DD227531A1 - Messwandler zur messung von wechselstroemen und -spannungen - Google Patents

Abstract

Messwandler zur Messung von Wechselstroemen und -spannungen in Elektroenergieversorgungssystemen mit technisch einfachem Schaltungsaufbau, geringem Material- und Kostenaufwand zur Schadensverhuetung an Energieversorgungssystemen und zum Schutz des Menschen mit hinreichender Genauigkeit und Konstanz des Uebertragungsmasses sowie Signalisierung wandlerinterner Fehler und Ausfaelle durch Selbstkontrolle ohne Unterbrechung des Informationsflusses unter Verwendung von Lichtleitverbindungen bei Wegfall von Hilfswandlern, leistungsloser Gestaltung der Schnittstelle am Wandlerausgang, gekennzeichnet durch ein analoges Uebertragungssystem mit Licht als Informationstraeger, das als Kernstueck eine starke Gegenkopplung vom Systemausgang auf den Systemeingang beinhaltet und einen Informationsfluss zwischen Sende- und Empfangsgruppe in beiden Richtungen durch bidirektionale Uebertragung ueber einen Lichtleiter gewaehrleistet. Zur Messwerterfassung und Selbstkontrolle steht nicht wie bisher die Energieuebertragung, sondern die Informationsuebertragung im Vordergrund. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Meßwandler zur Messung von Wechselströmen und -spannungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Meßwandler zur Messung von Wechselströmen und -spannungen sowie zur Automatisierung der Energiesählung in Elektroenergieversorgungssystemen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es wurde gefunden der sogenannte Brückenwandler, bei dem zur Meßwerterfassung ein Trafo genutzt wird, der sich im geschlossenen Regelkreis befindet. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Beherrschung der Drift der eingesetzten Operationsverstärker, insbesondere wenn tiefe Grenzfrequenzen erforderlich sind, da bereits kleine Driftwerte der Ausgangsspannung den Hilfswandler sättigen. Außerdem sind die Gesamtkosten für Wandler dieser Art sehr hoch, da die Schnittstelle am Wandlerausgang für die üblichen hohen Leistungswerte der herkömmlichen, klassischen Wändlergeneration ausgelegt wurde, was insbesondere einen hohen Materialaufwand erfordert.

Eine zweite Form, sind Wandler, die zur Potentialtrennung und Informationsübertragung Lichtleitstrecken verwenden. Nachteilig wirkt sich bei diesem Prinzip die

Linearitäts- und Langaeitstabilisierung aus, die" durch den Einsatz von Lumineszensdioden (LEP), von denen mindestens zwei datengleich und gleich in ihrem Temperatur- und Alterungsverhalten sein müssen, erforderlich wird. Die Gewährleistung der Übereinstimmung der LED-Daten ist in der Praxis schwer realisierbar, woraus Meßungenauigkeiten resultieren (OS 2814716). Dieser Nachteil tritt auch auf, wenn die von der Sende-LED verzerrten Lichtsignale empfängerseitig entzerrt werden (PS 2839889, BRD). Die Anwendung einer Gegenkopplung auf der Senderseite schließt zwar Meßungenauigkeiten aus, ist aber entsprechend den Zuverlässigkeitsanforderungen beim Einsatz in EVS, nicht in der Lage, sich selbst zu kontrollieren ohne den Informationsfluß zu unterbrechen. Auch der Einsatz von LED im linearen Teil ihrer Lichtstrom -Plußspannungskennlinie hat sich als nachteilig erwiesen, weil einerseits die Meßungenauigkeit von der Temperatur abhängig ist und die LED eine Totzone im zu -übertragenden Strommeßbereich hervorruft, weil sie erst ab einer bestimmten Flußspannung Licht aussendet (OS 2700717)«

