DE2822484C3

DE2822484C3 - Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung und -überwachung

Info

Publication number: DE2822484C3
Application number: DE2822484A
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: 1981-02-19
Also published as: CA1096942A; DE2822484A1; FR2392390A1; US4096436A; FR2392390B1; GB1604199A; DE2822484B2; JPS627981B2; JPS53145682A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektri-

sehen Messung und Überwachung der in einer Last verbrauchten elektrischen Leistung, mit einem im Laststromkreis angeordneten Meßwiderstand, an dem ein dem Laststrom proportionales Signal abgreifbar ist mit einem der Last parallel geschalteten Meßwiderstand

<r> an dem ein der Lastspannung proportionales Signal abgreifbar ist, mit einer elektronischen Multiplizierschaltung zur Erzeugung eines Produktsignals aus den ihr zugeführten, dem Laststrom bzw. der Lastspannung proportionalen Signalen, und mit einer das Produktsi-

V) gnal verarbeitenden Auswertevorrichtung.

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 multipli

Vi zieren. Die Multiplikation muß zu jedem Zeitpunkt ausgeführt werden, wenn Wechselspannungen und Wechselströme ausgewertet werden. Die Umrechnung der von einer elektrischen Einrichtung verbrauchten Wirkleistung ist eine einfache mathematische Multipli-

Mi kation, die durch Zählen oder Verstärken erreicht wird. Wattmeter werden allgemein zur Bestimmung der in

elektrischen Lasten verbrauchten Leistung eingesetzt, beispielsweise bei großen Elektromotoren, Maschinen,

Werkzeugmaschinen und ähnlichen Geräten. Die

μ 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 beiden Spulen durch das elektromagnetishe 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 zr größeren Kosten größeren Anzeigefehlern und zur Einschränkung nur für Wechselstrommessungen führt. Ferner ist der Einsatz von Wattmetern nachteilig, weil extrem hohe Spannungen und Ströme an freiliegenden Instrumentenanschlüssen auftreten und eine Handhabung des Instruments während des Betriebs beispielsweise zur Umschaltung des Meßbereichs u. ä. deshalb sehr gefährlich sein kann. Ein weiterer Nachteil besteht in der physikalischen Größe der Wattmeter. Diese ist notwendigerweise durch die starken Stromspulen innerhalb des 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 Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung und -überwachung anzugeben, die bei kompakten und relativ billigen Aufbau universell in Gleichstrom- und Wechselstromsystemen eingesetzt werden kann und ohne umfangreiche. Hochspannung führende Teile arbeitet, so daß auch erhöhte Sicherheit für den Benutzer gegeben ist.

Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung eingangs genannter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausschließlich das dem Laststrom proportionale Signal, wie an sich bekannt, als modulierendes Signal einer mit einem Wechselsignal konstanter Frequenz gespeisten Modulationsschaltung zugeführt ist, deren Ausgangssignal das eine Eingangssignal der Multiplizierschaltung ist, daß das der Lastspannung proportionale Signal der Multiplizierschaltung als anderes Eingangssignal unmittelbar zugeführt ist und daß das Produktsignal, wie an sich bekannt, über einen Entkopplungsübertrager und eine Demodulatorschaltung auf die Auswertevorrichtung geführt ist Vorteilhafte Weiterbildungen, die geeignet sind, die Lösung der gestellten Aufgabe zu begünstigen, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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.

to 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, ermög licht

Durch Anwendung des Modulationsprinzips ergibt sich einerseits die Möglichkeit die Einrichtung universell für die Messung von Leistungen in Gleichstrom-, Einphasen- und Mehrphasensystemen einzusetzen, andererseits die Entkopplung von dem zu messenden

