DE1591954C

DE1591954C - Procedure for the analog measurement of the phase angle

Info

Publication number: DE1591954C
Authority: DE
Inventors: Anton 6091 Weilbach Seelig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Publication date: 1972-11-09

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen sinusförmigen Meßgrößen, bei dem eine der beiden Meßgrößen gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben wird, aus beiden Meßgrößen Rechteckspannungen mit begrenzter Amplitude abgeleitet und aus diesen Spannungen eine dem Phasenwinkel proportionale Spannung gewonnen wird.The invention relates to a method for analog measurement of the phase angle between two electrical sinusoidal measured quantities, in which one of the two measured quantities compared to the other around 90 ° out of phase, square-wave voltages with limited amplitudes are derived from both measured variables and a voltage proportional to the phase angle is obtained from these voltages.

Es sind bereits Meßverfahren zum Messen des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen Größen bekannt, bei denen die einzelnen Größen in Rechteckspannungen umgeformt werden und bei denen dann die Summenspannung dieser Rechteckspannungen gebildet wird, deren Spannungsabfall an einem Lastwiderstand proportional dem Phasenwinkel zwischen den zwei Eingangsgrößen ist. Bei diesen Meßverfahren sind zur Erzeugung der Rechteckspannungen Verstärker mit Amplitudenbegrenzerschaltungen oder Rechteckgeneratoren erforderlich. Die Bildung der Summenspannung geschieht hier mittels zweier durch diese Rechteckspannungen angesteuerter elektronischer Verstärkerelemente, z. B. Elektronenröhren oder Transistoren, die auf einen gemeinsamen Lastwiderstand arbeiten. Diese Schaltungen haben einmal den Nachteil, daß sie sehr aufwendig sind und daß außerdem die Ausgangsspannung ihr Vorzeichen nicht ändert, wenn die Phasenverschiebung positiv oder negativ, d. h. vom induktiven Bereich in den kapazitiven Bereich übergeht. An der Ausgangsbpannung der Meßanordnung kann man daher nicht erkennen, ob es sich um eine induktive oder kapazitive Phasenverschiebung handelt. Außerdem können bei der Verwendung von Elektronenröhren oder Transistoren durch Arbeitspunktverschiebungen erhebliche Meßfehler auftreten.There are already measuring methods for measuring the phase angle between two electrical quantities known, in which the individual quantities are converted into rectangular voltages and in which then the total voltage of these square-wave voltages is formed, the voltage drop across a Load resistance is proportional to the phase angle between the two input quantities. With these Measurement methods are amplifiers with amplitude limiting circuits for generating the square-wave voltages or square wave generators required. The formation of the total voltage takes place here by means of two electronic amplifier elements controlled by these square-wave voltages, e.g. B. Electron tubes or transistors that work on a common load resistance. These circuits have the disadvantage that they are very expensive and that the output voltage also has its sign does not change if the phase shift is positive or negative, i.e. H. from the inductive range in passes over the capacitive area. It is therefore not possible to use the output voltage of the measuring arrangement recognize whether it is an inductive or capacitive phase shift. In addition, at the use of electron tubes or transistors due to shifts in the operating point Measurement errors occur.

Es ist bereits ein Verfahren zur analogen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen sinusförmigen Meßgrößen bekannt, bei dem eine der beiden Meßgrößen gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben wird, aus beiden Meßgrößen Rechteckspannungen mit begrenzter Amplitude abgeleitet und aus diesen Spannungen eine dem Phasenwinkel proportionale Spannung gewonnen wird.There is already a method for analog measurement of the phase angle between two electrical sinusoidal ones Measured variables known in which one of the two measured variables is 90 ° relative to the other phase-shifted, square-wave voltages with limited amplitude are derived from both measured quantities and a voltage proportional to the phase angle is obtained from these voltages.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu" gründe, ein einfaches Meßverfahren zur Messung des positiven und negativen Phasenwinkels zweier elektrischer Meßgrößen zu schaffen.The present invention seeks to provide a simple measuring method for measuring the to create positive and negative phase angles of two electrical measurands.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß aus den Rechteckspannungen die Summenspannung und die Differenzspannung gebildet werden, die jeweils über einen Dqppelweggleichrichter mit nachgeschalteter Glättungsdrossel gleichgerichtet werden, und daß diese beiden Gleichspannungen an einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen zu einer dem Phasenwinkel der beiden Eingangsgrößen proportionalen Spannung addiert werden.This object is achieved according to the invention in that the sum voltage is derived from the square-wave voltages and the differential voltage are formed, each via a Dqppelwegrectrichter with downstream smoothing choke are rectified, and that these two DC voltages at one Series connection of two resistors to form one that is proportional to the phase angle of the two input variables Voltage can be added.

