DE69319756T2

DE69319756T2 - Gerät zur Messung elektrischer Grössen

Info

Publication number: DE69319756T2
Application number: DE1993619756
Authority: DE
Inventors: Trevor F-38050 Grenoble Cedex 9 Bimler; Marc F-38050 Grenoble Cedex 9 Ferrazzi; Alain F-38050 Grenoble Cedex 9 Kobilsek; Armand F-38050 Grenoble Cedex 9 Tommassi
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-20
Also published as: FR2686701A1; ES2119877T3; DE69319756D1; FR2686701B1; EP0554188B1; EP0554188A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In herkömmlichen Anordnungen dieser Art zur digitalen Verarbeitung elektrischer Größen, insbesondere zur Berechnung ihres Effektivwerts, erfolgt die Integration der Ausgangs-Abtastwerte des Analog-Digital-Umsetzers mit einer bestimmten, festgelegten Anzahl von Abtastungen (US-A-4.672.555). Wenn die Integrationszeit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden der gemessenen Größe entspricht, hängt die Genauigkeit der Messung im wesentlichen von der Genauigkeit der analogen Meßmittel, der Genauigkeit des Analog-Digital-Umsetzers, der Tastzeit und der Anzahl der über die Integrationszeit aufgenommenen Abtastwerte ab.
Entspricht die Integrationszeit nicht einer ganzzahligen Anzahl von Perioden der zu messenden Größe, führt dies zu einem Fehler, der erheblich sein kann. Es kann beispielsweise nachgewiesen werden, daß bei der Bestimmung des Effektivwerts einer Größe, deren Abtastwerte über 1,125 Perioden anstatt über eine Periode integriert werden, der Fehler etwa 4% beträgt.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 behoben.
Damit bleibt die Genauigkeit der Messung erhalten, selbst wenn die Grundfrequenz des Netzes von ihrem Sollwert abweicht oder sich ändert. Darüber hinaus läßt sich die Anordnung ohne Genauigkeitsverlust automatisch an Netze unterschiedlicher Frequenz (50-60 Hz) anpassen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung messen die analogen Meßmittel mindestens eine Spannung des Netzes, wobei die ersten Mittel Mittel zur Erfassung der Nulldurchgänge der genannten Spannung umfassen und die Integrationszeit durch zwei Nulldurchgänge begrenzt ist, zwischen denen eine bestimmte, ungerade Anzahl von Nulldurchgängen liegt.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Erfassung der Nulldurchgänge einen Komparator, dessen einer Eingang mit der genannten Spannung beaufschlagt wird und dessen Ausgang ein Rechtecksignal liefert, welches während der positiven Halbwellen der Spannung einen bestimmten ersten Wert und während der negativen Halbwellen der Spannung einen bestimmten zweiten Wert führt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Meßanordnung, in der die Erfindung zum Einsatz gebracht werden kann;
Fig. 2 eine besondere Ausgestaltung der analogen Spannungsverarbeitungsschaltung der Anordnung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine besondere Ausgestaltung der analogen Stromverarbeitungsschaltung der Anordnung aus Fig. 1.
Die in Fig. 1 gezeigte Meßanordnung umfaßt Stromwandler 1 zur Messung der über die Phasenleiter L1, L2 und L3 eines elektrischen Dreiphasennetzes fließenden Ströme. Die Spannungen des Netzes werden durch Spannungswandler 2 an den Phasenleitern L1, L2 und L3 sowie am Neutralleiter des Netzes gemessen.
Mit den Ausgangssignalen der Stromwandler 1 werden Eingänge einer analogen Stromverarbeitungsschaltung 3 beaufschlagt. Mit den Ausgangssignalen der Spannungswandler 2 werden Eingänge einer analogen Spannungsverarbeitungsschaltung 4 beaufschlagt. Die Schaltung 3 liefert an drei parallelen Ausgängen analoge Abtastwerte, welche die über die jeweiligen Phasenleiter L1, L2 und L3 fließenden Ströme I1, I2 und I3 abbilden. Die Schaltung 4 liefert an drei parallelen Ausgängen analoge Abtastwerte, welche die jeweils zwischen den Phasenleitern L1, L2 und L3 sowie dem Neutralleiter N liegenden Spannungen V1, V2 und V3 abbilden.
Die Schaltung 4 liefert außerdem ein Signal F, das die Grundfrequenz des Netzes abbildet und aus einem, der am Eingang der Schaltung 4 anliegenden Spannungssignale gewonnen wird.