Stromkreis durch einen einfacl^'.i Übertrager zu

verwirklichen, dem die Demodulation schaltung dann nachgeordnet ist

Zwei Merkmale der Erfindung sind an sich durch die

US-PS 22 84 747 bekannt Diese betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Hochfrequenzleistung, die ein Hochfrequenzschwingkreis bzw. ein Hochfrequenzsender abgibt. Diese Schaltungsanordnung arbeitet nach dem Superhetprinzip, was bedeutet, daß in einer Mischstufe zwei Frequenzgemische gemischt werden, welche über zwei separate Kanäle zugeführt werden und sich jeweils aus einer Modulation eine dem Strom bzw. der Spannung proportionalen Signals mit einem Wechselsignal fester Frequenz ergeben. Am Ausgang der Mischstufe treten dann Seitenbandfrequenzen sowie eine Trägerfequenz auf, wobei die Seitenbänder Amplituden proportional dem Produkt aus Spannung und Strom haben. Bei diesem bekannten Prinzip handelt es sich um eine hochfrequen te Leistungsmessung unter Anwendung einer Signalver arbeitung, wie sie ausschließlich in der Hochfrequenztechnik sinnvoll durchführbar ist. Dieses Prinzip ist aber nicht geeignet in ein und derselben Schaltungsanordnung Gleichstromleistungen und Wechselst^romleistun- gen zu messen und auszuwerten, eine Forderung, die bei Anwendungsfällen von Wattmetern zur Messung der Leistung elektrischer Stromverbraucher aber gestellt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus dem

möglichen kompakten Aufbau und den relativ niedrigen Kosten beim Aufbau in integrierter Schaltungstechnik, verglichen mit großen, induktiven Galvanometergeräten und den in ihnen enthaltenen Stromspulen. Dies p.rm .glicht den Aufbau eines extrem kompakten Wattmetermoduls, der mit der elektrischen Last direkt verbunden sein ktnn und eine extrem schne'Je Anzeige liefert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Einrichtung, das sich für Dreiphasen-Ströme eignet, sind zwei der

bo vorstehend beschriebenen Wattmetermodule vorgesehen und elektrisch mit der Last verbunden, so daß sie unabhängig voneinander den Leistungsstrom und die Spannung an zwei Zweigen der Dreiphasen-Last messen. Die Ausgangssignale der beiden Wattmetermo-

b5 dule werden summiert und einer Filter- und Anzeigevorrichtung zugeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. la ein Blockdiagramm einer weiteren Einrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 eine Schaltungsanordnung für einen Watt- s metermodul,

Fig.3a ein der Multiplizierschaltung zugeführtes Spannungssignal,

Fig.3b ein der Multiplizierschaltung zugeführtes moduliertes Stromsignai, ι ο

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

F i g. 3d das modulierte Produkt- oder Leistungssignal der Multiplizierschaltung,

Fig.3e das demodulierte Ausgangssignal des Watt- η metermoduls,

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

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens einer Einrichtung nach der Erfindung gegenüber jo bisherigen Geräten.

In F i g. 1 ist ein Blockdiagramm einer Einrichtung 10 nach der Erfindung dargestellt. Diese Einrichtung umfaßt einen Wattmetermodul 12, eine Stromversorgung 14 und einen digitalen Anzeigenmodul 15. Die :ϊ Einrichtung 10 ist so geschaltet, daß sie die in einer elektrischen Last 16 verbrauchte Leistung berechnet und anzeigt. Die elektrische Speisespannung wird der Last 16 über Leistungen 18 zugeführt Im dargestellten Beispiel ist die Last 16 ein Einphasen-Wechselstrommo- jo tor. Die auszuwertene Leistung kann jedoch auch in jeder anderen elektrischen Last verbraucht werden. Ein Widerstand 20 ist mit der Last 16 in Reihe geschaltet. Der Widerstand 20 ist ein Hochstrom-Präzisionswiderstand, der den durch den Motor J6 oder eine andere π 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 nachgeuruiieien Γνίυίιιμίι-zierschaltung 24 nutzbaren Wert. Eine synchrone Modulatorstufe 26 ist zwischen dem Verstärker 22 und 4 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 Entkopplungstransforrnators 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 Gleichstrorpmessungen zu ermöglichen, um den Wirkungsgrad bei Wechselstrombetrieb zu optimieren und den Einsatz relativ kleiner, kompakter Entkopplungstransformatoren zu ermöglichen. Der synchrone Modulator 26 wird durch einen Oszillator 28 fiber einen Entkopplungstransformator 32 und eine leitungsseitige Stromversorgung 34 gesteuert Unter »Modulation« und »Demodulation« sollen im folgenden alle bekannten synchronen und asynchron arbeitenden Prinzipien verstanden werden. Die Anwendung einer synchronen Modulation und Demodulation im hier dagestellten 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 Funk'ion 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 durchgeführt 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 24 ein Signal, das zur diekten Zuführung an eine Auswertevorrichtung ungeeignet ist Deshalb ist der Entkopplungstransformator 30 vorgesehen, der eine Sperre gegenüber tier riuuiispniinuiig an uci Last ίο 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 V₀ einer Ausgangsschaltung 15 zugeführt, die eine dig-'ale Anzeige und wahlweise ein analoges Ausgangssignal liefert

