专利汇可以提供Digitales Messgerät专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且Das digitale Messgerät tastet an diskreten Zeitpunkten die von einem Messwandler (2) eines elektrischen Versorgungsnetzes abgegebenen analogen Ausgangssignale in einer Abtast- und Halte-Schaltung (4) ab, digitalisiert nachfolgend die abgetasteten Werte in einem Analog-Digital-Wandler (5) und bildet sodann in einer digitalen Verarbeitungseinheit (6) aus den digitalisierten Werten eine netzspezifische Grösse, wie z.B. den Effektivwert oder die Netzfrequenz.
Dieses Messgerät soll in einfacher Weise und bei projektierbarer Messgenauigkeit zur Lösung der wesentlichen in einem elektrischen Versorgungsnetz anstehenden Messwertverarbeitungsaufgaben geeignet sein.
Dies wird dadurch erreicht, dass die digitale Verarbeitungseinheit (6) einen Block (7) zum Verschieben der Frequenzen ( ω₁, ω i ) von Grundwelle und Oberwellen zu einem der netzspezifischen Grösse proportionalen Gleichsignal (DC) aufweist sowie eine nachgeschaltete Filteranordnung (8) mit einem digitalen Tiefpass (100) zum Unterdrücken der vom Gleichsignal (DC) abweichenden Frequenzen (ω₁, ω i ) und eine digitale Bandsperre (110) zum Unterdrücken von Aliasfrequenzen.,下面是Digitales Messgerät专利的具体信息内容。
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem digitalen Messgerät zur Verarbeitung der von mindestens einem Messfühler eines unsymmetrischen oberwellenbehafteten elektrischen Versorgungsnetzes abgegebenen analogen Ausgangssignale mit
- einer die analogen Ausgangssignale mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz abtastetenden und die abgetasteten Werte der Ausgangssignale zwischenspeichernden Abtast- und HalteSchaltung
- einem der Abtast- und Halte-Schaltung nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der abgetasteten und zwischengespeicherten Werte der Ausgangssignale, und
- einer mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandler verbundenen digitalen Verarbeitungseinheit zur Ermittlung mindestens einer netzspezifischen Grösse aus den zugeführten digitalisierten Werten der Ausgangssignale.
Ein digitales Messgerät der vorstehend genannten Art ist beispielsweise bekannt aus J. Weiler: Begriffe und Methoden der Signalbeschreibung und Signalverarbeitung. Bull. SEV/VSE 72 (1981) 9, S. 433-438. Beim bekannten Messgerät werden analoge Ausgangssignale eines elektrischen Versorgungsnetzes, etwa der Strom oder die Spannung einer Netzphase an diskreten Zeitpunkten abgetastet, die abgetasteten Signale digitalisiert und nachfolgend zu einer netzspezifischen Grösse, wie etwa dem Effektivwert oder der Wirkleistung, digital weiterverarbeitet. Ein derartiges Messgerät ist üblicherweise zur optimierten Lösung einer einzelnen Messwertverarbeitungsaufgabe, wie etwa der Bestimmung des Effektivwertes oder der Wirkleistung, ausgelegt und nutzt die Dreiphasennatur des elektrischen Versorgungsnetzes nicht aus, wodurch die Zahl der von einem solchen Messgerät lösbaren Messwertverarbeitungsaufgaben erheblich eingeschränkt ist. Zudem ist ein solches Messgerät nur zur Verarbeitung von Signalen mit vergleichsweise geringem Oberwellengehalt geeignet, so dass für Netze mit erheblichem Oberwellengehalt spezielle Messgeräte eingesetzt werden müssen. Ferner benötigt das bekannte Messgerät einen analogen Tiefpass zur Vermeidung unerwünschter Aliasfrequenzen, welche bei der Abtastung der Ausgangssignale auftreten. Ein solcher analoger Tiefpass ist nicht nur aufwendig, sondern senkt entweder die Genauigkeit im Durchgangsbereich oder erhöht die unerwünschte Durchlässigkeit im Sperrbereich.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein digitales Messgerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches bei einfachem Aufbau und projektierbarer Messgenauigkeit zur Lösung aller wichtigen Messwertverarbeitungsaufgaben eines elektrischen Versorgungsnetzes geeignet ist.
