DE2450252C2

DE2450252C2 - Schaltungsanordnung für die energieflußabhängige Umschaltung bei einem Elektrizitätszähler

Info

Publication number: DE2450252C2
Application number: DE19742450252
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. 3250 Hameln Tschumpel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1982-07-01
Also published as: CH604180A5; DE2450252A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für die energieflußabhängige Umschaltung zwischen zwei durch elektrische Zählimpulse foi 'geschalteten Zählwerken eines die bezogene und gelieferte elektrische Arbeit getrennt registrierenden Elektrizitätszählers mit zwei UND-Gattern, von denen je eines in Torschaltung im Zählimpuls-Stromkreis eines Zählwerkes liegt, und mit einer bistabilen Kippschaltung, über deren Ausgänge die Gatter wechselseitig energieflußabhängig umgesteuert werden.

Um Kraftwerke und Übertragungsanlagen betriebssicher und wirtschaftlich zu nutzen, sind die Elektrizitätsnetze großer Wirtschaftsräume zu einem Versorgungssystem zusammengeschlossen und werden im Verbund betrieben. An den Energieübergabestellen zwischen den einzelnen Netzen muß daher die elektrische Energie nicht nur mit hoher Präzision gemessen werden, sondern sie muß auch abhängig davon, ob es sich um gelieferte odisr bezogene Energie handelt, getrennt registriert werden. Unter diesen Gesichtspunkten war es bisher allgeioein erforderlich, zwei Geräte bzw. Meßsysteme der bekannten Elektrizitätszähler nach dem Induktionsprinzip einzusetzen.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen Elektrizitätszähler bekannt (DE-AS 2128 883), mittels der die Energiemenge in beiden Energieflußriclnungen mit nur einem Meßwerk gemessen werden kann. Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Ausgangsgröße eines das Produkt aus Strom und Spannung bildenden Multiplikators in eine Impulsfolge gleicher Wertigkeit umgewandelt. Diese wird über einen Integrator mit mindestens vier angeschlossenen Grenzwertstufen geführt, denen Kippstufen und Logikgatter nachgeschaltet sind. Der Integrator hat die Eigenschaft, bei einem Eingangssignal von Null, d. h. wenn die Meßgröße Null ist, zu driften, bis die Schaltung blockiert wird. Nachteilig ist die für eine Abhilfe erforderliche zusätzliche logisch gesteuerte Kompensationsschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den vorerwähnten Zweck eine möglichst einfache elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen und dabei die bekannte Anordnung dahingehend zu verbessern, daß unter Beibehaltung nur einer Meßeinrichtung sich keine besonderen Anforderungen an die Qualität der Bauelemente stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bistabile Kippschaltung als D-Flip-Flop ausgebildet ist, das durch eine Nadel-Impulsfolge getaktet ist, die aus der Verbraucherspannung jeweils bei einem der beiden Nulldurchgänge dieser Spannung hergeleitet ist, und daß der Dateneingang dieses Flip-Flops von einer Pulsspannung gespeist ist, die aus dem Verbraucherstrom hergeleitet, nachfolgend differenziert und anschließend in eine Rerhteck-Pulsspannung umgeformt ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Schaltungsanordnung verhältnismäßig einfach aufgebaut ist und als Richtungslogil; für die beiden Energieflußrichtungen sowohl bei Elektrizitätszählern mit elektronischem MeDwerk als mich mit Ferraris-Meßwerk verwendet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen

der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert

Es zeigt

Fig. 1 die Schaltungsanordnung für die energieflußabhängige Umschaltung ic Verbindung mit dem Prinzip eines elektronischen Elektrizitätszählers und

Fig.2 verschiedene Diagramme mit dem zeitlichen Verlauf der beiden Meßgrößen Verbraucherspannung und Verbraucherstrom bei Lieferung sowie Bezug für verschiedene Lastfälle und die zugeordneten Signalkurven an verschiedenen Stufen der Schaltungsanordnung.

In dem Blockschaltbild nach F i g. 1 stellen die beiden Eingangsgrößen U und / die Meßgrößen der Verbraucherspannung bzw. des Verbraucherstromes dar. Diest v/erden zunächst über Anpassungsglieder 1 und 2, welche z. B. Meßwandler sein können, auf eine Leistungsmeßeinrichtung 3 geführt, an deren Ausgang Impulse auftreten, deren Frequenz proportional der elektrischen Leistung der Meßgrößen ist. Von der Leistungsmeßeinrichtung gelangen die Impulse auf zwei UND-Gatter 4 und 5, wobei die impulse das UND-Gatter 4 passieren sollen, wenn Energie bezogen wird und umgekehrt das Gatter 5, wenn Energie geliefert wird, dam^:* die Impulse in getrennte Zählwerke £bzw. Feinzählbar sind. Damit die Impulse nun je nach Energieflußrichtung entweder das Gatter 4 oder 5 passieren, werden die Eingangsgröße Uam Punkt A und die Eingangsgröße /am Punkt Bspätestens hinter den Anpassungsgliedern abgezweigt. Vom Punkt A wird üie abgezweigte Eingangsgröße Uauf einen Komparator 6 geführt, dessen Ausgang über ein Differenzierglied 7 und eine Diode 12 auf den Takteingang einer als D-Flip-Flop ausgebildeten bistabilen Kippschaltung 8 einwirkt. Die Eingangsgröße / wird vom Punkt B auf einen Differentiator 9 geführt, an dessen Ausgang ein Komparator 10 angeschlossen ist Dieser bereitet durch seinen A'isgang die Kippschaltung 8 am Dateneingang D vor, so daß die jeweils mit dem zweiten Eingang der UND-Gatter 4 bzw. 5 verbundenen Ausgänge Q und Q der Kippschaltung die UND-Gatter entsprechend der jeweiligen Energieflußrichtung freigegeben können. Die Ansprechwelle des Komparator 10 kann mittels eines Potentiometers 11 verändert werden, so daß die Phasendrehung des Differentiators 9 kompensierbar ist. Der Differentiator 9 kann zusätzlich mit einem ohmschen Eingangswiderstand bedämpft werden, und zur Erhöhung seines Eingangswiderstandes kann ihm ein Impedanzwandler vorgeschaltet sein.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung geht von dem Kriterium aus, daß während des Nulldurchganges der zeitlich veränderlichen Meßgröße Spannung u(t) bei einem Wechsel von negativen zu positiven Werten der Differentialquotient di/dt der zeitlich veränderlichen Meßgröße Strom i(t) bei der einen EnergiefluD-richtung, beispielsweise bei »Lieferung« positiv oder gleich Null ist; das heißt d/7d<ä0. Für die entgegengesetzte Energiefiußrichtung ist dagegen der Differentialquotient d//df zeitlich veränderlichen Meßgröße Strom i(t) entsprechend »Bezug« negativ oder gleich Null, das heißt d;/diS0. Diese Zusammenhänge sind in den Diagrammen nach F i g. 2a bis 2c näher erläutert.

Die Fig. 2a .teigt hierbei den zeitlichen Verlauf der Meßgrößen für den Fall »Lieferung«, wobei neben drr Kurve für die Spanm -'.g υ zwei Kurven der Meßgröße i, und zwar für einen kapazitiven Lastfall />*,,, sowie für einen induktiven Lastfall innd, dargestellt sind. In F i g. 2b sind die Zusammenhänge des zeitlichen Verlaufes von Spannung und Strom für die Energieflußrichtung »Bezug« ebenfalls für einen kapazitiven und einen induktiven Lastfall dargestellt In Fig.2c ist der zeitliche Verlauf der Differentialquotienten d;7df der beiden induktiven Lastfälle der Meßgröße Strom n&eh F i g. 2a entsprechend »Lieferung« und F i g. 2b entsprechend »Bezug« aufgetragen, es sind die Kurven

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für induktive »Lieferung« und

für induktiven »Bezug« dargestellt, wobei das negative Vorzeichen durch den Betrieb des Differentiators 9 als invertierender Differentiator bedingt ist. Durch die entsprechende Wahl der Eingänge des nachgeschalteten Komparator 10 ^der durch die Zuordnung der Ausgänge Q und Q der Kippstufe 8 zu den UND-Gattern 4 und 5 läßt sich das negative Vorzeichen wieder aufheben. In Fig. 2d sind für den Fall »Lieferung« Fund in F i g. 2e für den Fall »Bezug« Fdie Rechteckimpulse aufgezeigt, die am Komparator 10 für die Kurven nach F i g. 2c auftreten, sowie die Nadelimpulse am Ausgang des Differenziergliedes 7 beim Nulldurchgang der Spannung von negativen zu positiven Werten.

Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen, wobei die Funktion der diskreten Schaltungsteile als bekannt vorausgesetzt werden kann:

Wechselt die Meßgröße (u(t) von negativen zu positiven Werten (F i g. 2a, 2b), so spricht der Komparator 6 im Nulldurchgang an und erzeugt an seinem Ausgang einen positiven Rechteckimpuls, der im nachfolgenden Nulldurchgang wieder beendet wird. Reim weiteren Nulldurchgang wechselt die Spannung wieder von negativen zu positiven Werten, so daß der Komparator 6 wiederum von L (Low) — Potential auf H (High) — Potential springt. Die Rechteckimpulse am Ausgang des Komparators 6 v. srden durch das Differenzierglied 7, das im einfachsten Fall aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, differenziert. Hierdurch entstehen Nadelimpulse, von denen lediglich die positiven, d. h. die während der LH-Flanken der Rechteckimpulse entstehenden Nadelimpulse (F i g. 2d, 2e) über die Diode 12 auf den Takteingang der bistabilen Kippschaltung 8 gelangen. Die Dauci' der Nadelimpulse wird dabei so klein gewählt, wie es die verwendete Logikfamilie der bistabilen Kippschaltung 8 erlaubt, wodurch bei den vorhandenen Techniken auch extremste Phasenlagen der Meßgrößen U und / zueinander auftreten dürfen.

Die bistabile Kippschaltung 8 hat außerdem einen Dateneingang D. Bei jedem Nadelimpuls, der von der Diode auf den Takteingang gelangt, wird die am Dateneingang anstehende Information in den Q-Ausgang der Kippstufe 8 übernommen. Hat sich die Information auf den Dateneingang seit dem vorhergehenden Nadelimpuls nicht verändert, so bjeibt auch der logische Zustanu der Ausgänge Q und Q unverändert. Dies bedeutet, im Fall eines L-Signals am Dateneingang während des Nadelimpulses auf den Takteingang führt Ausgang ζ) ebenfalls L-Signal, während der Ausgang Q dann Η-Signal führt. Für die am Ausgang C der

Leistungsmeßeinrichtung 3 auftretenden Impulse ist damit das mit dem Ausgang Q verbundene UND-Gatter 4 gesperrt, während sie das mit dem Ausgang Q verbundene UND-Gatter 5 passieren können und auf den Ausgang Ffür gelieferte Energie gelangen.

Es ist also Voraussetzung, daß bei Spannungsnulldurchgang von negativen zu positiven Werten bei »Lieferung«, gleichbedeutend mit Impulsen am Ausgang F, während des Nadelimpulses am Takteingang am Dateneingang der Kippschaltung 8 L-Signal ansteht, während bei »Bezug«, gleichbedeutend mil Impulsen am Ausgang F.. umgekehrt M-Signal am Datencingang anstehen muß. Da nun bei Spannungsnulldurchgang von negativen zu positiven Werten bei gelieferter Inergic die Steigung der Meßgröße /positiv ist (F i g. 2a) und für den Fall bezogener Energie negativ (Fig. 2b). wird clic Meßgröße / auf einen invertierenden Differentiator 9 geführt, um die Meßgröße / nach der Zeit zu differenzieren (F i g 2c). Der nachgeschaltcte Komparator 10 gibt für negative Werte der differenziericn Größe -d//dr ein L.-Signal und für positive Werte dieser Große ein H-Signal ab und bereitet damit den Dateneingang Oder Kippschaltung 8 entsprechend vor. Diese Rechteckimpiilsdiagramme sind in der F ; g. 2d für gelieferte F.nergie und in Fig. 2e für bezogene Fnergie entsprechend den beiden Kurven

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nach F i g. 2c gezeigt.

Der Differentiator 9 ist so ausgelegt, daß er für die Frequenz der Meßgröße / eine minimale Phasendrehung aufgrund seines Phasenganges aufweist. Falls die Meßgrößen i/und /im Extremfall eine Phasenverschiebung von nahezu 90" haben, ist es möglich den geringen Fehlwinkel durch Veränderung der Ansprechschwelle des Komparators 10 mittels eines Potentiometers 11 zu kompensieren.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. I ist der Innenwiderstand der Quelle der Meßgröße / für den vorgenannten Anwendungsfall meist klein genug. Ist dies nicht gewährleistet, kann dem Differentiator 9 ein Impedanzwandler vorgeschaltet werden. Außerdem kann der Differentiator 9 erforderlichenfalls durch geringfügige Maßnahmen, z. B. mittels eines ohmschen Fingangswiderstandes und durch kapazitive Gegenkopplung gegen Rauschen bedämpft werden.

