DE3527801A1

DE3527801A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur messung des wirkstroms und des blindstroms in einem elektrischen wechselstromnetz

Info

Publication number: DE3527801A1
Application number: DE19853527801
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Kern; Otmar Glaser
Original assignee: Frako Kondensatoren und Apparatebau GmbH
Current assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1985-08-02
Publication date: 1987-02-12
Also published as: DE3527801C2; EP0213344B1; JPS6234067A; US4814696A; EP0213344A1; ATE60141T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung des Wirkstroms und des Blindstroms in einem elektrischen Wechselstromnetz.

Von Elektrizitätsversorgungsunternehmen wird die Belastung des elektrischen Wechselstromnetzes durch Verbraucher mit Blindstrom ab einer bestimmten Menge in Rechnung gestellt. Dies deswegen, da Blindströme die elektrischen Leitungen belasten. Somit wird das Messen des Blindstromanteils notwendig. In vielen Fällen wird die gleichzeitige Erfassung des Wirkstromanteils ebenfalls erforderlich, um aus diesen beiden Stromanteilen den Leistungsfaktor cos ϕ zu ermitteln.

Darüber hinaus müssen auch Schaltungsanordnungen für die Blindleistungskompensation Messeinrichtungen besitzen, mit welchen der Leistungsfaktor oder der Blindstrom und damit über die zugehörige Netzspannung die Blindleistung ermittel werden kann.

Meßgeräte zur Erfassung des Wirkstroms, Blindstroms sowie des Leistungsfaktors cos ϕ sind bekannt. In dem Buch Meßgleichrichter, Verlag G. Braun, Karlsruhe 1963, Seite 90 und 91, ist ein solches Meßgerät beschrieben, auch das Prinzipschaltbild wird gezeigt. Beim Messen des Blindstroms muß ein Potentiometer so eingestellt werden, daß der Zeigerausschlag ein Minimum wird, erst dann kann an der Analoganzeige die Blindstromkomponente I _b abgelesen werden.

In dem Handbuch Elektrische und Wärmetechnische Messungen von Hartmann und Braun, 11. Auflage, 1963, Seite 100, wird gezeigt, wie der Blindstrom und Wirkstrom mittels eines Vielfachinstrumentes gemessen wird. Auch hier muß mit einem Potentiometer der Zeigerausschlag auf einen Kleinstwert gestellt werden.

In dem Buch Wechselstrommeßtechnik von F. Koppelmann 1956, Seite 36 bis 38 wird eine Möglichkeit gezeigt, mit einem Meßkontakt die Wirk- und Blindkomponenten zu messen. Dabei ist der Meßbereich auf den Nulldurchgang derjenigen Komponente einzustellen, die gemessen werden soll. Der Meßwert wird in einem Zeigerinstrument ermittelt und angezeigt. Um den Fehler möglichst klein zu halten, ist neben der Laufzeit auch die Lage der Kontaktphase besonders wichtig. Letzteres ist aus meßtechnischen Gründen und auch wegen der meist vorhandenen starken Überlagerungen der Komponenten nur äußerst schwierig mit der notwendigen Genauigkeit einzustellen. So gehen bei der Verwendung von Halbleiterdioden zur Ermittlung der Kontaktphase die Flußspannungen von diesen Dioden und Temperatureinflüssen auf den Halbleiterübergang besonders nachteilig in die Meßgenauigkeit ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung des Wirkstroms und des Blindstroms in einem elektrischen Wechselstromnetz anzugeben, wobei sich das Verfahren besonders eignet für den Einsatz eines Mikroprozessors, weiter nur ein geringer Bauelementeaufwand notwendig ist und daß eine 90°C-Phasendrehung in der Meßschaltung nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung unter Schutz gestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung sind durch den geringen Bauelementeaufwand äußerst kostengünstig bei gleichzeitig hoher Genauigkeit des Meßergebnisses, Gleichspannungsanteile wie die Offsetspannungen von Operationsverstärkern werden automatisch unterdrückt und es werden keine Bauteile für eine 90°C-Phasendrehung erforderlich.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 4 an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. An die Eingangsanschlüsse 2,3 des Spannungswandlers 1 wird die Netzspannung angeschlossen. Bei einem Drehstromnetz werden dabei die Phasenanschlüsse L 2 und L 3 belegt. Bei dem Spannungswandler 1 ist es möglich, einen für die Versorgung der ganzen Schaltungsanordnung schon vorhandenen Transformator mitzubenutzen. Weiter ist es auch möglich, als Spannungswandler einen Optokoppler einzusetzen. Der Ausgang 4 des Spannungswandlers 1 wird einem Tiefpaßfilter 5 zugeführt, dem der Komparator 6 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal 7 des Komparators 6 wird dem Mikroprozessor 8 zugeführt. Bei dem Ausgangssignal 7 handelt es sich um ein Rechtecksignal, bei welchem lediglich eine der beiden sich periodisch wiederholenden Schaltflanken zur weiteren Verarbeitung genutzt wird, im gezeigten Beispiel ist es die positive Schaltflanke. Diese Schaltflanke dient zur Synchronisierung. Weiter wird in Abständen mittels dieses Signals die exakte Netzfrequenz ermittelt und gegebenenfalls dort, wo Frequenzabweichungen sich auf das Meßergebnis fehlerhaft auswirken können, mit kompensierenden Korrekturen eingegriffen.

