SE464433B - Analog bipolaer passiv multiplikator - Google Patents

Description

4e4 433 2 10 15 20 25 30 35 och är bipolär och passiv, dvs icke kräver någon hjälpspänning, och saknar styrlelement för omkoppling samt är förhållandevis en- kQl, dfiftfläkêf, Drüdllktiünflvänlig 0011 rimlig och dcssutcm är Väl lämpad för sammanbyggning av flera multiplikatorer i kända kopp- lingar för mätning av t.ex. aktiv effekt eller av reaktiv effekt i trefassystem.

Ovannämnda syfte uppnås med en multiplikator av den inled- ningsvis angivna typen, som i enlighet med uppfinningen känneteck- nas av att den innefattar en spänningsdelare bestående av första och andra, lika motstånd, som är sammankopplade i en mittpunkt och är kopplade över multiplikatorns spännings- eller alternativt strömingång, och ett tredje motstånd, som med sin ena ände är kopplat till spänningsdelarens mittpunkt och är kopplat över mul- tiplikatorns ström- alternativt spänningsingång, varvid en första passiv funktionsgenerator som är konstruerad för kvadrering är parallellkopplad med seriekopplingen av det första spänningsdelar- motståndet och det tredje motståndet samt en andra passiv funk- tionsgenerator som är konstruerad för kvadrering är parallellkopp- lad med seriekopplingen av det andra spänningsdelarmotstàndet och det tredje motståndet, varjämte funktionsgeneratorns strömutgàng är kopplad till den ena änden på en parallellkoppling av ett ut- gångsmotstånd och en filtreringskondensator, vars andra ände är kopplad till den andra änden på det tredje motståndet.

Såsom är känt för en fackman inom ifrågavarande område gäl- ler det inledningsvis angivna sambandet när u är en likspänning och i är en likström. När u är en växelspänning och i är en växel- ström och Z är fasvinkeln mellan u och i, blir sambandet: uTï-:Lfl - cífl = flïcosø där u och i är vektorstorheter. Vid mätning av aktiv växelströms- effekt är därför multiplikatorn konstruerad för att avge en utgångssignal som är proportionell mot iui.cosø.

Det är vidare känt att, om man har en konstant fasförskjut- ning mellan spänning och ström på 90°, dvs där fasvinkeln är ø=i90°, sambandet blir 4ui.sinø, vilket följer av att cos(90°-Z) = sinø. Vid mätning av reaktiv effekt (blindeffekt) är därför multiplikatorn konstruerad för att avge en utgàngssignal som är proportionell mot ¿ui.sinø.

Det kan lätt visas att minsta fel vid avvikelse från nomi- 10 15 20 25 30 35 3 464 433 nell frekvens uppnås genom att man gör den konstanta fasförskjut- ningen av u och i lika i förhållande till respektive ingangsstorheter U och I, dvs genom vridning av u i 45° i förhållande till U och vridning av I i_45° i förhållande till I.

Genom utförande av multiplikatorn i enlighet med uppfinningen, för generering av produkten ui.sinø, kan detta lämpligen uppnås genom att det pà multiplikatorns spännings- och strömingàngar är inkopp- lat passiva kretselement för åstadkommande av en likadan men mot- satt konstant förskjutning om 45° av den till funktionsgenerato- rerna förda spänningen eller strömmen i förhållande till ingångs- spänningen eller ingàngsströmmen pà respektive multiplikatorin- gångar.

När multiplikatorer enligt uppfinningen utnyttjas i mätvär- desomformare för watt eller VAr, utnyttjas spännings- och ström- transformatorer för anpassning av dessa ingàngsstorheter och för galvanisk åtskillnad mellan ingång och utgàng.