Mit den Ausgangssignalen der Schaltungen 3 und 4 werden Eingänge einer digitalen Verarbeitungsschaltung 5 beaufschlagt. Diese Schaltung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und umfaßt einen Multiplexer 6, einen Analog-Digital- Umsetzer 7 und einen Mikroprozessor 8.
Mit den Signalen I1, I2, I3, V1, V2 und V3 werden die Eingänge des Multiplexers 6 parallel beaufschlagt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Umsetzers 7 verbunden ist. Der Mikroprozessor 8 erhält sequentiell vom Umsetzer 7 die digitalen Signale, welche die jeweiligen gemessenen Größen abbilden. Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung sind der Mikroprozessor 8 als 16- Bit-Mikroprozessor und der Umsetzer 7 als 10-Bit-Umsetzer ausgeführt. Selbstverständlich können der Umsetzer sowie gegebenenfalls der Multiplexer zusammen mit dem Mikroprozessor in eine Mikrosteuerung integriert sein.
Der Mikroprozessor verarbeitet die ihm zugeführten digitalen Daten und berechnet verschiedene, das Netz abbildende Größen, insbesondere:
- die Effektivwerte der Ströme I1, I2 und I3,
- die Effektivwerte der Spannungen V1, V2 und V3,
- die Effektivwerte der Spannungen zwischen den Phasen,
- die Grundfrequenz F des Netzes,
- die Wirkleistung,
- die Blindleistung,
- den Wirkverbrauch,
- den Blindverbrauch,
- den Leistungsfaktor.
Der Mikroprozessor kann die errechneten Werte über eine serielle Verbindung 9 weiterleiten. Die Berechnung dieser verschiedenen Größen erfolgt mit Hilfe von digitalen Abtastwerten der vom Umsetzer 7 gelieferten Strom- und Spannungssignale. Die Abtastung in den Schaltungen 3 und 4 erfolgt gleichzeitig und wird über ein vom Mikroprozessor 8 geliefertes Abtaststeuersignal E geführt. Die Tastzeit ist konstant und beträgt nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung etwa 250 Mikrosekunden.
Die einzelnen Größen werden auf der Grundlage einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten bestimmt. Die Effektivwerte der Ströme und Spannungen werden durch Integration des Quadrats der Strom- bzw. Spannungs-Abtastwerte über die Integrationszeit bestimmt. Die Leistungs- und Verbrauchswerte werden durch Integration des Produkts aus Strom- und Spannungs-Abtastwerten über die Integrationszeit bestimmt.
So speichert der Mikroprozessor vor jeder Berechnung die Anzahl der für die Berechnung erforderlichen und von den Schaltungen 3 und 4 über die Integrationszeit gelieferten Abtastwerte in einem zugeordneten Schreib-Lese-Speicher.
Die Integrationszeit und damit auch die Anzahl der für die Berechnung einer Größe berücksichtigten Abtastwerte hängen erfindungsgemäß von der Grundfrequenz des Netzes ab, derart daß die Integrationszeit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden des Netzes entspricht.
Die in Fig. 2 gezeigte analoge Spannungsverarbeitungsschaltung umfaßt einen Transformator 10, dessen Eingänge mit den Spannungswandlern 2 verbunden sind. In der gezeigten, vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist der Transformator 10 als Dreiphasen-Transformator in Stern-Stern-Schaltung ausgeführt. Der Sternpunkt der Primärwicklungen ist mit dem Neutralleiter des Netzes verbunden oder bei Fehlen dieses Neutralleiters nicht verteilt. Der Sternpunkt der Sekundärwicklungen ist mit Masse, und die entgegengesetzten Anschlußenden der Sekundärwicklungen jeweils mit Form- und Abtastschaltungen 11 für die Spannungssignale verbunden. In der Zeichnung ist nur eine dieser Schaltungen 11 im Detail dargestellt, wobei die beiden anderen Schaltungen mit der gezeigten identisch sind.
Das Eingangssignal der Schaltung 11 wird gefiltert (R1, C1, R2) und anschließend über einen, als Operationsverstärker OP1 ausgebildeten Impedanzanpasser dem Eingang eines Abtast- und Blockierglieds 12 zugeführt. Dieses Glied besteht in der Zeichnung aus einem, über das Signal E angesteuerten Schalter 13, dessen Ausgang mit den Klemmen eines Kondensators C2 und dem Eingang eines, als Impedanzanpasser dienenden Operationsverstärkers OP2 verbunden ist. In der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung kann das Ausgangssignal des Abtast- und Blockierglieds 12 negative Werte annehmen. Das Signal wird daher so geformt (14), daß es zwischen Werten (0 bis 5 V) liegt, die für die digitale Verarbeitungsschaltung 5 geeignet sind. Auf diese Weise stehen am Ausgang der Schaltung 11 analoge Abtastwerte V3 zur Verfügung, die das Eingangssignal der Schaltung 11 abbilden.