Es sind auch- Wandler bekannt, die zur Informationsübertragung ein quasianaloges Übertragungsverfahren (z. B, Pulsmodulation) anwenden. Hier ist der, durch den Impulsbetrieb hervorgerufene, hohe Eigenstrombedarf, der auf Hochspannungspotential liegenden LED-Ansteuerungsschaltung technisch und ökonomisch nachteilig. Außerdem begrenzt der zur Meßwerterfassung vorgeschaltete herkömmliche Spannungswandler die Meßgenauigkeit der gesamten Anordnung bedingt durch die, dem Trafo-Prinzip anhaftenden, Nachteile, wie Amplitudenfehler bei Überlast oder beim Auftreten τζοη Gleichgliedern und die ungenaue Wandlung der Amplituden- und Phasenlage von Netzharmonischen. Als bekannt ist weiterhin der Einsatz digitaler Übertragungssysteme zu nenn&Rf die sich zwar durch hohe Meßwertgenauigkeit ausziechnen, aber hinsichtlich ihres hohen

schaltungstechnischen sowie material- und energieintensiven Aufwandes für die Anwendung auf breiter Ebene als unökonomisch erwiesen.

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Meßwandlers zur Messung, vorzugsweise hoher Wechselströme und -Spannungen, der einen technisch einfachen Schaltungsauf bau aufweist, geringen Material- und Kostenaufwand erfordert zur Schadensverhütung an Energieversorgungs- " systemen (EVS) sowie zum Schutz von Menschenleben über eine hinreichende Genauigkeit und Konstanz des Übertragungsmaßes verfügt und die Signalisierung wandlerinterner Fehler und Ausfälle durch Selbstkontrolle- gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der'Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler zu schaffen, der über einen einfachen, material., sparenden schaltungstechnischen Aufbau, unter Verwendung von Lichtleitverbindungen bei Wegfall des Hilfswandlers und leistungsloser Gestaltung der Schnittstelle am Wandlerausgang verfügt und eine hohe Genauigkeit und Konstanz der Übertragungsfunktion, geringe Reaktionszeiten und geringe Fehler auch im Überlastbereich und bei Netzharmonischen sowie beim Auftreten bei Gleichgliedern, Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störstrahlung und eine Selbstkontrolle durch Signalisierung wandlerinterner Fehler oder Ausfälle, ohne Unterbrechung des Informationsflusses,' gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Signalübertragung über Lichtleiter, welche die Baugruppen eines analogen Übertragungssystems,

welches als Kernstück eine starke Gegenkopplung vom Systemausgang beinhaltet, miteinander verbindet, mittels Licht als Informationsträger, zwischen Sende- und Empfangsbaugruppe in beiden Richtungen ein 'Informations-, fluß gewährleistet ist, derart, daß jede der beiden Baugruppen zugleich Sende- und Empfangsfunktionen erfüllt, wobei die Meßwertübertragung durch Übertragung vom Sender auf Hochspannungspotential zum Empfänger auf Erdpotential und die Signalrückführung zur Systemgegenkopplung durch Übertragung vom Sender auf Srdpotential zum Empfänger auf Hochspannungspotential erfolgt und über Komparatoren die Signalisierung wandlerinterner Fehler oder Ausfälle gewährleistet ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt den dazugehörigen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Meßwandlers. Im Ausführungsbeispiel befindet sich die Baugruppe 1 auf Hochspannungspotential der Meßstelle. Die Baugruppe 1 ermöglicht, mittels eines leistungsarmen Meßwerterfassungsteils 11, eine Anpassung der Empfindlichkeit an die Belange der Strom- oder Spannungsmessung, Das Meßwerterfassungsteil 11 steuert einen nichtinvertierenden Operationsverstärker 12 an, der eine Sende LED 13 ansteuert, die ihr moduliertes Licht in den Lichtleiter 2 sendet. Um die LED 13 mit positiven und negativen Signalen modulieren zu können, wird mittels der Konstantstromeinspeisung 14 in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12, durch die LED 13 ein Vorstrom geschickt. Die Gegenkopplungsschleife der Schaltung wird über Fotodiode 15 geschlossen, die von der Baugruppe 3 über den Lichtleiter 2, in den. invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 speist. Die gesamte Baugruppe 1 wird aus einem gepufferten Stabilisierungsteil 16 gespeist, wel-

ches die Energie-der Hochspannungsseite des Meßwandlers in geeigneter Weise nutzt, ohne auf das Meßsignal wesentlich einzuwirken. Das von der LSD 13 in den Lichtleiter gesendete modulierte Licht trifft in Baugruppe 3 auf die Fotodiode 31 auf, die' daraus eine Spannung für den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 bereitstellt. Der Operationsverstärker 32 stellt zusammen mit der LED 33 und der Fotodiode 34 einen zweiten Regelkreis dar, dessen Regelgröße - der von der LED 33 ausgesandte Lichtstrom - in Abhängigkeit von der Führungsgröße U nachgeführt wird.