I multiplikatorn enligt uppfinningen utnyttjas lämpligen passiva funktionsgeneratorer av känd typ, närmare bestämt av den typ som är visad i den norska patentskriften 124 182 och är base- rad på passiva nätverk, där de spänningsmätande elementen utgörs av stabila kisel- och/eller zenerdioder. Genom att man utnyttjar två funktionsgeneratorer, som är konstruerade för kvadrering, und- viks omkopplingskretsar som kräver hjälpspänning. Multiplikatorn är baserad pa kretslösningar som är enklare än de inledningsvis fyra element innefattande bryggkopplingarna för att åstad- i) utan styr- eller kopplings- nämnda, komma storheterna (u + i) och (u - element och som belastar eventuella spännings- och strömtransfor- matorer mindre än bryggkopplingar och därför förorsakar mindre avvikelse eller fel.

Vid mätning av reaktiv effekt i trefassystem är kända mät- principer med utnyttjande av en, tva eller tre element av typen ui.cosø baserade pà korskoppling mellan spänning och ström, så att dessa storheter är okorrelerade och bland annat ger betydande fel i osymmetriska nät. Bland de kända kopplingarna skall speciellt “Aron-kopplingen", som är baserad pà sambandet vAr = \/§<-ut.1r - Urin), nämnas strömmarna och fas- = Ur; Ir = Is = It och som ger VAr = 3UI.sinø om spänningarna, vinklarna i de olika faserna är lika (Ut = Us 464 433 4 10 15 20 25 30 35 och ør = øs = øt).

"Aron-kopplingen" kräver emellertid att fasspänningarna bil- das med hjälp av en inbyggd, konstlad nollpunkt i mätvärdesomfor- maren, något som är arbetskrävande och fördyrande.

För att eliminera ovannämnda olägenhet och åstadkomma en mätvärdesomformare för ovannämnda ändamål, vilken är enkel och har god mätnoggrannhet, åstadkommes i enlighet med uppfinningen en mätvärdesomformare som innefattar multiplikatorer enligt uppfin- ningen av typen ui.sinø och som är kännetecknad av att den inne- fattar två multiplikatorer som är kopplade till trefassystemet på i och för sig känt sätt enligt 2-wattmetermetoden.

Genom att utnyttja multiplikatorer av typen ui.sinø i 2- wattmeterkopplingen, som är en vanlig mätprincip i trefassystem utan nolledare, som är belastad, för mätning av reaktiv effekt, blir ovannämnda samband: VAr = Urs.Ir.sin(ø + 30°) + Uts.It.sin(ø - 30° = Urs.Ir(sinøcos 30° + cosøsin30°) + Uts.It(sinøcos30°-cosøsin30°, och då Urs = Uts = UL = J; Uf och Ir = It = I cch ør = øs = øt = 0, får man VA: = V: Urnrsinø = 3 Uf.1.sinø, med för övrigt samma förbehåll som vid mätning av effekt.

Genom användning av multiplikatorer ui.sinø i 2-wattmeter- koppling blir spänningar och strömmar korrelerade på samma sätt som vid mätning av aktiv effekt och ger den motsvarande princi- piella mätnoggrannheten vid mätning av reaktiv effekt.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare i anslutning till ett antal utföringsexempel under hänvisning till ritningen, varpå fig. 1-4 visar exempel på multiplikatorer av ty- pen UI.cosø, fig. 5-B visar exempel på multiplikatorer av typen UI.sinø, fig. 9 visar multiplikatorutförandet i fig. 3 i mera de- taljerad form och fig. 10 visar ett utförande av en mätvärdesom- formare för effektmätning i ett trefassystem utan nollpunkt och omfattande multiplikatorer enligt uppfinningen.

I de olika utföringsformer som är visade på ritningen är lika komponenter/element betecknade med samma hänvisningsbeteck- ningar. Det skall emellertid påpekas att värdena på funktionsmäs- 10 15 20 25 30 35 5 464 453, sigt lika komponenter är beroende av konstruktionen, så att kompo- nenter med samma beteckning kan ha olika värden i de olika utfö- randena. 1-4 omfattar de visade multiplikato- Såsom framgår av fig. rerna (av typen UI.cosø) en spänningsdelare bestående av första lika motstånd R1, R1, mittpunkt J och med sina fria ändar A och B är kopplade över mul- tiplikatorns spänningsingång U (fig. 1 och 3), 2 och 4), och ett tredje motstånd R2 som med sin ena ände är kopplat till spänningsdelarens mittpunkt J och vidare är kopplat till multiplikatorns strömingång I (fig. 1 och 3), 2 och 4).