Das digitale Messgerät nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein analoges Filter zur Vermeidung von Aliasfrequenzen entfällt, dass alle wichtigen Messwertverarbeitungsaufgaben auf der Basis einer einheitlichen Struktur gelöst werden können, dass die Dreiphasennatur des elektrischen Netzes konsequent ausgenützt wird und dass es in symmetrisch und unsymmetrisch belasteten sowie in oberwellenbehafteten Netzen verwendbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in Zeichnuungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt:
In Fig. 1 bezeichnet 1 einen dreiphasigen Leiter eines elektrischen Versorgungsnetzes, in dem ein dreiphasiger Strom der Nennkreisfrequenz ω₁ fliesst. Die Werte der Phasenströme und/oder -spannungen des Leiters 1 des Versorgungsnetzes werden über Strom- und Spannungswandler 2 sowie gegebenenfalls vorgesehene Zwischenwandler 3 dem Eingang einer Abtast- und HalteSchaltung 4 des digitalen Messgerätes nach der Erfindung zugeführt. In der Abtast- und Halte-Schaltung 4 werden die Phasenströme und/oder -spannungen mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz ωS abgetastet und zwischengespeichert. In einem der Abtast- und Halte-Schaltung 4 nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 5 werden die abgetasteten und zwischengespeicherten Werte der Phasenströme und/oder -spannungen digitalisiert und nachfolgend einer digitalen Verarbeitungseinheit 6 zugeführt, in der sie zur Lösung der in elektrischen Versorgungsnetzen auftretenden Messwertverarbeitungsaufgaben, wie der Bestimmung des Effektivwertes, des Effektivwertes der n-ten Harmonischen und des Klirrfaktors von Strom und/oder Spannung einer Phase, der Wirk- und Blindleistung, der Frequenz, der Mit- und/oder Gegenkomponente, des Asymmetrieverhältnisses und der Nullkomponente des Versorgungsnetzes verarbeitet werden.
Die digitale Verarbeitungseinheit 6 weist einen Frequenzverschiebungsblock 7 auf, in dem die während einer Periode T₁ des Stromes oder der Spannung des Versorgungsnetzes von der Abtast- und Halte-Schaltung 4 abgetasteten und vom Analog-Digital-Wandler 5 abgegebenen Werte einer Frequenzverschiebung unterzogen werden. Bei der Frequenzverschiebung werden die Frequenzen ωi, mit i = 1, ..., n der Harmonischen des Versorgungsnetzes zu einem Gleichsignal DC verschoben, welches für die Lösung einer zugeordneten Messwertverarbeitungsaufgabe spezifisch ist. In einer dem Frequenzverschiebungsblock 7 nachgeschalteten Filteranordnung 8 werden vom Gleichsignal DC abweichende störende Frequenzen unterdrückt, in einen digitalen Tiefpass 100 die Harmonischen und in einer dem Tiefpass 100 nachgeschalteten Bandsperre 110 die bei der Abtastung mit der Abtast- und Halte-Schaltung 4 gebildeten Aliasfrequenzen. In einer der Filteranordnung 8 nachgeschalteten Verarbeitungsvorrichtung 9 werden schliesslich die frequenzverschobenen und gefilterten Gleichsignale DC nach Massgabe der zu lösenden Messwertverarbeitungsaufgabe verarbeitet und nachfolgend als zu bestimmende netzspezifische Grösse ausgegeben.
Ein derartig aufgebautes Messgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es alle in einem elektrischen Versorgungsnetz zu lösenden Messwertverarbeitungsaufgaben auf der Grundlage einer aus Frequenzverschiebungsblock 7, Filteranordnung 8 und Verarbeitungsvorrichtung 9 bestehenden, einheitlich aufgebauten digitalen Verarbeitungseinheit 6 löst. Wie nachfolgend erläutert, kann eine solche digitale Verarbeitungseinheit 6 vorzugsweise aus einem Basissatz geläufiger, in Programmbibliotheken verfügbarer Funktionsblöcken aufgebaut sein. Aufwendige analoge Anti-Aliasing-Filter welche sonst Grundvoraussetzung für eine genaue Lösung der Messwertverarbeitungsaufgaben in elektrischen Netzen sind, können entfallen. Darüber hinaus lässt sich ein solches Messgerät unter konsequenter Ausnützung der Dreiphasennatur eines elektrischen Versorgungsnetzes sowohl in symmetrisch als auch in unsymmetrisch belasteten Netzen einsetzen. Hierbei wird die grösste auswertbare Oberwelle im wesentlichen lediglich durch die Abtastrate der Abtast- und Halte-Schaltung 4, die Bandbreite der verarbeiteten Signale und die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 5 begrenzt.
Der Basissatz der Funktionsblöcke enthält hierbei zweckmässigerweise mindestens einen Summierer, einen Summierer mit Konstantfaktormultiplikation, einen Multiplizierer, einen Dividierer, einen Radizierer, einen Mittelwertbildner, einen PI-Regler, einen Koordinatenwandler, einen Signalgenerator und einen Funktionsblock zur Lösung einer Differenzengleichung zweiter Ordnung.
In den Figuren 2 bis 6 sind nun aus derartigen Funktionsblöcken bestehende Schaltungen der digitalen Verarbeitungseinheit 6 dargestellt, welche in einfacher Weise die Lösung aller Messwertverarbeitungsaufgaben in elektrischen Versorgungsnetzen mit hoher Genauigkeit ermöglichen.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung kann der Effektivwert Ua,rms der Phasenspannung Ua des Versorgungsnetzes ermittelt werden sowie entsprechend der Effektivwert Un der n-ten Harmonischen und der Klirrfaktor Dc. Entsprechendes gilt auch für die anderen Phasen S und T sowie für die Phasenströme.
Die dargestellte Schaltung enthält im Frequenzverschiebungsblock 7 einen als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierer 122, an dessen Eingang die digitalisierten Werte der Spannung Ua der Phase R des Versorgungsnetzes anstehen, sowie einen dem Multiplizierer 122 nachgeschalteten Mittelwertbildner 132, dessen Ausgang über einen Tiefpass 102 und eine Bandsperre 112 der Filteranordnung 8 auf den Eingang eines Radizierers 142 der Verarbeitungsvorrichtung 9 wirkt. Am Ausgang des Radizierers 142 tritt ein dem Effektivwert der Spannung der Phase R proportionales Signal auf.
Darüber hinaus enthält die in Fig. 2 dargestellte Schaltung im Frequenzverschiebungsblock 7 auch einen RST-dq-Koordinatenwandler 152, an dessen Eingängen die den drei Phasen R, S, T des Versorgungsnetzes zugeordneten digitalisierten Signale der Spannung Ua, Ub, Uc anstehen sowie Referenzsignale sinωRt und cosωRt, mit ωR = nω₁, wobei n = 1, 2, ..., welche repräsentativ für einen zeitveränderlichen Winkel ε zwischen dem RST- und dem dq-Koordinatensystem sind. Ein am Ausgang für die direkte Koordinate des RST-dq-Koordinatenwandlers 152 auftretendes Signal Und wirkt über einen Tiefpass 102ʹ und eine Bandsperre 112ʹ auf einen als Quadrierer ausgeführten Multiplizierer 122ʹ. Ein am quadratischen Ausgang des RST-dq-Koordinatenwandlers 152 auftretendes Signal Unq wirkt über einen Tiefpass 102ʺ und eine Bandsperre 112ʺ auf einen ebenfalls als Quadrierer ausgebildeteten Multiplizierer 122ʺ. Die Ausgänge der beiden Multiplizierer 122ʹ und 122ʺ sind jeweils mit dem Eingang eines Summierers 162 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Radizierers 142ʹ verbunden ist, an dessen Ausgang ein dem Effektivwert Un der Phasenspannung proportionales Signal auftritt.
Falls der Winkel zwischen dem RST- und dem dq-Koordinatensystem gleich ω₁t ist wirkt der Ausgang des Summierers 162 auch auf einen ersten Eingang eines Dividierers 172, dessen zweitem Eingang ein Eingangssignal des Radizierers 142 zugeführt ist. Der Ausgang des Dividierers 172 wirkt auf einen ersten Eingang eines Summierers mit Konstantfaktormultiplikation 182, dessen zweitem Eingang das Signal -1 zugeführt wird und dessen Ausgang ein dem Quadrat des Klirrfaktors Dc proportionales Signal abgibt.
Mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung können die Wirkleistung P und die Blindleistung Q des elektrischen Versorgungsnetzes bei Abwesenheit von Nullkomponenten bestimmt werden. Die dargestellte Schaltung enthält im Frequenzverschiebungsblock 7 einen RST-dq-Koordinatenwandler 153, an dessen Eingängen die den drei Phasen R, S, T des elektrischen Versorgungsnetzes zugeordneten digitalisierten Stromwerte Ia, Ib und Ic anliegen sowie als Referenzsignale verwendete Ausgangssignale U·sinωRt und U·cosωRt eines RST-α,β-Koordinatenwandlers 153ʹ, an dessen Eingängen die den drei Phasen R, S, T des Versorgungsnetzes zugeordneten Spannungsignale Ua, Ub, Uc anliegen. Der Ausgang des RST-dq-Koordinatenwandlers 153 für die direkte Koordinate gibt über einen Tiefpass 103 und eine Bandsperre 113 der Filteranordnung 8 ein die Wirkleistung P repräsentierendes Ausgangssignal ab. Der Ausgang des RST-dq-Koordinatenwandlers 153 für die quadratische Koordinate gibt über einen Tiefpass 103ʹ und eine Bandsperre 113ʹ ein die Blindleistung Q repräsentierendes Ausgangssignal ab.
Mit der in Fig. 4 dargestellten Schaltung kann die Netzfrequenz ω des elektrischen Versorgungsnetzes ermittelt werden. Die dargestellte Schaltung enthält im Frequenzverschiebungsblock 7 einen RST-dq-Koordinatenwandler 154, an dessen Eingängen die den drei Phasen des Versorgungsnetzes zugeordneten digitalisierten Spannungswerte Ua, Ub, Uc anliegen sowie als Referenzsignale verwendete Ausgangssignale sinωRt und cosωRt eines als VCO wirkenden Signalgenerators 194. Der für die quadratische Koordinate vorgesehene Ausgang q des RST-dq-Koordinatenwandlers 154 ist dem Eingang eines als Schleifenfilter wirkenden PI-Reglers 204 zugeführt. Ein am Ausgang des PI-Reglers 204 anstehendes Signal Δω ist einerseits über einen Tiefpass 104 und eine Bandsperre 114 der Filteranordnung 8 an einen Ausgang des digitalen Messgerätes geführt, welcher ein der Netzfrequenz ω des Versorgungsnetzes proportionales Signal abgibt, und andererseits an einem ersten Eingang eines Summierers 164, dessen zweitem Eingang ein der Nennkreisfrequenz ω₁ des Versorgungsnetzes proportionales Signal zugeführt ist, und dessen Ausgangssignal ωR = ω₁ + Δω auf einen Eingang des Signalgenerators 194 wirkt.
Mit der in Fig. 5 dargestellten Schaltung können die Mitkomponente I+, die Gegenkomponente I- und das Asymmetrieverhältnis I-/I+ des elektrischen Versorgungsnetzes bestimmt werden.
Die dargestellte Schaltung enthält im Frequenzverschiebungsblock 7 einen ersten RST-dq-Koordinatenwandler 155, an dessen Eingängen die den drei Phasen des Versorgungsnetzes zugeordneten digitalisierten Stromwerter Ia, Ib und Ic anstehen sowie Referenzsignale sinωRt und cosωRt, mit ωR = ω₁, welche repräsentativ sind für einen zeitveränderlichen Winkel ω₁t zwischen dem RST und dem dq-Koordinatensystem. Ein am Ausgang des RST-dq-Koordinatenwandlers 155 für die direkte Koordinate anstehendes und der direkten Stromkomponente Id proportionales Signal wirkt über einen Tiefpass 105 und eine Bandsperre 115 der Filteranordnung 8 auf einen als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierer 125 der Verarbeitungsvorrichtung 9. Der Ausgang des Multiplizierers 125 ist mit einem ersten Eingang eines Summierers 165 verbunden. Ein am Ausgang des RST-dq-Koordinatenwandlers 155 für die quadratische Koordinate anstehendes und der quadratischen Stromkomponente Iq proportionales Signal wirkt über einen Tiefpass 105ʹ und eine Bandsperre 115ʹ der Filteranordnung 8 auf einen als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierer 125ʹ der Verarbeitungsvorrichtung 9. Der Ausgang des Multiplizierers 125' ist mit dem zweiten Eingang des Summierers 165 verbunden. Am Ausgang des Summierers 165 tritt ein dem Quadrat der Mitkomponente I+ proportionales Signal auf, welches in einem nachgeschalteten Radizierer 145 der Verarbeitungsvorrichtung 9 radiziert wird.
Im Frequenzverschiebungsblock 7 ist ferner ein RST-qd-Koordinatenwandler 155ʹ vorgesehen, an dessen Eingängen entsprechend dem RST-dq-Koordinatenwandler 155 in die Signale Ia, Ib, Ic anliegen sowie Referenzsignale sinωRt und cosωRt. Ein am Ausgang des RST-qd-Koordinatenwandlers 155ʹ für die quadratische Koordinate anstehende und der quadratischen Stromkomponente Iq proportionales Signal wirkt über einen Tiefpass 105ʺ und eine Bandsperre 115ʺ der Filteranordnung 8 auf einen als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierer 125ʺ der Verarbeitungseinrichtung 9. Der Ausgang des Multiplizierers 125ʺ ist mit einem ersten Eingang eines Summierers 165ʹ verbunden. Ein am Ausgang des RST-qd-Koordinatenwandlers 155ʹ für die direkte Koordinate anstehendes und der direkten Stromkomponente Id proportionales Signal wirkt über einen Tiefpass 105‴ und eine Bandsperre 115‴ der Filteranordnung 8 auf einen als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierer 125‴. Der Ausgang des Multiplizierers 125‴ ist mit dem zweiten Eingang des Summierers 165ʹ verbunden. Am Ausgang des Summierers 165ʹ tritt ein dem Quadrat der Gegenkomponente I- proportionales Signal auf, welches in einem nachgeschalteten Radizierer 145ʹ der Verarbeitungseinheit 9 radiziert wird.
Zur Ermittlung des Asymmetrieverhältnisses I-/I+ weist die Schaltung gemäss Fig. 5 einen eingangsseitig mit den Ausgängen der Radizierer 145 und 145ʹ verbundenen Dividierer 175 auf.
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung enthält im Frequenzverschiebungsblock 7 eine Schaltungsanordnung, welche gebildet ist von einem Summierer mit Konstantfaktormultiplikation 186, zwei jeweils als Quadrierer ausgebildeten Multiplizierern 126 und 126ʹ, einem Verzögerungsglied 216 mit einer Zeitverzögerung von 1/4 der Periode T₁ des Versorgungsnetzes und einem Summierer 166. Bei dieser Schaltung stehen an den Eingängen des Summierers mit Konstantfaktormultiplikation 186 die den Phasenströmen Ia, Ib und Ic proportionalen digitalen Signale an. Der Ausgang des Summierers mit Konstantfaktormultiplikation 186 ist einerseits über den Multiplizierer 126ʹ mit einem ersten Eingang des Summierers 166 und andererseits über das Verzögerungsglied 216 und den dem Verzögerungsglied 216 nachgeschalteten Multiplizierer 126 mit einem zweiten Eingang des Summierers 166 verbunden. Der Ausgang des Summierers 166 wirkt über einen Tiefpass 106 und eine Bandsperre 116 der Filteranordnung 8 auf einen in der Verarbeitungsvorrichtung 9 vorgesehenen Radizierer 146, an dessen Ausgang ein der Nullkomponente Io proportionales Signal ansteht.