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Appropriate further developments of the subject matter of the invention can be found in the subclaims.

Es ist bereits eine Anordnung zur Messung des * Phasenwinkels zweier elektrischer Meßgrößen bekannt (französische Patentschrift 1 470 849), die Verknüpfungsglieder zur Durchführung logischer Operationen verwendet, die mit Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichbar sind. Die Anordnung ist nicht für Anwendungsfälle geeignet, bei denen eine Potentialtrennung zwischen den Eingangsgrößen und der Ausgangsgröße erforderlich ist, wie beispielsweise in Leistungs-Regelkreisen. Ferner erlaubt die bekannte Anordnung nur die Feststellung des Betrages der Phasenverschiebung, jedoch nicht die Feststellung des Vorzeichens derselben. Diese Eigenschaft muß von einer Phasenwinkel-Meßeinrichtung unbedingt gefordert werden, wenn sie Bestandteil eines Regelkreises ist, der die Phasenverschiebung zwischen den Eingangsgrößen auf Null regeln soll. Durch die Verwendung von Übertragern wird beim Erfindungsgegenstand in einfacher Weise sowohl eine Potentialtrennung als auch durch entsprechendes Zusammenschalten der Übertragerwicklungen die notwendigen Spannungsadditionen ohne zusätzliche elektronische Verknüpfungseielemente erreicht.An arrangement for measuring the phase angle of two electrical measured variables is already known (French patent specification 1 470 849), the logic elements for performing logical operations used, which are comparable to steps of the method according to the invention. The order is not suitable for applications where there is potential separation between the input variables and the output is required, such as in power control loops. Furthermore, the known arrangement only the determination of the amount of the phase shift, but not the determination the sign of the same. A phase angle measuring device must have this property are required if it is part of a control loop that controls the phase shift between the Should regulate input variables to zero. The use of transformers in the subject matter of the invention provides a simple electrical isolation as well as by interconnecting the transformer windings accordingly Tension additions achieved without additional electronic link elements.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert.The invention is illustrated with reference to FIGS. 1 to 4 explained in more detail.

F i g. 1 zeigt die Schaltung zum analogen Messen des Phasen winkeis zwischen zwei Spannungen;F i g. 1 shows the circuit for analog measurement of the phase angle between two voltages;

F i g. 2 zeigt Signaldiagramme der Spannungen und Ströme innerhalb der Schaltung;F i g. Figure 2 shows signal diagrams of the voltages and currents within the circuit;

Fig. 3 zeigt einen Meßeingang für den Fall, daß die Größe 2 als Strom vorliegt,Fig. 3 shows a measuring input for the case that variable 2 is present as a current,

F i g. 4 zeigt einen Meßeingang für den Fall, daß die Größe 1 als Strom vorliegt.F i g. 4 shows a measuring input for the case that the size 1 is present as a stream.

In den Figuren sind für gleiche Gegenstände gleiche Bezugszeichen verwendet.In the figures, the same reference symbols are used for the same items.

In F i g. 1 ist eine Schaltung gezeigt für den Fall, daß beide Eingangsgrößen als Spannung vorliegen. Die Eingangsspannung U₁ wird über einen Vorwiderstand 1 an die Reihenschaltung der beiden Zenerdioden 2 und 3 geschaltet, wobei die Zenerdioden mitIn Fig. 1 shows a circuit for the case that both input variables are present as a voltage. The input voltage U ₁ is connected to the series connection of the two Zener diodes 2 and 3 via a series resistor 1, with the Zener diodes as well