Första och andra, 1 och 2) eller PFG2 (fig. seriekopplingen av det första spänningsdelarmotståndet R1 och det och andra, vilka är sammankopplade i en eller alternativt dess strömingång I (fig. eller alternativt dess spänningsingång U (fig. passiva funktionsgeneratorer PFG1 (fig. 3 och 4) är parallellkopplade med avseende på tredje motståndet R2 och med seriekopplingen av det andra spän- ningsdelarmotståndet R1 och det tredje motståndet R2, dvs mellan punkterna A och K respektive punkterna B och K. De passiva funk- PFG2, kända typen och är konstruerade för kvadrering, som är av den inledningsvis angivna är helt lika och tionsgeneratorerna PFG1, motsatt riktade. Funktionsgeneratorerna PFG1 är av halvvågstyp, under det att funktionsgeneratorerna PFG2 är av helvågstyp. Funk- tionsgeneratorernas strömutgångar är kopplade till den ena änden på en parallellkoppling, som består av ett utgångsmotstånd R4 och en filterkondensator Cl, och vars andra ände är kopplad till den andra änden på det tredje motståndet R2, dvs punkten K.

I utförandena enligt fig. 1 och 2 är nämnda parallellkopp- ling gemensam för de två funktionsgeneratorerna PFG1¿ I utförande- na enligt fig. 3 och 4, vari funktionsgeneratorerna PFG2 är av helvågstyp och därför har dubbla utgångar, är de sammanhörande paren av dessa utgångar såsom visas kopplade till en motsvarande, gemensam parallellkoppling av ett utgångsmotstànd R4 och en fil- terkondensator C1.

Om ingångsspänningen U och ingångsströmmen I i fig. 1 och 2 är i fas, kommer spänningen över A-K att representera i§U+I) och spänningen över B-K att representera :<1-U), och utgångsspänningen över utgångsmotstånden R4 kommer att bli positiv i förhållande till punkten K, eftersom (U+I) är knuten till den funktionsgenera- tor som ger positiv utgång. ' 464 453 6 10 15 20 25 30 35 Om U och I är i motfas, kommer spänningen över A-K att representera i (U-I) och spänningen över B-K att representera i(U- I), och utgångsspänningen över R4 kommer att bli negativ i förhål- lande till punkten K, då (U+I> hör till den funktionsgenerator som ger negativ utgång.

Samma betraktelser gäller för utförandena i fig. 3 och 4 med den skillnaden att det däri utnyttjas helvågsfunktionsgeneratorer och att spänningarna över de två utgångsmotstånden R4 är kopplade i serie. Helvàgsmultiplikatorer är något mera komplicerade men har den fördelen att deras svarstid är bättre än för halvvågstypen, då mindre filtrering krävs och på grund av att hela vågen behandlas.

I fig. 5-8 visas multiplikatorer av typen UI.sinø, som inne- haller nätverk som åstadkommer en konstantvridning av spänningen i förhållande till strömmen pà tillsammans i90°, närmare bestämt genom att ingångsspänningen till den tillhörande funktionsgeneratorn vrides i45° i förhållande till ingångsspänningen U och_i45° i förhållande till ingàngsströmmen I, såsom angivits inledningsvis. I vart och ett av de visade utföran- dena är funktionsgeneratorarrangemanget identiskt med arrange- manget i fig. 1 och 2 eller fig. 3 och 4, och detta arrangemang är därför i förenklande syfte enbart antytt genom angivelsen "PFG1/PFG2" I utförandet i fig. 5 är en första kondensator C2 kopplad i R1, och en andra kondensator C3 är kopplad parallellt med i fig. 5-8. serie med spänningsdelaren R1, över multiplikatorns spännings- ingång U, det tredje motståndet R2 över strömingàngen I. Spänningen över R1 är därvid fasförskjuten 45° före ingàngsspänningen U, och spän- ningen över R2 är fasförskjuten 45° efter ingångsströmmen I.