Das Sychronisationssignal 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 Emphasen-Last 16 mit der Einrichtung 10 zu überwachen ist 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. Eine Digitalanzeige 46 ist lediglich ein Volt-Meter, das in Leistungseinheiten geeicht ist. Ein analoges Ausgangssignal wird zusätzlich über einen Ausgangsverstärker 48 abgegeben.

In Fig. la ist eine andere Ausführungsform der Erfindurv in Form einer Überwachungseinrichtung 50 dargestellt. Eine Quelle 52 speist eine induktive Dreiphasen-Last 54. Zwei Wattmetermodule 56 und 56' sowie MeOwiderstände 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_n und V₀' der beiden Module werden den Eingängen eines Summierverstärkers 58 zugeführt.

Qac Λιιςσαπσβΐίσηαΐ rtpc S'J!T!n?!?rV^ArE!ärk^ArS 59 ^V!fd

110 entsprechen der folgenden Beziehung, wobei die Anschlußnummern verwendet sind:

J£vii -

- Εχιι)

^Jll (AUSOl

10

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 Gegenkopplungswiderstand 124 des Verstärkers 126 bestimmt. Beide Widerstände liegen am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 126. Der nicht ini/nrljerenHe PjnrvancY lit ^Jab VnNiSi.LA-m IOC ic» m>»

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. la ist das Ausgangssignal des Summierverstärkers 58 eine Funktion der gesamten in der Last 54 verbrauchten Leistung. >>

In Fig.2 ist die Schaltung eines Wattmetermoduls dargestellt. Die Erdsymbole auf der linken Seite einer imaginären Linie durch die Entkopplungstransformatoren 100 und 102 bezeichnen Erd- bzw. Massepotential. Die auf der rechten Seite der Entkopplungstransformatoren '00 und 102 gezeigten Massepotentialpunkte entsprechen nicht genau dem Erdpotential, sondern stellen ein »erdfreies Massepotential« dar, das sich hinsichtlich seines absoluten Potentialwertes ändert, da es auf einer relativ hohen Speiseleitungsspannung für r> 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 lOOkOhm verbunden. Der Anschluß XIII ist ferner mit dem erdfreien Massepotential über einen Kondenator 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 yi Falle einer Eingangsspannungsüberhöhung.

Der Anschluß XIII der Multiplizierschatung 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 in 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 HO ist elektrisch mit dem - 15 Volt-Anschluß der Stromversorgung verbunden, während der Anschluß XIV elektrisch mit dein + 15 Volt-Anschluß der Stromversorgung verbunden ist Die Betriebseigenschaften der Muftiplizierschaltung 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 Frequenzgangkompensation für den Verstärker 126 bewirkt. Der Ausgangsanschluß Vi des Verstärkers 126 ist elektrisch mit den Anschlüssen IX und VII der Multiplizierschaltung 110 über einen Reihenwiderstand 132 bzw. 134 von 5,6 kOhm verbunden. Die Widerstände 132 und 134 dienen zur Strombegrenzung. Wird als Last 108 beispielsweise ein Einphasen-Wechselstrommotor für 60 Hz überwacht, so ist das Eingangssignal am Anschluß XIII des Verstärkers 110 ein Sinussignal von 60 Hz, wie es in F i g. 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 UO 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 Anschlösse IX und VII haben den in F i g. 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 Anschluß VII (Signalverlauf C) der Multiplizierschaltung UO. Obwohl die Multiplizierschaltung 110 am Anschluß VII ein positives Eingangssignal erhält wird dieses intern als Negativwert ausgewertet

Das Produktsignal der Multiplizierschaltung 110 ist in F i g. 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 Ohm zugeführt. Der andere Anschluß der Primärwicklung ist elektrisch mit dem erdfreien Massepotential verbunden. Des· Anschluß I der Multiplizierschaltung 110 ist mit dem Anschluß Il 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. 144 verbunden. Diese beiden Transistoren sind mit den Feldeffektransistoren 136 und 138 gleichartig . Die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren 142 und 144 sind mit

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Feldeffekttransistoren 142 und 144 sind ferner separat über Dioden 148 und 150 mit Erdpotential veruunden. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 102 dient zur Beschallung mit einer externen Ausgangsschaltung über ein Tiefpaßfilter, das aus einem Kondensator 152 von 0,2 mF und einem variablen Reihenwiderstand 154 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 Vestärkungseinstellung.

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. Dieser Inverter bildet mit seinen passiven Komponenten einen Schmitt-Trigger. Der Oszillator erhält seine Leistung aus einer Stromversorgung 162 von + 15VoIt, die über einen Filterkondensator 164 von 1OmF 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 Stromv:rsogung 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 Il des Inverters 156 ist elektrisch mit dem Eingangsanschluß XIII des Inverters 158 verbunden. Der Ausgangsanschluß Il 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 120kOhm verbunden. Der Eingangsanschluß I des Inverters 156 ist ferner mit Erdpotential über einen Kondensator 172 von 0,001 mF verbunden. De Widerstand 170 und der Kondensator 172 bilden ein ÄC-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 Eingangsan- > Schluß IX des Inverters 160 verbunden. Der Ausgangsanschluß XII des Inverters 158 ist ferner mit der Basis eines Transistors 174 über einen Widerstand 176 von 2,7 kOhm verbunden. Der Ausgangsanschluß VIII des Inverters 160 ist in ähnlicher Weise mit der Basis eines

in weiteren Transistors 178 über einen Widerstand 180 von 2,7 kOhm verbunden. 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

r> 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

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Transistors 174 zugeführt. Dieses Signal wird im Inverter 160 invertiert und dann der Basis des Transistors 178 zugeführt. Beide Transistoren werden abwechselnd leitend und nicht leitend gesteuert, wenn

2ϊ 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

κι 100 kOhm und eines Kondensators von 33 pF verbunden. Der Kollektor des Transistors 178 ist ähnlich mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 142 über die Parallelschaltung eines Widerstandes 186 von lOOkOhm und eines Kondensators 188 von 33 pF

r> 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

4(i in Durchlaßrichtung. Bei Normalbetrieb ist das Spannungssignal an der Sekundärwicklung des Entkopplungstransformators 102 ein Abbild des Signals D in F i g. 3 Wenn die Transistoren 174 und 178 abwechselnd leitend gesteuert werden, so werden die Feldeffekttran-

4·. sistoren 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-Entkopplungstransformators zurückzuführen

">» ist. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Entkopplungstransforators 102 ist somit immer positiv gegenüber dem Ende der Sekundärwicklung, das elektrisch mit dem zum jeweiligen Zeitpunkt leitenden Feldeffekttransistor 142 bzw. 144 »erbunden ist. Dis Ausgangssignal V₀ hat deshalb den in Fig.3 bei £ gezeigten Verlauf.