Die in den vorstehenden Schaltungen vorgesehenen Tiefpässe 100, 102, 102ʹ, 102ʺ, 103, 103ʹ, 104, 105, 105ʹ, 105ʺ, 105‴ und 106, Bandsperren 110, 112, 112ʹ, 112ʺ, 113, 113ʹ, 114, 115, 115ʹ, 115ʺ, 115‴ und 116 und das Verzögerungsglied 216 weisen jeweils einen die Differenzengleichung
Ein solcher Funktionsblock weist Eingänge auf zur Eingabe der Koeffizienten ao, a₁, a₂, b₁ und b₂ sowie einer an diskreten Zeitpunkte 1, 2, ... gemessenen Eingangsgrösse i(k), k = 1, 2, ... Dieser Funktionsblock ermittelt zum Zeitpunkt k eine Ausgangsgrösse o(k) nach folgender Gleichung:
o(k) = - b₁o(k-1) - b₂o(k-2) + aoi(k) + a₁i(k-1) + a₂i(k-2),
wobei o(k-1) bzw. i(k-1) die zum Zeitpunkt k-1 bzw.
o(k-2) bzw. i(k-2) die zum Zeitpunkt k-2
ermittelten Werte von o bzw. i sind.
Je nach Wahl der Eingabegrösse lässt sich ein solcher Funktionsblock den an ihn gestellten Anforderungen entsprechend programmieren.
Für die Tiefpässe wird eine z-Transformation verwendet und z⁻¹ = exp(-sTs) gesetzt.
Für die Koeffiziente werden folgende Werte eingegeben:
ao = 0
a₁ = ωo Ts √2 exp(-ωoTs/ √2) · sin(ωoTs/ √2)
a₂ = 0
b₁ = - 2 exp(-ωoTs) · cos(ωoTs/ √2), und
b₂ = exp(-ωoTs √2).
Hierbei bedeuten
Ts die Abtastperiode der Abtast- und Halte-Schaltung 4 und s die Variable der Uebertragungsfunktion
Solche Tiefpässe unterdrücken die vom Gleichsignal DC abweichenden Frequenzen, wie die Harmonischen ωi mit i = 1, 2, ...
Für die Bandsperren wird eine bilineare z-Transformation verwendet,
Für die Koeffizienten werden folgende Werte eingegeben:
Ts die Abtastperiode der Abtast- und Halte-Schaltung mit der Abtastfrequenz ωs,
Tbr = 2 π/ Δω = 2 π(kω₁-ωs) mit k = ± 1, ± 2, ... und s die Variable der Uebertragungsfunktion.
Entsprechend sind auch die Multiplizierer 122, 122ʹ, 122ʺ, 126 und 126ʹ jeweils aus einem Funktionsblock eines geläufigen Typs gebildet. Entsprechendes gilt auch für den Mittelwertbildner 132, die Radizierer 142, 142ʹ, 145, 145ʹ und 146, die Summierer 162, 164, 165, 165ʹ und 166, die Dividierer 172 und 175, die Summierer mit Konstantfaktormultiplikation 182 und 186, den Signalgenerator 194 und den PI-Regler 204.
Die RST-dq- bzw.αβ -Koordinatenwandler 152, 153, 153ʹ, 154 und 155 sowie der RST-qd-Koordinatenwandler 155ʹ sind jeweils von einem Funktionsblock gebildet, welcher die R,S,T-Werte eines 3-Phasen-System in entsprechende Werte im orthogenalen d,q- bzw. im α, β-Koordinatensystem transformiert. Der Winkel ε zwischen den beiden Koordinatensystemen wird hierbei zugleich so fest gelegt, dass die Werte der R,S,T-Koordinaten in entsprechende Werte im orthogonalen α, β-Koordinatensystem transformiert sind. In diesem Fall fällt die α-Koordinate mit der R-Koordinate zusammen und gilt für die Transformation das Gleichungssystem:
α = R
β = (1/ √3)S-(1/ √3)T
d = α· cos ε+ βsinε
q = -α· sin ε+ βcosε
Dem Funktionsblock werden die Werte der Koordinaten R (und damit auch α,S,T eingegeben sowie sinε und cosε . Der Funktionsblock ermittelt dann die entsprechenden Werte in α, β,- bzw. dq-Koordinaten. Bei rotierendem R,S,T-Koordinatensystem rotiert auch das α, β,-System, wohingegen bei geeigneter Eingabe des Winkels ε (nämlich als Sinus und Cosinus) das dq-Koordinatensystem ruht und ein Gleichstromsignal liefert.