I fig. 6 en första kondensator C4 kopplad parallellt med spänningsdelaren R1, R1 över multiplikatorns strömingång I, och en andra kondensator CS är kopplad i serie med det tredje motståndet R2 över spänningsingången U. Strömmen genom och därmed spänningen över R1 är därvid fasförskjuten 45° efter ingångsströmmen I, och spänningen över R2 är fasförskjuten 45° före ingångsspänningen U.

I fig. 7 är en induktansepole L kopplad i serie med spän- ningsdelaren R1, R1 över multiplikatorns spänningsingång U, och en kondensator C6 är kopplad i serie med det tredje motståndet R2 över strömingången I. Spänningen över R1 är därvid fasförskjuten 10 15 20 25 30 35 1 464 433 450 efter ingångsspänningen U, och spänningen över seriekopplingen av R2 och C6 är fasförskjuten 45° före ingångsströmmen I.

I fig. 8 är en parallellkoppling av spänningsdelaren R1, Rl och en första kondensator C7 kopplad över multiplikatorns spän- ningsingång U via ett seriemotstànd R5, och en andra kondensator C8 är kopplad i serie med det tredje motståndet R2 över strömin- gången I. Spänningen över R1 är därvid fasförskjuten 45° efter ingångsspänningen U med hjälp av R5 och C7, och spänningen över seriekopplingen av R2 och C8 är fasförskjuten 45° före ingångs- strömmen I.

Fig. 9 visar multiplikatorutförandet i fig. 3, i det att också kretsschemat för de två utnyttjade helvågsfunktionsgenerato- rerna PFG2 är visat. Varje funktionsgenerator består sålunda av ett antal strömjusteringsgrenar med respektive motstånd R6, R7, Rn och en parallellkoppling av två motsatt riktade kiseldioder D, som är kopplade så att diodparallellkopplingarna tillsammans bildar en seriekoppling. För närmare beskrivning av funktionsgene- ratorernas verkningssätt hänvisas till den tidigare nämnda norska patentskriften 124 182.

Enär multiplikatorns spänningsdelare består av två lika mot- stånd Rl och R1, Över det tredje motståndet R2 alstras en spänning, delas ingångsspänningen lika över dessa. som är proportionell mot ingångsströmmen I. Om U och I är i fas, blir spänningen mellan punkterna_A och K lika med spänningen över det i figuren övre mot- ståndet É1 plus spänningen över motstånden R2 och lika med (I + Denna spänning är kopplad U/2) med passande valt värde på R2. till den första funktionsgeneratorn PFG2, som över tillhörande utgångsmotstànd R4 åstadkommer en spänning, som är proportionell mot <1 + U/2>2. och K lika med differansen mellan I och U/2, På samma sätt blir spänningen mellan punkterna B dvs (I - U/2). spänning är kopplad till den andra funktionsgeneratorn PFG2, Denna som över sitt utgångsmotstånd R4 åstadkommer en spänning som är pro- portionell mot (I - U/2)2 och som subtraheras från den spänning som åstadkommes av den första funktionsgeneratorn. Om polariteten för U eller I växlar till motfas, kommer polariteten hos spän- ningen på den första funktionsgeneratorns utgångsmotstånd att väx- la från + till - i förhållande till punkten K.