Die analogen Abtastwerte V1 und V2 werden entsprechend an den Ausgängen der beiden anderen Schaltungen 11 bereitgestellt.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung umfaßt des weiteren eine Schaltung 15 zur Messung der Grundfrequenz des Netzes. Diese Schaltung 15 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 einer der Schaltungen 11, in der Zeichnung der dem Signal V3 zugeordneten Schaltung, verbunden. Die Schaltung 15 erfaßt die Nulldurchgänge der V3 entsprechenden Spannung des Netzes. Sie umfaßt einen Komparator OP3, dessen invertierender Eingang mit Masse verbunden und dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand R3 an den Ausgang von OP1 sowie über einen Widerstand R4 an den Ausgang von OP3 angeschlossen ist. Auf diese Weise wird am Ausgang des Komparators ein Rechtecksignal F zur Verfügung gestellt, das bei negativem Eingangssignal null ist und bei positivem Eingangssignal den logischen Wert 1 annimmt. Die Zeitdauer zwischen zwei positiven oder zwei negativen Flanken des Signals F entspricht der Periodendauer der Spannung entsprechend V3. Zur Definition der Signal- Integrationszeit wird dieses Signal F einem Eingang des Mikroprozessors 8 (Fig. 1) zugeführt.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung verwendet der Mikroprozessor 8 die positiven Flanken des Signals F. Eine erste positive Flanke definiert dabei den Beginn der Integrationszeit. Sämtliche, ab diesem Zeitpunkt von den analogen Verarbeitungsschaltungen 3 und 4 gelieferten Abtastwerte werden nacheinander in einen, dem Mikroprozessor zugeordneten Schreib- Lese-Speicher eingelesen. Das Zählen einer ganzzahligen Anzahl von Perioden, d. h. das Erfassen einer bestimmten Anzahl, beispielsweise 8 positiver Flanken des Signals F definiert das Ende der Integrationszeit. Anschließend berechnet der Mikroprozessor die zu messenden Größen auf der Grundlage der über die Integrationszeit im Speicher abgelegten Abtastwerte.
Zur Bestimmung der Netzfrequenz mit Hilfe der Signalnulldurchgänge können lediglich die Signale verwendet werden, welche die Spannungen des Netzes abbilden. Die Ströme können nämlich in bestimmten Installationen einen Oberwellengehalt von mehr als 100% aufweisen, wodurch die Messung gegebenenfalls verfälscht wird, da in diesem Fall mehrere Nulldurchgänge pro Halbperiode auftreten können. Bei den Netzspannungen kann der Oberwellengehalt jedoch 8% nicht überschreiten, und es besteht nur ein minimales Risiko.
In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wird das Ausgangssignal eines, als Ringkernwandlers ausgeführten Stromwandlers 1 dem Eingang einer Form- und Abtastschaltung 16 für ein Stromsignal zugeführt. Jedem der Stromwandler ist eine Schaltung 16 zugeordnet, so daß analoge Abtastwerte I1, I2 bzw. I3 zur Verfügung gestellt werden, welche den vom jeweiligen Stromwandler gemessenen Strom abbilden. In Fig. 3 ist nur eine dieser Schaltungen 16 dargestellt.
Das Eingangssignal der Schaltung 16 wird gefiltert (R5, C3), anschließend verstärkt (OP4, R6, R7), durch ein Abtast- und Blockierglied 18 (Schalter 17, Kondensator C4, OP5) abgetastet und geformt (19). Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (OP4, R6, R7) kann gegebenenfalls, durch den Mikroprozessor gesteuert, verändert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene und mit Bezug auf die Figuren dargestellte Ausführungsvariante beschränkt. Insbesondere kann die Integrationszeit, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der zu messenden Größe, verändert werden, wobei jedoch nach wie vor eine ganzzahlige Anzahl von Perioden des Netzes erfaßt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat beispielsweise positive Ergebnisse bei Netzen mit einer Grundfrequenz zwischen 45 und 65 Hertz geliefert, wobei eine Tastzeit von 250 Mikrosekunden und eine Integrationszeit entsprechend 8 Perioden des Netzes verwendet wurden.