Zugleich sendet die LED 33 einen Teil des modulierten Lichtes in den Lichtleiter 2, um mit Auftreffen dieses Lichtes auf die Fotodiode 15 der Baugruppe 1 den Gesamtregelkreis der Übertragungsstruktur zu schließen. Dieser Regelkreis verhält sich, bezüglich der Ausgangspannung U des Meßwandlers ebenfalls wie ein Führungsregler, wobei die Führungsgröße vom Meßwerterfassungsteil 11 geliefert wird und damit der eigentlichen Meßgröße proportional ist. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers ist an der Fotodiode 31 abnehmbar. Die beschriebenen zwei Regelkreise bilden eine gegengekoppelte Übertragungsstruktur, die eine hohe zeitliche und thermische Konstanz der Übertragungsfunktion bei vernachlässigbar kleinen Phasen- und Amplitudenfehlern ermöglicht. Voraussetzung ist eine gute Entkopplung der unterschiedlichen Übertragungsrichtungen im Lichtleiter 2, die mittels herkömmlicher, geeigneter Richtungsweichen oder mit Licht verschiedener Wellenlängen für beide Übertragungsrichtungen verwirklicht werden kann. Durch das Zusammenwirken der mehrfach gegengekoppelten Übertragungsstruktur mit der Baugruppe 4 ist die Meldung von Wandlerdefekten möglich. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß die Differenzausgangsspannung eines gegengekoppelten Operationsverstärkers immer annähernd gleich Null sein muß. Aus dem. Vorhandensein einer von Hull verschiedenen Differenzeingangsspannung des Opera-

tionsVerstärkers 32 kann auf einen nicht funktionsfähigen Operationsverstärker und/oder eine unterbrochene Rückführung geschlossen werden. Dieser Zustand wird vom Komparator 41 mit nachfolgender Anzeige 42, die die Aussage einer defekten Baugruppe 3 beinhaltet, signalisiert. Der Schluß auf einen v/andlerfehler ist auch dann zulässig, wenn der Wert der Ausgangsspannung U für längere Zeit ^* 1 ms = 0, oder = einem bestimmten Maximalwert ist. Im ersten Pail regt der Komparator 43 über ein entsprechendes Zeitglied die Anzeige 44 an, die die Aussage eines unterbrochenen Lichtleiters 2 und/oder einer defekten Baugruppe 1 enthält. Der Komparator 45, der über ein Zeitglied die Anzeige 46 anregt beinhaltet nur die Aussage über eine defekte Baugruppe 1, nämlich für den Fall, daß die Ausgangsspannung U des Meßwandlers für bestimmte Zeit gleich einem Maximalwert ist. In diesem Pail liegt eine Verschiebung des Arbeitspunktes der LED 13 vor, was zur Polge hat, daß die Baugruppe 1 nicht funktionstüchtig ist, der Lichtleiter 2 jedoch nicht übertragen kann. Die Baugruppe 4 ist außerdem so geschaltet, daß jede Anregung der Anzeigen 42, 44 und 46 ein Signal an einen übergeordneten Steuerteil über eine Baugruppe 47 auslösen kann mit dem ein Wandlerdefekt gemeldet wird. Die Meßwerterfassungsteile können von leerlaufenden kapazitiven Spannungsteilern oder Leiterstücken definierter Länge unter Ausnutzung des Spannungsabfalls gebildet werden, die mittels Elektrometerverstärkerrabschließbar sind. Ebenso kann zur Stromerfassung eine Rogowskispule mit nachfolgendem Integrationsverstärker verwendet werden. Durch die einfache Schaltungstechnik ist der Eigenverbrauch der Baugruppe. auf Hochspannungspotential an Hilfsenergie sehr klein gegenüber vergleichbaren digitalen Übertragungssystemen, was auch in niedrigen Materialkosten seinen Ausdruck findet. Als mögliche Quelle zur Bereitstellung von Hilfsenergie auf Hochspannungspotential wird die Energie der Hochspannungs.seite angesehen, die