Mit 9 und 10 sind die Primäranschlüsse des Stromwandlers 11 bezeichnet. Möglich ist hier auch der Einsatz eines Strommeßwiderstandes, wobei der einfachen Anordnung dann der Nachteil der Potentialgebundenheit gegenübersteht. Bei einem Drehstromnetz wird der Stromwandler vorzugsweise in die Phase L 1 gelegt. Der Ausgang 12 des Stromwandlers 11 wird dem Tiefpaßfilter 13 zugeführt, welches demjenigen im Spannungspfad identisch ist. Damit ist gewährleistet, daß bei verschiedenen Netzfrequenzen die Phasenverschiebungen im Spannungspfad und im Strompfad gleich sind. Der Ausgang 14 des Tiefpaßfilters 13 ist an den einen Eingang 15 des Summationsintegrators 16 angeschlossen. An den zweiten Eingang 17 des Summationsintegrators ist der Ausgang 18 des Mikroprozessors 8 gelegt, wobei der Inverter 19 zwischengeschaltet ist. Der Summationsintegrator 16 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut mit dem Operationsverstärker 20, dem Integrationskondensator 21 sowie den beiden gleichen ohmschen Widerständen 22 und 23. An den Ausgang 24 des Summationsintegrators 16 ist der negierende Schmitttrigger 25 angeschlossen, dessen Signal dem Eingang 26 des Mikroprozessors 8 zugeführt wird. Der Summationsintegrator 16, der Schmitttriger 25 sowie der Inverter 19 bilden unter Zusammenwirkung mit dem Mikroprozessor 8 den Analog- Digital-Wandler 27. An den Mikroprozessor 8 sind über die nur symbolisch dargestellten Ausgänge 28 beispielsweise Treiber für 7-Segment-LED-Anzeigen angeschlossen, welche je nach Programmabfrage den Wirkstrom, den Blindstrom oder auch den Leistungsfaktor cos ϕ anzeigen. Die Werte selbst werden nach den erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt. Die Aufforderung zur entsprechenden Signalisierung erfolgt über nicht dargestellte Eingänge des Mikroprozessors, an welche Tasten zur Eingabe angeschlossen sind. Weiter ist es auch möglich, die ermittelten Werte Blindstrom und Leistungsfaktor in einer Regelschaltung zur Blindleistungskompensation zu nutzen. Auf eine konkrete Darstellung dieser Schaltungsteile wird verzichtet, da sie zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf u (t) = û · sin (ω t). Mit û ist der Spannungsscheitelwert und mit ω die Netzfrequenz bezeichnet. Die Netzfrequenz berechnet sich mit ω = 2Π/T, wobei T die Netzperiode ist. Weiter wird der Stromverlauf i (t) = · sin (ω + ϕ) gezeigt und zwar hier voreilend, was einer kapazitiven Belastung entspricht. Nacheilender Strom würde einer induktiven Belastung entsprechen. Mit ist der Stromscheitelwert bezeichnet. ϕ stellt den Winkel der Phasenversiebung von Strom und Spannung dar. Für den Wirkstrom, den Blindstrom und den Leistungsfaktor gelten folgende Gesetzmäßigkeiten.