Ovan har en positiv halvvåg analyserats, dvs en våg som är 464 433 10 15 20 25 3G 35 positiv i A i förhållande till K. När en negativ halvvàg betrak- tas, blir spänningen mellan punkterna A och K negativ i A, och utgangssignalen fràn den första funktionsgeneratorn blir -(I + U/2)2 och det àstadkommes en negativ spänning över tillhö- rande utgàngsmotständ R4. Pa detta sätt åstadkommas en positiv spänning, som är proportionell mot (I + U/2)2 - (I - U/2>2 = 2UI.cosø, under loppet av den positiva halvvàgen över nämnda ut- gängsmotstànd samt en motsvarande negativ spänning över det andra utgàngsmotstàndet under loppet av den negativa halvvàgen, när U och I är i fas, och motsatt polaritet över utgangsmotstànden R4, R4 när U och I är i motfas, så att spänningarna över utgàngsmot- stànden är lika stora och adderas.

Sasom torde inses är det viktigt att samtliga dioder D i funktionsgeneratorerna är lika samt likaledes att motstanden R6 ... Rn är noggranna.

Det skall påpekas att det vid högre signalutgàng kan vara fördelaktigt att utnyttja fyra halvvägsfunktionsgeneratorer i stället för två helvàgsfunktionsgeneratorer.

I fig. 10 visas en mätvärdssomformare eller -omvandlare för effektmätning i ett trefassystem utan nollpunkt vid utnyttjande av analoga multiplikatorer enligt uppfinningen, närmare bestämt genom att tva multiplikatorer är kopplade till trefassystemet R, S, T i överensstämmelse med 2-wattmetermetoden. Såsom visas är fasspän- ningen Urs kopplad till en första-spänningstransformator VTR1 via anpassnings/säkringselement 1 och 2. Sekundärspänningen från VTR1 är kopplad till spänningsingàngen pà en första analog multiplika- tor 5 via ett anpassningselement 3. Strömmen Ir i fas R är kopplad till en första strömtransformator ITR1, och transformatorns sekun- därström tillförs strömingàngen pä nämnda multiplikator 5 via ett parallellkopplat, spänningsbegränsande element 4.

På motsvarande sätt är fasspänningen Uts kopplad till en andra spänningstransformator VTR2 via anpassnings/säkringselement 1 och 2, spänningsingàngen pä en andra analog multiplikator 5 via ett an- och transformatorns sekundärspänning är kopplad till passningselement 3. Strömmen It i fasen T är kopplad till en andra strömtransformator ITR2, och transformatorns sekundärström till- förs strömingàngen pa den andra multiplikatorn 5 via ett parallellkopplat, spänningsbegränsande element 4. Multiplikatorer- nas 5 utgångar är kopplade till en förstärkare 6. 10 464 435 Då utgàngarna från de två multiplikatorerna 5 är galvaniskt åtskilda med hjälp av spännings- och strömtransformatorer och ge- nom att multiplikatorerna icke behöver någon hjälpspänning, kan multiplikatorernas utgàngssignaler adderas direkt före förstärkar- ingången eller i förstärkaringàngen genom direkt sammankoppling.

Förstärkaren 6 blir därvid enkel och tjänar bara till att anpassa utgången till kundens önskemål.

De analoga, bipolära och passiva multiplikatorerna 5 kan vara typen UI.cosø. I detta fall mäts trefassystemets aktiva effekt. Multiplikatorerna kan också vara av typen UI.sinø, och i detta fall mäts trefassystemets reaktiva effekt.

Claims (10)