aus Sättigungswandlern gewonnen und mittels gepufferter Stabilisierungsteile unterbrechungsfrei als Konstantspannung zur Verfügung steht.

Claims (7)

1. Erfindungsanspruch

   1. Meßwandler zur Messung von Wechselströmen und -spannungen unter Verwendung von Lichtleitern als Kopplungselement zwischen örtlich getrennten Baugruppen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Signalübertragung über einen Lichtleiter zwei Baugruppen eines analogen Übertragungssystems, vielches als Kernstück eine starke Gegenkopplung vom Systemausgang auf den Systeineingang beinhaltet, miteinander verbindet, in dem, mittels Licht als Informationsträger, zwischen Sende- und Empfangsbaugruppe in beiden Rich-

   , tungen gleichzeitig ein Informationsfluß gewährleistet ist, wobei die Meßwertübermittlung vom Sender auf Hochspannungspotential zum Empfänger auf Erdpotential und die Signalrückführung zur Systemgegenkopplung vom Sender auf Erdpotential zum Empfänger auf Hochspannungspotential erfolgt."
2. 2. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein bidirektionaler Signalfluß durch Einsatz von optischen Gabelkopplern oder durch Einsatz von Licht verschiedener Wellenlängen gewährleistet ist.
3. 3. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Baugruppe (1) einen Operationsverstärker (12) enthält, an dessen invertierendem Eingang eine, an den Lichtleiter (2) angekoppelte Fotodiode (15), der Aus-

   gang eines Meßwerterfassungsteils (11) sowie eine Stromquelle zur Einstellung des LED-Vorstromes angeschlossen sind und dessen Ausgang eine, an den Lichtleiter (2) angekoppelte LED (13) ansteuert.
4. 4. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zweite Baugruppe (3) einen Operationsverstärker (32) enthält, dessen Ausgang eine LED (33) ansteuert, die in den, die beiden Baugruppen (13) verbindenden, Lichtleiter (2) moduliertes Licht sendet, von dem ein Teil auf eine Fotodiode (34) gelangt, die an den invertierenden Eingang desselben Operationsverstärkers (32) geschaltet ist und dessen nichtinvertierender Eingang von einer zusätzlichen, an den Lichtleiter (2) angekoppelten, Fotodiode (31) ansteuerbar ist, die zugleich die Ausgangsspannung des gesamten Meßwandlers abgibt.
5. 5. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungsmeßwerterfassung durch einen, vom hochspannungsführenden Leiter gegen Erdpotential geschalteten, leerlaufenden, kapazitiven Spannungsteiler erfolgt.
6. 6. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die, elektromagnetisch unbeeinflußbare, Strommeßwerterfassung durch einen magnetischen Spannungsmesser, der den stromdurchflossenen Leiter vollständig umfaßt, erfolgt und ein stromproportionaler Spannungsabfall an einem stromdurchflossenen Leiterstück definierter Länge die Meßgröße bildet.
7. 7. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Energieversorgung, der Baugruppe auf Hochspannungspotential, aus Energie der Hochspannungsseite des Meßwandlers erfolgt, die beispielsweise aus

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   kombinierten Strom- und Spannungssättigungswandlern in Verbindung mit einem gepufferten Stabilisierungsteil entnehmbar ist.

   δ. Meßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus drei Komparatoren (41, 43, 45) bestehende Baugruppe (4)> die das Ausgangssignal mit verschiedenen definierten Pegelwerten sowohl zeitlich verzögert als auch unverzögert vergleicht und, dem jeweiligen Fehlerfall entsprechende, Signalisierung anregt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen