DK156332B - Omkoblingskonstruktion til statisk kilowatttimemaaler - Google Patents

Description

DK 156332 E

Den foreliggende opfindelse vedrprer en statisk kilowatttimemiler med organer, der er forbundet til et lysnets ledninger, til generering af mâlesignaler, der er proportionale med strpm og spænding, en impuls-bredde-impulshpjdemultiplikator til dannelse af et impulsbr^dde-impuls-' 5 hojdemoduleret signal, som repræsenterer produktet af mêlesignalerne, en integrator med en integrationsforstærker, der forsynes fra udgan-gen pâ impulsbredde-impulshpjdemultiplikatoren i et omsætterkredslpb, fra hvilket der opnês et frekvenssignal, som er proportionalt med effekten, en tælleindretning, der styres af frekvenssignalet, til 10 bestemmelse af den forbrugte energi samt en forsyningskilde, der er forbundet til nettets ledninger, til frembringelse af en forsynings-spænding, som tilfpres kredslpbene.

Statiske kilowatttimemâlere baseret pl en impulsbredde-impulshojde-multiplikator, dvs. pâ en tidsafbrydelsesmultiplikator, er velkendte 15 inden for teknikken, og som eksempler pâ eksisterende konstruktions-Ipsninger kan nævnes USA-patent nr. 4.315.212 3.794.917 og 4.217.546.

Hovedkomponenterne i en trefasemâler af denne kendte type er i blokdiagram vist i fig. 1. I mâleren dannes der en prpveimpulsfplge, i 20 hvilken impulsernes bredde er proportional med spændingens 0jebliks-værdi, og i hvilken impulsernes hojde er proportional med strommens Ojebliksværdi, sâ at det areal, som dækkes af impulserne, er propor-tionalt med produktet af spænding og strom, dvs. proportionalt med effekten. Prpveimpulsfrekvensen vælges tilnærmelsesvis ti gange 25 hojere end lysnetfrekvensen for ogsâ at tage hojde for overtoner. Det signal, som modulerer impulsbreddemodulatoren 1, er et signal, der er proportionalt med lysnetspændingen, og som frembringes ved hjælp af spændingstransformere 2. I de kendte mâlere er impulsbreddemodulatoren sædvanligvis frembragt ved hjælp af en operationsforstærker, 30 der virker som en komparator, til hvis ene indgangsklemme der tilf0-res en trekantb0lge, og til hvis anden indgangsklemme der tilf0res et moduleringssignal, der er proportionalt med spændingen. Komparato-rens tærskelværdi styres af moduleringsspændingen, og pâ komparato-rens udgang frembringes der en firkantb0lge med samme frekvens som ’5 trekantbelgen, men hvad angâr firkantbplgens impulsdele, afhænger disse af styrespændingens værdi. Ved hjælp af den frembragte impuls-

DK 156332 B

2 breddemodulerede firkantbolge styres analogomskiftere 4 i de sekun-dære kredsleb af strommâletransformere 3, fra hvis udgange der fremhringes impulser med en hojde, der er proportional mec strpmmen i mâlekredslobet, og som stadig module res af lysnetsgændingen i ' 5 henseende til impulsernes bredde. Impulserne fiItreres, sâ at der frembringes en jævnspsnding, der er proportional med effekten, og denne spænding tilfpres en spænding/frekvensomsætter 5. Spæn-dings/frekvensomsætteren 5 bestâr af en integratorforstærker, der integrerer multiplikatorens udgangsspænding, samt en tærskelværdi-10 detektor, der initierer en ny période, nâr integratorens udgangsspænding overstiger detektorens tærskeiværdi. Pâ omsætterens ud-gang afgives der sâledes en impulsfrekvens, der er proportional med den til omsætteren tilforte jævnspænding, dvs. effekten, og ved hjælp af hvilken en trinmotor, der virker pâ et tælleorgan 7 i mâleren, 15 styres via en delerenhed 6. Tælleorganet integrerer effekten og viser dermed den energi, som forbruges. Til stremforsyningen af milerens kredsleb tilvejebringes der desuden en forsyningsenhed 8, der frem-bringer driftsspænding fra lysnetspændingen.

Det skal imidlertid bemærkes, at multiplikatorkredslpbene og spæn-20 dings/frekvensomsætteren i kendte statiske kilowatttimemâlere omfatter operationsforstærkere, hvis offsetspændinger pâvirker mâleresultatet.

I den fra ovennævnte USA patentskrift nr. 4.217.546 kendte kilowatt -timemâler er der indkoblet en transresistansforstærker, der er for-bundet til en stremtransformer, til omsætning af et af stromtransfor-25 meren afgivet stremsignal til et dermed proportionalt spændingssignal.

Denne kendte kilowatttimemiler har yderligere et offsetspændingskom-pensationskredsleb, der er forbundet til udgangen pi transresistans-forstærkeren og tjener til at kompensere for eventuel offsetspændings-fejl i transresistansforstærkeren, der udgpres af en integreret opera-30 tionsforstærker. Dette offsetkompensationskredslpb indeholder selv en operationsforstærker, og éventuelle offsetspændinger « dette korrek-tionsnetværks operationsforstærker og i kilowatttimemilerens andre aktive forstærkere, der udgpres af integrerede operationsforstærkere, tages der imidlertid ikke hojde for.

35 Problemet med offsetspændingen er specielt udtalt i forbindelse med spændings/frekvensomsætteren, nâr integratorens indgangsspænding 3

DK 156332 B

er lav. I praksis kan indgangsspændingen være af samme storrelses-orden som operationsforstærkerens offsetspænding, hvorved der kan optræde ganske store fejl i mâleresultatet. Offsetspændingen er des-uden en funktion af tid og temperatur, hvilket plvirker fpretholdel-' 5 sen af perfekt offsetspændingskorrektion i kendte kilowatttimemâlere.

Et formâl med den foreliggende opfindelse er at l0se de ovenfor an-givne problemer og at tilvejebringe en statisk kilowatttimemâler pl simpel mâde, si at der kan kompenseres for den uheldige eiler skade-lige virkning fra offsetspændingen som f0lge af brugen af en opera-10 tionsforstærker pâ spændings/frekvensomsætterens nojagtighed.

I overensstemmelse med opfindelsen opnâs dette formâl ved hjaelp af en statisk kilowatttimemâler af den indledningsvis angivne art, hvilken kilowatttimemâler i overensstemmelse med opfindelsen er ejendommelig ved, at omsætterkredslobet har forste omskifterorganer, der tillader, 15 at impulsbredde-impulshojdemultiplikatorens udgangsspænding kan integreres under faste samplings- eller proveperioder, og at integra-torens integrationsforstærkers indgangskredslpb indeholder en kom-pensationskondensator, pâ hvilken integrationsforstærkerens offsetspænding lagres ved hjælp af andre omskifterorganer, der aktiveres 20 mellem samplings- eller proveperioderne. Man vil sâledes forstâ, at integrationen af udgangsspændingen fra impulsbredde-impulshojdemul-tiplikatoren i overensstemmelse med opfindelsen afbrydes periodisk i omsætterkredsl0bet, som frembringer frekvenssignalet, og nâr integrationen afbrydes, lagres offsetspændingen pâ kondensatoren. Nâr 25 integrationen genoptages, forbindes kondensatoren igen til det samle-de kredslob, sâ at virkningen af offsetspændingen pâ den frembragte str0m udkompenseres.

Der opnâs en specielt fordelagtig mâlerkonstruktion, nâr de f0rste omskifterorganer, der tillader intégration, omfatter en samplingom-30 skifter, der forbinder impulsbredde-impulshpjdemultiplikatorens ud-gang til omsætterens indgang, samt en omskifter, der er koblet i sérié med en integrationskondensator, og nâr de andre omskifterorganer, ved hjælp af hvilke integrationsforstærkerens offsetspænding lagres pâ kompensationskondensatoren, omfatter en omskifter, der forbinder integrationsforstærkerens ud- og indgang, samt en om- 4

DK 156332B

skifter, som forbinder kompensationskondensatorens ene klemme til stel.