10 464 433 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Analog, bipolär, passiv multiplikator, särskilt för mätning av elektrisk effekt, omfattande kretsar för alstring av där u är en likspänning och Å en likström, eller produkten giågggfl eller gijginfl, där Q är en växelspänning och i baserat pá samban- produkten gi, en växelström och Q är fasvinkeln mellan dessa, det (u + n? - cu - i>2 = mi, kännetecknad av att den innefattar en spänningsdelare bestående lika motstånd (R1, R1), i en mittpunkt (J) och är kopplade över multiplikatorns spännings- ett tredje motstånd (R2) av första och andra, som är sammankopplade -alternativt strömingång (U alt I), och som med sin ena ände är kopplat till spänningsdelarens mittpunkt (J) och är kopplat över multiplikatorns ström- alternativt spän- ningsingång (I alt U), varvid en första passiv funktionsgenerator (PFG1; PFG2), lad med seriekopplingen av det första spänningsdelarmotstàndet (R1) och det tredje motståndet (R2), PFG2), som är konstruerad för kvadrering, är parallellkopp- och en andra passiv funk- tionsgenerator (PFG1; som är konstruerad för kvadrering, är parallellkopplad med seriekopplingen av det andra spänningsdelar- motståndet (R1) och det tredje motståndet (R2), tionsgeneratorernas (PFG1; PFG2) strömutgångar är kopplade till varjämte funk- den ena änden på en parallellkoppling av ett utgångsmotstånd (R4) och enfilterkondensator (C1), vars andra ände är kopplad till den andra änden på det tredje motståndet (R2).

2. Multiplikator enligt krav 1, där funktionsgeneratorerna är av halvvågstyp, kännetecknad av att nämnda parallellkoppling av ett utgångsmotstånd (R4) och en filterkondensator (C1) är ge- mensam för de två funktionsgeneratorerna (PFG1).

3. Multiplikator enligt krav 1, där funktionsgenerato- rerna är av helvågstyp och har dubbla utgångar, kännetecknad av att funktionsgeneratorernas (PFG2) utgångar är kopplade parvis till en gemensam parallellkoppling av ett utgàngsmotstànd (R4) och en filterkondensator (C1).

4. Multiplikator enligt något av kraven 1-3, för genere- ring av produkten ui.sin§, kännetecknad av att det på multipli- 10 15 20 25 30 35 1, 464 433 katorns spännings- och strömingàngar är inkopplat passiva krets- element för àstadkommande av en lika, men motsatt konstantför- skjutning om 45° av den till funktionsgeneratorerna (FFG1; PFG2) tillförda spänningen eller strömmen i förhallande till ingångs- spänningen eller ingàngsströmmen på respektive multiplikatorin- gångar (U, I).

5. Multiplikator enligt krav 4, kännetecknad av att en första kondensator (C2) är kopplad i serie med spänningsdelaren (R1, ra kondensator (C3) är kopplad parallellt med nämnda tredje mot- R1) över multiplíkatorns spänningsingàng (U), och att en and- stånd (R2) över multiplikatorns strömingàng (I).

6. Multiplikator enligt krav 4, kännetecknad av att en första kondensator (C4) är kopplad parallellt med spänningsdelaren (R1, kondensator (C5) är kopplad i serie med nämnda tredje motstånd R1) över multiplikatorns strömingàng (I) och att en andra (R2) över multiplikatorns spänningsingàng (U).

7. Multiplikator enligt krav 4, kännetecknad av att en induktansspole (L) är kopplad i serie med spänningsdelaren (R1, R1) över multiplikatorns spänningsingáng (U), och att en kondensa- tor (C6) är kopplad i serie med det tredje motståndet (R2) över multiplikatorns strömingàng (I).

8. Multiplikator enligt krav 4, kännetecknad av att en parallellkoppling av spänningsdelaren (R1, R1) och en första kon- densator (C7) är kopplad över multiplikatorns spänningsingàng (U) via ett seriemotstànd (R5) och att en andra kondensator (C8) är kopplad i serie med det tredje motståndet (R2) över multiplika- torns strömingàng (I).

9. Mätvärdesomvandlare för mätning av reaktiv effekt (ui.sinø) i trefassystem utan nollpunkt, omfattande multiplikato- rer enligt något av kraven 4-8, kännetecknad av att den innefat- tar tva multiplikatorer (5) som är kopplade till trefassystemet (R, S,

10. multiplikatorernas (5) utgångar är kopplade till en gemensam för- T) pà i och för sig känt sätt enligt 2-wattmetermetoden. Mätvärdesomvandlare enligt krav 9, kännetecknad av att stärkare (6) för signalanpassning.