Die Transformation von R,S,T- in α, β,- bzw. dq-Koordinaten ist in der Elektrotechnik geläufig und beispielsweise aus dem Taschenbuch der Elektrotechnik, Band 2, Starkstromtechnik, E. Philippow, VEB-Verlag Technik, Berlin, 1966, insbesondere Seite 54 - 60, bekannt.
Die Wirkung des Messgerätes nach Erfindung ist wie folgt:
Die etwa während einer Periode T₁ des Versorgungsnetzes von der Abtast- und Halte-Schaltung 4 erfassten und zwischengespeicherten digitalen Werte des Stromes und/oder der Spannung einer oder mehrerer Phasen des Leiters 1 des Versorgungsnetzes werden im Frequenzverschiebungsblock 7 von einem harmonische Schwingungen der Frequenzen ωi, i = 1, 2, ..., zu einem zur erwünschten netzspezifischen Grösse proportionalen Gleichsignal DC verschoben. Wie aus den Schaltungen der Fig. 2 bis 6 ersichtlich ist, weist der Frequenzverschiebungsblock 7 für jede Messwertverarbeitungsaufgabe einen spezifischen Aufbau auf. Von 0 abweichende harmonische Frequenzen werden vom Tiefpass 100 der Filteranordnung 8 zurückgehalten, durch Abtastung mit der Abtast- und Halte-Schaltung 4 entstehende störende Aliasfrequenzen durch die Bandsperre 110 der Filteranordnung 8. Das gefilterte Gleichsignal DC wird nachfolgend schliesslich in der Verarbeitungsvorrichtung 9 entsprechend der zu lösenden Messwertverarbeitungsaufgabe unter Zuhilfenahme der vier Grundrechnungsarten sowie des Radizierens zur erwünschten netzspezifischen Grösse weiter verarbeitet.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 2 ergibt sich die Verschiebung des im Frequenzverschiebungsblock verarbeiteten Signals zum Gleichsignal bei der Bestimmung des Effektivwertes von Phasenstrom oder Phasenspannung dadurch, dass für jede Harmonische cos(kω₁ + φk), k = 1, 2, ..., zur Grundfrequenz ω₁ des Versorgungsnetzes die Identität gilt:
cos²(ω₁t + φk) = ½ - cos2(kω₁t + φk) = DC - cos2(kω₁t + φk)
mit k = 1, 2, ... und φk als Phasenwinkel.
Jede Harmonische wird also in ein Gleichsignal DC und ein Signal mit doppelter Frequenz aufgespalten. Da der Effektivwert, beispielsweise der Spannung der Phase R, wie folgt definiert ist:
Bei der Ermittlung des Effektivwertes der n-ten Harmonischen werden durch Transformation des R,S,T-Koordinatensystem in das dq-Koordinatensystem Gleichsignale für die direkte und die quadratische Komponente der n-ten Harmonischen erreicht. Für die Phasenspannung Ua erhält man daher an den Ausgängen des R,S,T-dq-Koordinatenwandlers 152 Gleichspannungssignale Und und Unq, welche nach Filtern, Quadrieren, Summieren und Radizieren in einfacher Weise den gewünschten Effektivwert liefern.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 3 ergibt sich die Verschiebung des im Frequenzverschiebungsblock 7 verarbeiteten Signals zum Gleichsignal bei der Bestimmung der Wirkleistung P und der Blindleistung Q des elektrischen Versorgungsnetzes ebenfalls durch R,S,T-dq-Transformation, bei der die bei der Netzfrequenz ω gemessenen Strom- und Spannungswerte der Phasen R,S,T in einem Referenz-Koordinatensystem betrachtet werden, welches mit der Nennkreisfrequenz ω₁ des Versorgungsnetzes rotiert. Hierbei wird eine ω-Komponente in eine (ω - ω₁)- und (ω + ω₁)-Komponente aufgespalten, so dass für ω = ω₁ ein Gleichstromsignal resultiert. Bei der Schaltung gemäss Fig. 3 werden nun die den drei