Claims

1. Anordnung zur Messung elektrischer Größen eines elektrischen Wechselspannungsnetzes mit gegebener Grundfrequenz, welche Anordnung analoge Mittel (1, 2) zur Messung mindestens einer Netzgröße, an den Ausgang der analogen Meßmittel angeschlossene Abtastmittel (12, 18), die dazu dienen, bei festgelegter, konstanter Tastzeit die Ausgangssignale der analogen Meßmittel abbildende Abtastwerte zu liefern, an den Ausgang der Abtastmittel angeschlossene Mittel (7) zur Analog-Digital-Umsetzung und Mittel (8) zur digitalen Verarbeitung, welche die Berechnung der zu messenden Größen auf der Grundlage mehrerer, über eine Integrationszeit aufgenommenen Abtastwerte durchführen, sowie erste Mittel (15) zur Messung der Grundfrequenz und der entsprechenden Periodendauer des Netzes umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zweite Mittel (8) zur Definition der Integrationszeit in Abhängigkeit von der genannten Frequenz umfaßt, so daß die Integrationszeit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden des Netzes entspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Meßmittel mindestens eine Spannung des Netzes messen, wobei die genannten ersten Mittel Mittel (15) zur Erfassung der Nulldurchgänge der genannten Spannung umfassen und die Integrationszeit durch zwei Nulldurchgänge begrenzt wird, zwischen denen eine bestimmte, ungerade Anzahl von Nulldurchgängen liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (15) zur Erfassung der Nulldurchgänge einen Komparator (OP3, R3, R4) umfassen, dessen einer Eingang mit der genannten Spannung beaufschlagt wird und dessen Ausgang ein Rechtecksignal (F) liefert, das während der positiven Halbwellen der Spannung einen bestimmten ersten Wert und während der negativen Halbwellen der Spannung einen bestimmten zweiten Wert führt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalverarbeitungsmittel einen, an den Ausgang der Mittel (7) zur Analog- Digital-Umsetzung sowie an den Ausgang der Mittel (15) zur Erfassung der Nulldurchgänge angeschlossenen Mikroprozessor (8) umfassen.

5. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spannung der zwischen einem Phasenleiter (L3) und dem Neutralleiter (N) des Netzes gemessenen Spannung entspricht.

6. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Meßmittel Mittel (2) umfassen, welche die Spannungen des Netzes abbildende Signale liefern.

7. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Meßmittel Mittel (1) umfassen, welche die Ströme des Netzes abbildende Signale liefern.

8. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Größen die Effektivwerte der Spannungen und Ströme des Netzes umfassen.

9. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Größen die Wirkleistung, die Blindleistung, den Wirkverbrauch, den Blindverbrauch und/oder den Leistungsfaktor umfassen.

10. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel (12, 18) sämtliche, am Ausgang der analogen Meßmittel (1, 2) zur Verfügung gestellten analogen Signale gleichzeitig abtasten.