Als Kriterium für die Arbeitsweise der Schaltung ist es natürlich auch möglich, den Nulldurchgang der Meßgröße Spannung beim Wechsel von positiven zu negativen Werten zu wählen. Wie die I'i g. 2a bzw. 2b zeigen, ist dann d/ZdfSO bei gelieferter und d//d/äO bei bezogener Energie. Für diesen Fall werden lediglich die Eingänge der Komparatoren 6 bzw. 10 zur Erzeugung der Rechteckimpulse entsprechend gewählt.

Fs besteht weiterhin die Möglichkeit, die Richtung des Energieflusses zu erkennen, wenn die Punkte A und B in der Schaltungsanordnung nach Fig. I gegeneinander vertauscht werden. Die Arbeitsweise der Schaltung ist hierbei die gleiche, wie sie im Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Es wird lediglich der Wert di//df der Meßgröße u(t) während des Nulldurchganges der anderen Meßgröße i(t) von der Schaltungsanordnung festgestellt, so daß die Impulse von der Leistungsmeßeinrichtting 3 auf die entsprechenden UND-Glieder 4 und 5 gelieferte bzw. bezogene Energie gelangen.

HiL-izii Z Bhilt

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung für die energieflußabhängige Umschaltung zwischen zwei durch elektrische Zählimpulse fortgeschalteten Zählwerken eines die bezogene und gelieferte elektrische Arbeit getrennt registrierenden Elektrizitätszählers mit zwei UND-Gattern, von denen je eines in Torschaltung im Zählimpuls-Stromkreis eines Zählwerkes liegt, und mit einer bistabilen Kippschaltung, über deren Ausgänge die UND-Gatter wechselseitig energieflußabhängig umgesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Kippschaltung

(8) als D-Flip-Flop ausgebildet ist, das durch eine Nadel-Impulsfolge getaktet ist, die aus der Verbraucherspannung (U) jeweils bei einem der beiden Nulldurchgänge dieser Spannung hergeleitet ist, und daß der Dateneingang (D) dieses Flip-Flops (8) von einer Pulsspannung gespeist ist, die aus dem Verbraucherstrom (I) hergeleitet, nachfolgend differenziert und anschließend in eine Rechteck-Pulsspannung umgeformt ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Komparator (6) im Nulldurchgang der Verbraucherspannung (U) von negativen zu positiven Werten erzeugten positiven Rechteckimpulse in einem nachgeschalteten Differ^nzierglied (7) in Nadelimpulse umgewandelt sind, von denen die positiven Nadelimpulse über eine Diode (12) auf den Twteingang der bistabilen Kippschaltung (8) gelangen.

3. Schaltungsanordnung p.l ;h Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentiator (9) in invertierender oder nichtinvertierender Arbeitsweise betrieben ist, wobei die Eingangsbelegung eines nachfolgenden Komparators (10) entsprechend gewählt ist oder die Zuordnung der Ausgänge (Q und Q) der bistabilen Kippschaltung (8) zu den UND-Gattern (4,5) entsprechend getroffen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geringfügige Phasendrehung des Differentiators (9) aufgrund seines Phasenganges durch Verändern der An- r> sprechschwelle des nachfolgenden Komparators (10) mittels eines Potentiometers (11) kompensiert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentiator (9) durch kapazitive Gegenkopplung und mittels eines ohmschen Eingangswiderstandes gegen Rauschen bedämpft ist und ihm zur Erhöhung seines Eingangswiderstandes ein Impedanzwandler vorgeschaltet ist. ϊϊ

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (6) im Nulldurchgang der Verbraucherspannung (U) von positiven zu negativen Werten Rechteckimpulse erzeugt, wodurch _lediglich die Zuordnung der ho Ausgänge (Q und Q) der Kippschaltung (8) zu den UND-Gattern (4,5) geändert ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom

(I) über den Komparator (6) und das Differenzier- e>-> glied (7) geführt ist, während andererseits die Verbraucherspannung (U) von dem Differentiator

(9) differenziert ist und über den Komparator (10)

den Dateneingang (D) der bistabilen Kippschaltung (8) vorbereitet