Opfindelsen vil i det fplgende blive nærmere forklaret tir^der henvis-' ning til tegningen, der viser en udferelsesform for opfindelsen, til 5 hvilken opfindelsen imidlertid ikke er begrænset, og pâ hvilken teg-ning fig. 1 viser et blokdiagram over en kendt statisk kilowatttimemêler, fig. 2 et kredslobsdiagram for en impulsbredde-impulshpjdemultiplika-tor, 10 fig. 3 kurveformer, der optræder i det i fig. 2 viste kredslpb, fig. 4 og 4A en spændings/frekvensomsaetter i forskellige driftstil-stande, fig. 5 kurveformer, der optræder i den i fig. 4 viste omsætter, og fig. 6 kredslobsdiagram over en strpmforsyning til mlleren.

15 I fig. 2 er vist en impulsbredde-impulshojdemultiplikator i en statisk kilowatttimemiler. Multiplikatoren har et summationskredslpb og en proveomskifter, der styres af summationsspændingen. Summations-kredslpbet indeholder to modstande RI og R2, der er forbundet med hinanden. Til den anden ende af den fprste modstand RI er der 20 tilsluttet et signal Uy, der er proportionalt med en spænding, som frembringes af en mâletransformer 2, og til den anden ende af den anden modstand R2 tilfpres en trekantbplge fra en trekantb0lgeos-cillator 9. Sumspændingen Uu + UQ frembringes i de to summations-modstande RI's og R2's fælles punkt. En proveomskifter 10, der er en 25 analogomskifter, modtager et signal U., som er proportionalt med stromintensiteten, fra det sekundære kredslpb af en strpmmâletrans-former 3, idet styreindgangen pi denne omskifter er forbundet til summationspunktet. Analogomskifteren 10, der fx kan være en J-FET eller en MOS-FET, ændrer sin tilstand ved en given tærskelværdi 30 ^thresh styrespændingen. Som det fremgâr af fig. 3, bestemmer tærskelniveauet ^or analogomskifteren 10 derved bredden af prpveimpulsen, idet omskifteren er lukket, nâr sumbolgen Uu + UQ er storre end tærskelniveauet og âben, nâr sumbelgen er mindre end tærskelniveauet. Udgangsspændingen fra pr0veomskifte- 5

DK 156332 B

ren, der styres pl denne mâde, bliver derved en frekvens af fir-kantbplger, hvor bredden af impulserne er proportional med spændin-gen, og hpjden er proportional med strpmmen. Ved hjælp af en jævn-spænding, som frembringes ved filtrering. af impulsfplgei*, styres en ‘ 5 spændings/frekvensomsætter 5.

I fig. 4 er vist en spændings/frekvensomsætter 5 i den i fig. 1 viste mêler, hvilken omsætter har et offsetspændingskompenserende kreds-Ipb if0lge opfindelsen. Spændings/frekvensomsætteren har pâ konven-tionel mâde en operationsforstærker 11, der ved hjælp af en konden-10 sator Cl og en modstand R3 er koblet som en integrator, en tærskel-værdidetektor 12, der styres af integratorens udgangsspænding, samt et timer- eller tidsbestemmelseskredslpb 13, ved hjælp af hvilket en konstantstrpmkilde, der er forbundet til integratorens udgang, styres. Nâr kredslpbet er aktivt, integrerer integratoren en indgangs-15 strpm ljn, indtil integratorens udgangsspænding overstiger kompara-toren 12's tærskelværdiniveau U^, nâr timerkredslpbet 13 begynder at tælle og ved hjælp af en omskifter 14 kobler en tilbagefpringsstrpmim-puls I med en varighed TQ til integratorens indgang. Omsætterens driftsfrekvens f findes ved hjælp af formlen 20 'in · * = 'p · To 1 'in t Ί Γτ-' p 0

Man vil forstâ, at frekvensen er direkte proportional med indgangs-25 strpmmen I. og dermed ogsâ med indgangsspændingen Ujn, da U. - U in os 'in *- R3

Til kompensation af virkningerne fra forstærkeren 11's offsetspænding 30 Uos pâ indgangsstrpmmen l-n har spændings/frekvensomsætteren i overensstemmelse med opfindelsen en kompensationskonstruktion, der holder klemmen pâ forstærkersiden (forstærkeren 11) af modstanden R3 eller punktet A i fig. 4 pâ niveau 0 under integrationen.

DK 156332B

6

Kompensationskonstruktionen omfatter en prpveomskifter Kl, der forbinder integratoren til multiplikatoren, en omskifter K2, der er koblet i sérié med integrationskondensatoren Cl, samt en kompensatî-onskondensator C2, der er forbundet meilem punktet A og forstærke-5 ren ll's inverterende indgang, en omskifter K4, som forbinder for-stærkeren ll's inverterende indgang og udgang, samt en omskifter K3, som steller punktet A.

Omskifterne Kl og K2 tillader, at indgangsstrpmmen I. integreres, nir omskifterne er lukkede i den i fig. 4 viste stilling. Under inte-10 grationsfasen er omskifterne K3 og K4 ibne. Til kompensation afbry-des integrationen meilem proveperioder ved hjælp af prpveomskifteren Kl ved âbning af omskifteren K2, der er i sérié med integrationskondensatoren C1. Under den efterfolgende kompensationsfase forbindes forstærkeren ll's udgang og inverterende indgang ved, at omskifte-15 ren K4 lukkes, og kondensatoren C2's anden klemme stelles ved, at omskifteren K3 lukkes, hvorved forstærkeren 11’s offsetspænding UQs overf0res til kompensationskondensatoren C2. Under kompensationsfa-sen styres omskifteren K1-K4 siledes til den i fig. 4A viste tilstand.

Under den efterfplgende integrationsfase styres omskifterne K1-K4 20 igen til den i fig. 4 viste tilstand, hvorved kompensationskondensatoren C2 er forbundet til indgangskredslpbet pâ en sâdan mâde, at spændingen i punktet A forbliver pâ niveau 0 under integrationsfa-sen, hvilket kompenserer for virkningen af offsetspændingen pâ indgangsstrpmmen.

25 Den resulterende kurveform for integratorens udgangsspænding er vist i fig. 5, hvor de alternerende integrationsfaser og kompensati-onsfaser er vist som henholdsvis stigende dele 15 af udgangsspændin-gen og vandrette dele 16 svarende til offsetspændingen U .

OS

I fig. 6 er vist en forsyningsenhed 8, der frembringer driftsspændin-30 ger til kredsl0bene i en trefasemâler. Forsyningsenheden indeholder kondensatorer C3, C4 og C5 til reduktion af lysnetspændingen U^,

Ug og Uj samt ensretterdioder D1-D6 og en filtreringskondensator C7 til filtrering af den spænding, som tilf0res belastningen 17. Da mâle- 7

DK 156332 B

rens kredsl0b ogsâ skal fungere i det tilfælde, hvor kun den ene fase er spændingsf0rende, skal spændingsreduktionskondensatorerne være dimensioneret meget store i et konventionelt ensrettet kredslob. For at undgâ dette har den i fig. 6 viste forsyningsenhed rdesuden et 5 kredsl0b, ved hjælp af hvilket den str0m, som l0ber gennem dioderne under de négative halvperioder af den fase, som er aktiv, kan udnyt- tes. Dette kredsl0b omfatter en kondensator C6, der er forbundet mellem 0-lederen og ensretterdioderne D4-D6's anoder, som er forbundet sammen, i sérié med dioder D8 og D7, sa at kondensatoren kan 10 optage en ladning under de négative halvperioder af den aktive fase via. ledningsdioderne D7 og D8. Til afladning af ladningen pâ kondensatoren C6 til belastningen 17 under de positive halvperioder af den aktive fase er kondensatoren C6's positive klemme forbundet til belastningen 17’s positive klemme via en diode D9, og kondensatoren 15 C6's négative klemme er forbundet til belastningens négative klemme via en transistor Vl's kollektoremitterovergang, h vil ken transistors basis er forbundet til knudepunktet mellem dioderne D7 og D4-D6 og via en modstand R4 til dioderne D1-D3's katoder. Den spænding, som findes over dioden D7, nlr kondensatoren C6's opladningsstrom l0ber, 20 holder transistoren Ws basisspænding ca. 0,7V mere negativ end emitterspændingen, hvorved transistoren îkke leder.

Under den positive halvperiode afbrydes kondensatoren C6's oplad-ningsstr0m. Transistoren Vl's basisspænding forpges derved til at være mere positiv end emitterspændingen som fplge af modstanden R4.

25 Transistoren VI bliver ledende og kompletterer kondensatoren C6's afladningsbane. Ladningen pâ kondensatoren C6 aflades derved gennem dioden D9 til kondensatoren C7 og videre til belastningen 17.

Under de positive halvperioder modtages der desuden strom via dioden DI. Kondensatoren C6's afladningsstrpm, der adderes til den 30 allerede nævnte str0m, vil være tilnærmelsesvis det dobbelte af den str0m, der f0res til belastningen, og dette muliggpr, at koblingskon-densatorerne C3, C4 og C5 kan reduceres til ca. det halve, og desuden, at den strpm, som mâleren tager fra nettet, reduceres.

Claims (1)

1. Statisk kilowatttimemiler med organer (2, 3), der er forbundet til et lysnets ledm’nger, til generering af mâlesignaler (Uu, HJ.), der er proportionale med spændingen (U^, Rg, U-j.) og med strommen (1^, 5 1^, ly), en impulsbredde-impulshpjdemultiplikator (1, 4) til dannelse af et impulsbredde-impulshojdemoduleret signal, som repræsenterer produktet af mâlesignalerne, en integrator (11, C1, R3) med en integrationsforstærker (11), der forsynes fra udgangen pi impuls-bredde-impulsh0jdemultiplikatoren (1, 4) i et omsætterkredsl0b (5), 10 fra hvilket der opnâs et frekvenssignal (f), som er proportionalt med effekten, en tælleindretning (7), der styres af frekvenssignalet, til bestemmelse af den forbrugte energi samt en forsyningskilde (8), der er forbundet til lysnettets ledninger, til frembringelse af en forsy-ningsspænding, som tilf0res kredslobene, 15 kendetegnet ved, at omsætterkredsl0bet (5) har f0rste omskifterorganer (Kl, K2), der tillader, at impulsbredde-impulsh0jde-multiplikatorens (1, 4) udgangsspænding kan integreres under faste samplings- eller pr0veperioder, og at integratorens integrationsfor-stærkers (11) indgangskredsl0b indeholder en kompensationskortden-20 sator (C2), pi hvilken integrationsforstærkerens offsetspænding (UQS) lagres ved hjælp af andre omskifterorganer (K3, K4), der aktiveres mellem samplings- eller pr0veperioderne. 1 Mêler if0lge krav 1, kendetegnet ved, at de fprste omskifterorganer, der tilla-25 der intégration, omfatter en samplingomskifter (Kl), der forbinder impulsbredde-impu!sh0jdemu!tiplikatorens udgang til omsætterens (5) indgang, samt en omskifter (K2), der er koblet i sérié med en inte-grationskondensator (Cl), og at de andre omskifterorganer, ved hjælp af hvilke integrationsforstærkerens (11) offsetspænding lagres pâ 30 kompensationskondensatoren (C2), omfatter en omskifter (K4), der forbinder integrationsforstærkerens (11) udgang og indgang, samt en omskifter (K3), som forbinder kompensationskondensatorens (C2) ene klemme (A) til stel.