Die Sekundärwicklung des Leistungs-entkopplungstransformators 100 speist die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 136 und 138. Somit werden die

ho 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

6'i sind »Beschleunigungskapazitäten«, die eine ausgeprägtere und steilere Schaitwirkung hervorrufen. Die Enden der Sekundärwicklung des Leistungs-Entkopplungstransformators 100 speisen die Wechselstromeingänge

eine" Brückengleichrichters 190.

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-Elektroden der Feldeffekttransistoren 136 und 138 über Seriendioden 192 und 194 verbunden. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 136 und 138 sind ferner über Widerstände 196 und 198 von lOkOhm mit dem erdfreien Massepotential als Bezugspotential verbunden. Diese Widerstände liefern eine Bezugsspannung für die jeweilige Gate-Elektrode und stabilisieren die Schaltwirkung.

Wie bereit·; ausgeführt, werden bei abwechselndem Leitungs- und Sperrzustand der Transistoren 174 und 173 die Feldeffekttransistoren 136 und 138 gleichfalls

transistor 136 gesperrt, so ist der Feldeffekttransistor 138 leiten^. Somit ergibt ich 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 von 15 Volt. Diese Anschlüsse sind durch zwei in Reihe geschaltete Filterkondensatoren 200 und 202 von 0,22 μΡ überbrückt. Der Mittelabgriff diser 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. 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 entsprechen dem vollen Meßbereich. Die Spannung Vo 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 F i g. 1 gezeigte Einphasen-Wechselstromlast wird das Eingangssignal Vo 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 kO.'.m verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 222 ist mit dem Tiefpaßfilter 218 verbunden. Der Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers 222 enthält die Reihenschaltung eines Widerstandes 226 von lOkOhm und eines variablen Widerstandes 238 von 50 kOhm. Diese Kombination ist elektrisch einem Filterkondensator 230 von 0,47 rjiF parallelgeschaltet. Der Gegenkopplungszweig ist zwischen den Ausgang

in des Operationsverstärkers 222 und seinen invertierenden Eingang geschaltet. Ein zweiter Widerstand 232 von 10 kOhm ist gleichfalls mit dem invertierenden Eingang des Operationserstärkers 222 verbunden. Dieser Eingang, dem die Spannung V₀' zugeführt weden kann, ist

ι: nur für Dreiphasen-Leistungsmessung vorgesehen. In diesem Fall werden die additiv zusammengefaßten Signale Vo und Vo' dem filternden und summiererden Verstärker 216 zugeführt. Der Operationsverstärker dient auch zur Verstärkung des Eingangssignals mit

des Vollausschlags. Der filternde und summierende Verstärker 216 erhält das Ausgangssignal Vo des Wattmetermoduls und bewirkt dessen Mittelung. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 222 ist dann

2> ein Gleichstromsignal mit einer kleinen überlagerten Wechselkomponente. Da diese am Ausgang des Operationsverstärkers 222 auftrittt, wird dessen Ausgangssignal dem zweipoligen Tiefpaßfilter 218 zugeführt, um sie auszufiltem und die Anzeige konstant zu

jo 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. Der nicht invertierende

j-, Eingang des Operationsverstärkers 336 ist ferner mit Erdpotential über einen Kondensator 338 von 0,33 μΡ verbunden. Im Gegenkopplungszweig ist eine direkte Verbindung des Verstärkerausgangs mit seinem invertierenden Eingang vorgesehen. Zusätzlich sind der positive und der negative Eingang des 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 ein^m VoItmeter oder einer Digitalanzeige zugeführt ouer auch wahleise über einen Verstärker einem Analogsignalausgang zugeführt.

In Fig.5 ist das Ansprechverhalten der Einrichtung graphisch dargestellt. Es ist ein Ansteig 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 charakteristi-

sches Überschhießen 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 (V₀ bzw. V₀') 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 mearere elektrische Lasten innerhalb eines Gesamtkomplexes vorgesehen sind und eine periodische Überwachung jeder einzelnen Last auf ihren Leistungsverbrauch erforderlich ist

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

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur elektrischen Messung und Überwachung der in einer Last verbrauchten elektrischen Leistung, mit einem im Laststromkreis angeordneten Meßwiderstand, an dem ein dem Ladestrom proportionales Signal abgreifbar ist, mit einem der Last parallel geschalteten Meßwiderstand, an dem ein der Lastspannung proportionales Signal abgreifbar ist, mit einer elektronischen Multiplizierschaltung zur Erzeugung eines Produktsignals aus den ihr zugeführten, dem Laststrom bzw. der Lastspannung proportionalen Signalen, und mit einer das Produktsignal verarbeitenden Auswertevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich das dem Laststrom proportionale Signal, wie an sich bekannt, als modulierendes Signal einer mit einem Wechselsignal konstanter Frequenz gespeisten Modulationsschaltung (26) zugeführt ist, deren Ausgangssignal das eine Eingangssignal der Multiplizie«chaltung (24) ist, daß das der Lastspannung proportionale Signal der Multiplizierschaltung (24) als anderes Eingangssignal unmittelbar zugeführt ist und daß das Produktsignal, wie an sich bekannt, über einen Entkopplungsübertrager (30) Und eine Demodulatorschaltung (40) auf die Auswertevorrichtung (15) geführt ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (28) zur Abgabe des Wechselsignals konstanter Frequenz mit der Demodulationsschaltung (40) direkt und mit der Modulationsschaltung (26) über einen weiteren Entkopplungsübertrager (32): erbunc* .n ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Oszillator eir Rechtecksignalgenerator vorgesehen ist, der drei in Reihe geschaltete Inverter (1S6, 158, 160) aufweist, von denen einer (156) als /fC-Generator geschaltet ist, dem der Zweite (158) als Signalformer nachgeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Inverter (158) und der dritte Inverter (160) je einen Schalttransistor (174, 178) ansteuern und daß die Schalttransistoren (174, 1Γ8) die Primärwicklung des weiteren Entkopplungsübertragers (100) im Gegentakt speisen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung zwei gegensinnig durch das Wechtelsignal steuerbare Feldeffekt-Transistorschalter (136, 138) enthalt, die das Stromsignal abwechselnd Auf zwei gegensinnig gepolte Eingänge (VII, IX) der Multiplizierschaltung (110) schalten.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die D?modulaiionsschaltung zwei gegensinnig durch das Wechselsignal steuerbare Feldeffekt-Transistortchalter (142, 144) enthält, die nach Art eines Doppelweggleichrichters mit der Sekundärwicklung des ersten Entkopplungsübertragers (102) verbunden sind

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Gate-Elektroden der Feldeffekt-Transistorschalter (142, 144) je ein Parallel-ÄC-Glied (186, 188; 182, 184) vorgeschaltet ist, von denen die Kapazitäten (184· 188) ^als Beschleunigungskapazitäten dimensioniert sind.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-

gangsschaltung (22, 34, 36) einen Verstärker zur Verstärkung des Stromstgnals aufweist

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker ein gegengekoppelter Operationsverstärker (126) vorgesehen ist, der eine Frequenzgangkompensation (130) aufweist

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß die Eingangsschaltung (22,34, 36) einen der Last (16) parallelgeschalter ;n Spannungsteiler (34,36) als Meßwiderstand aufweist

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß eine in integrierter Technik aufgebaute Multiplizierschaltung (24) vorgesehen ist

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

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die Oberspannungs-Schutzschaltung (38) ein aus einem ÄC-Glied (112, 114) gebildetes Tiefpaßfilter ist

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Wechselsignal konstanter Frequenz hinter dem weiteren Entkopplungsübertrager (32) über eine Gleichrichtung (34) die Betriebsspannung für die vor dem ersten Entkopplungsübertrager (30) vorgesehenen Schaltungen (22,24,26) erzeugt