Diese bekannten Zusammenhänge seien der Beschreibung des Verfahrens selbst vorangestellt.

Fig. 3 zeigt den Stromwandler 11 und das Tiefpaßfilter 13 nach Fig. 1 in konkretem Aufbau. Mit 9, 10 sind die primärseitigen Eingänge bezeichnet, am Ausgang 14 steht eine dem Eingangsstrom proportionale Spannung
u _i (t) = m _i · · sin (ω t + d) + U _io an.

Eine Phasenverschiebung des Tiefpaßfilters braucht in diese Berechnung nicht weiter einbezogen zu werden, weil im Spannungspfad hier ein gleich dimensioniertes Filter eingesetzt ist, womit sich diese Phasenverschiebung kompensiert. m _i = Δ u _i/Δ i ist die Umformerkonstante des Stromwandlers, U _io ist ein Gleichspannungsanteil, welcher beispielsweise von der Offsetspannung des Operationsverstärkers 28 herrühren kann. Vorteilhaft wird die Schaltungsanordnung so dimensioniert, daß der Gleichspannungsanteil auf die Hälfte der Versorgungsspannung für den Operationsverstärker 28 angehoben wird, womit sich eine negative Versorgungsspannung für den Operationsverstärker 28 erübrigt. Dies ist auch für die übrige Schaltung besonders günstig. Wie sich später zeigt, wird das Ergebnis des Verfahrens durch diesen Gleichspannungsanteil nicht verfälscht.

Fig. 4 zeigt den Spannungsverlauf u _i (t) am Ausgang 14 des Operationsverstärkers 28. Der schon beschriebene Gleichspannungsanteil U _io ist ebenfalls eingezeichnet. Vom Spannungssignal u(t) wird zu einem beliebigen Zeitpunkt t ₁ ein Synchronisiersignal abgeleitet, welches in Fig. 1 durch die positive Schaltflanke des Signals am Ausgang des Komparators 7 dargestellt ist. Ab diesem Zeitpunkt werden mittels des Mikroprozessors 28 vier Integrationen des Signals u _i (t) von je 1/4 der Periodendauer T durchgeführt. Die Integrale sind mit A ₁, A ₂, A ₃ und A ₄ bezeichnet.

Hieraus berechnet sich das Integral

Für die Integrale A ₃ und A ₄ gilt:

Aus diesen vier Integralen werden die zwei Ausdrücke

Nach Einsetzen und berechnen mit den zuvor angegebenen Intergralwerten wird

Wird nun beispielsweise ω t ₁ = Π/2 = l T/4, also t ₁ = T/4 gesetzt, was sich im dargestellten Schaltungsbeispiel durch den Anschluß des Spannungswandlers 1 an die Phasenanschlüsse L 2, L 3 und des Stromwandlers 11 in Phase L 1 zwangsläufig ergibt, so wird hierfür speziell

Gemäß den anfangs beschriebenen Gesetzmäßigkeiten ist

Eingesetzt in die Ausdrücke B ₁ und B ₂ ergibt sich

Es ist zu erkennen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Ausdrücke B ₁ und B ₂ bis auf die konstanten Faktoren 4 m _i/ω die Blind- und Wirkstromanteile getrennt darstellen. Weiter ist zu erkennen, daß der Gleichspannungsanteil U _io herausgefallen ist und somit auf das Ergebnis keinen Einfluß hat. Die ermittelten Blind- und Wirkstromanteile können getrennt mit Hilfe von Anzeigeelementen angezeigt werden. Weiter ist es möglich, mittels einer Berechnung durch den Mikroprozessor den Leistungsfaktor cos ϕ zu bestimmen und hernach ebenfalls anzuzeigen.

