkopplung moduliert und das Leistungssignal hinter der elektrischen Entkopplung demoduliert wird.

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