Phasen R,S,T zugeordneten Spannungen Ua, Ub und Uc im R,S,T-α,β-Koordinatenwandler 153ʹ zunächst in Referenzsignale U·sinω₁t und U·cosω₁t im mit Nennkreisfrequenz ω₁ rotierenden α , β-Referenz-Koordinatensystem umgewandelt. Durch Eingabe der drei Phasenströme Ia, Ib und Ic und dieser Referenzsignale in den R,S,T-dq-Koordinatenwandler 153 erhält man schliesslich für ω = ωR = ω₁ am Ausgang von 153 für die direkte Koordinate zur Wirkleistung T und am Ausgang von 153 für die quadratische Komponente zur Blindleistung Q proportionale, ungefilterte Signale.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 4 ergibt sich die Verschiebung des im Frequenzverschiebungsblock 7 verarbeiteten Signals zum Gleichsignal bei der Bestimmung der Netzfrequenz ω des Versorgungsnetzes dadurch, dass bei einer R,S,T-dq-Transformation im Koordinatenwandler 154 aus den Spannungssignalen Ua, Ub, Uc eine quadratische Komponente q gewonnen wird, welche proportional zur Phasenwinkeldifferenz Δϑ zwischen dem gemessenen Signal und dem Signal eines Referenzsystems ist, welches mit der Frequenz ωR = ω₁ + Δω rotiert:
q = A· sin ϑ = A · Δϑ .
Dieser Wert q beinhaltet ein Gleichstromsignal. Dieses Gleichstromsignal dient zur Regelung eines Phase-Locked-Loop, PLL. In diesem Phase-Locked-Loop wirkt der R,S,T,-dq-Koordinatenwandler 154 als Phasendetektor. Das am Ausgang des Phasendetektors für die quadratische Komponente anstehende Signal q wird dem als Filter des PLL dienenden PI-Regler 204 zugeführt. Am Ausgang des PI-Reglers 204 steht die Differenz Δω zwischen der tatsächlichen Frequenz und der Nennkreisfrequenz ω₁ an. Nach Addition der Nennkreisfrequenz ω₁ zum Ausgangssignal Δω des PI-Reglers 204 gelangt das hierbei gebildete Signal ωR = ω₁ + Δω in den als spannungsgeregelter Oszillator, VCO, des Phase-Locked-Loop, PLL, wirkenden Signalgenerator 194. Die Ausgangssignale sinωRt und cosωRt des Signalgenerators 194 werden dem R,S,T-dq-Koordinatenwandler 154 als Referenzsignale zugeführt.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 5 ergibt sich die Verschiebung des im Frequenzverschiebungsblock 7 verarbeitenden Signals zum Gleichsignal bei der Bestimmung der Mitkomponente I+ durch die Transformation eines R,S,T-dq-Koordinatenwandlers 155. Hierbei ergeben sich nämlich für die direkte Komponente Id und die quadratische Komponente Iq folgende Werte:
Id = I+ cos φ+ + I- cos( φ-+2ω₁t)
Iq = I+ sin φ+ - I- sin( φ-+2ω₁t).
Id und Iq weisen daher jeweils einen Gleichstromanteil auf sowie einen nachfolgend in der Filteranordnung 8 entfernbaren Wechselstromanteil der Frequenz 2ω₁.
Bei der Koordinatentransformation durch den R,S,T-qd-Wandler 155ʹ werden Signale Iq und Id erhalten, welche lediglich einen von der Gegenkomponente I- abhängigen Gleichstromanteil enthalten.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 6 ergibt sich die Verschiebung des im Frequenzverschiebungsblock 7 verarbeiteten Signals zum Gleichsignal bei der Bestimmung der Nullkomponente
Io = 1/3 (Ia + Ib + Ic)
durch die Nachbildung der ein Gleichsignal liefernden Identität
i(t) + i(t+T₁/4) = I [cos²( ω₁t + φ₁) + cos²( ω₁t + φ₁+ )] = I,
in einer das Verzögerungsglied 216, die beiden Multiplizierer 126 und 126ʹ und den Summierer 166 enthaltenden Schaltung.
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