Nachstehend sind die einzelnen Schritte zur Ermittlung der Blind- und Wirkströme sowie des Leistungsfaktors zusammenfassend aufgelistet.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem Wechselstromnetz mit einer Betriebsfrequenz von 50 Hz die Wiederholung dieser Schritte nach 100 msek ausreichend ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen äußerst einfachen Schaltungsaufwand und schließt nachteilige Auswirkungen von Gleichspannungsanteilen von Operationsverstärkern aus. Die ermittelten Meßwerte weisen eine hohe Genauigkeit auf. Bei der Herleitung der Ausdrücke B ₁ für den Blindstromanteil und B ₂ für den Wirkstromanteil wurde auf Oberwelleneinflüsse nicht eingegangen, weil sich zeigte, daß diese durch die Tiefpaßfilter (5, 13) genügend gedämpft sind.

Claims

1. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Wirkstroms und des Blindstroms in einem elektrischen Wechselstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Netzstrom proportionales Signal (12, 14) gebildet wird und weiter ein dem Netzspannungsverlauf entsprechendes Signal (4, 7) mit der Periodendauer T gebildet wird und daß das dem Netzstrom proportionale Signale in vier gleich großen Zeitabschnitten (T/4) so integriert wird, daß vier auf den Netzspannungsverlauf zeitlich bezogene Integralwerte (A ₁, A ₂, A ₄) gebildet werden und daß mittels dieser vier Integralwerte der Blindstrom und der Wirkstrom ermittelt wird.

2. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Drehstromnetz das dem Netzstrom proportionale Signal (12, 14) von der Phase L 1 abgeleitet wird und daß das dem Netzspannungsverlauf entsprechende Signal von den Phasen L 2 und L 3 abgeleitet wird und daß die vier Integralwerte (A ₁, A ₂, A ₃, A ₄) für die Blindstromermittlung gemäß der Beziehung B ₁ = -A ₁ -A ₂ +A ₃+ A ₄ und für die Wirkstromermittlung gemäß der Beziehungen B ₂ = +A ₁- A ₂ -A ₃ +A ₄ rechnerisch verknüpft werden.

3. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einphasennetz das dem Netzstrom proportionale Signal und das dem Netzspannungsverlauf entsprechende Signal aus derselben Phase abgeleitet wird und daß die vier Integralwerte (A ₁, A ₂, A ₃, A ₄) für die Blindstromermittlung gemäß der Beziehung B ₁ = -A ₁ +A ₂ +A ₃-A ₄ und für die Wirkstromermittlung gemäß der Beziehung B ₂ = -A ₁ -A ₂ +A ₃ +A ₄ rechnerisch verknüpft werden.

4. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der vier Integrale (A ₁, A ₂, A ₃, A ₄) mit einer Schaltung (27) durchgeführt wird, welche neben der Integration gleichzeitig die Analog-Digital- Wandlung ermöglicht.

5. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration und die Wandlung der Analogwerte in Digitalwerte (27) mittels des Ladungsausgleichsverfahrens durchgeführt wird.

6. Verfahren und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Blindstroms und des Wirkstroms mittels eines Mikroprozessors (8) erfolgt.

7. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Mikroprozessors (8) aus den Werten Blindstrom und Wirkstrom gleichzeitig der Leistungsfaktor errechnet wird.

8. Verfahren und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung (2, 3) der Reihenschaltung eines Spannungswandlers (1), eines Tiefpaßfilters (5) und eines Komparators (6) zugeführt wird und daß aus diesem Signal (7) mittels des Mikroprozessors (8) die Netzfrequenz und damit die Periodendauer (T) fortlaufend berechnet wird.

9. Verfahren und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Spannungswandler (1) nachgeschaltete Tiefpaßfilter (5) und das dem Stromwandler (11) nachgeschaltete Tiefpaßfilter (13) identisch gleich dimensioniert sind.