ihren Anoden- oder Kathodenanschlüssen miteinander verbunden sind. Durch die amplitudenbegrenzende Wirkung der Zenerdioden wird hier die sinusförmige Eingangsspannung in eine Rechteckspannung M₁' umgewandelt. Die andere Eingangsspannung M₂ wird an einen Übertrager 4, der auf der'Sekundärseite einen Mittelabgriff besitzt, gelegt. Die beiden Sekundärwicklungen sind durch die beiden gleichen Reihenschaltungen, bestehend aus dem Kondensators, den Zenerdioden 7 und 8 bzw. dem Kondensator 9 und den Zenerdioden 11 und 12 überbrückt. An den Zener_: dioden 7 und 8 bzw. 11 und 12, die gegeneinandergeschaltet sind, wird die zur Eingangsspannung M₂ um 90° phasenverschobene Rechteckspannung M₂' abgenommen. Zwei Übertrager 13 und 14 werden nun so an die gegeneinandergeschalteten Zenerdioden 2 und 3, 7 und 8 sowie 11 und 12 angeschlossen, daß an der Primärwicklung des einen Übertragers 14 die Differenz aus den beiden Rechteckspannungen U₁'-U₂ und an dem anderen Übertrager 15 die Summe der Recbteckspannungen U₁+u₂ anliegt. An den Sekundärwicklungen der Übertrager 13 und 14 sind jeweils die Gleichrichter 15 und 16 angeschlossen, die über die Glättungsdrosseln 17 und 18 auf die Lastwiderstände 19 und 20 arbeiten. An den Lastwiderständen treten die Spannungen M₂₀ und M₁₉ auf. Die Ausgangsspannung ucp, die an der Reihenschaltung der Widerstände 19 und 20 abgegriffen wird, ist die Differenz der Spannungen U₂₀-U₁₉ und ist proportional der Phasenverschiebung der beiden Eingangsspannungen.their anode or cathode connections are connected to one another. Due to the amplitude-limiting effect of the Zener diodes, the sinusoidal input voltage is converted into a square-wave voltage M ₁ '. The other input voltage M ₂ is applied to a transformer 4 which has a center tap on the secondary side. The two secondary windings are bridged by the two identical series connections consisting of the capacitor, the Zener diodes 7 and 8 or the capacitor 9 and the Zener diodes 11 and 12. At the Zener _: diodes 7 and 8 or 11 and 12, which are connected against one another, the _{square-wave voltage M 2} ′, which is phase-shifted by 90 ° with _{respect to the input voltage M 2, is taken.} Two transformers 13 and 14 are now connected to the oppositely connected Zener diodes 2 and 3, 7 and 8 as well as 11 and 12 that the difference between the two square-wave voltages U ₁ '-U ₂ and the other transformer on the primary winding of one transformer 14 15 the sum of the corner voltages U ₁ + u ₂ is applied. The rectifiers 15 and 16, which work on the load resistors 19 and 20 via the smoothing chokes 17 and 18, are connected to the secondary windings of the transformers 13 and 14. _{The voltages M 20} and M ₁₉ appear at the load resistors. The output voltage ucp, which is tapped from the series connection of the resistors 19 and 20, is the difference between the voltages U ₂₀ -U ₁₉ and is proportional to the phase shift of the two input voltages.

In Fig. 2 sind die Signaldiagramme der .Spannungen innerhalb der Schaltung nach F i g. 1 dargestellt.FIG. 2 shows the signal diagrams of the voltages within the circuit according to FIG. 1 shown.

F i g. 2 a zeigt den Verlauf der beiden Eingangsspannungen, die um den Winkel φ gegeneinander verschoben sind.F i g. 2 a shows the course of the two input voltages, which are shifted relative to one another by the angle φ.

In F i g. 2 b sind die Rechteckspannungen U₁ und M₂' dargestellt, wobei die Rechteckspannung M₂' gegenüber der Rechteckspannung U₁ zusätzlich zur unbekannten Phasenverschiebung um 90° verschoben ist.In Fig. 2 b, the square-wave voltages U ₁ and M ₂ 'are shown, the square-wave voltage M ₂ ' being shifted by 90 ° with respect to the square-wave voltage U _{1 in} addition to the unknown phase shift.

F i g. 2c zeigt die Differenzspannung von M₁' und M₂'.F i g. 2c shows the differential voltage of M ₁ 'and M ₂ '.

¹F i g. 2d zeigt die Summenspannung der beiden Rechteckspannungen M₁' und M₂'. ¹ Fig. 2d shows the total voltage of the two square-wave voltages M ₁ 'and M ₂ '.

Diese Summen- und Differenzspannungen mit der Amplitude u_z werden über die Doppelweggleichrichter 15 und 16 nach Schaltung 1 gleichgerichtet und über die Drosseln 17 und 18 geglättet. Die geglätteten Ausgangsspannungen M₂₀ und M₁₉ der beiden Gleichrichter . 15 und 16 werden durch Verbinden der Widerstände 19 und 20 gegeneinandergeschaltet.fEs entsteht dabei die Spannung uq), die die Differenz der Spannungen ^U2o—W₁₉ ist. Sie ist direkt proportional dem Phasenwinkel der beiden Eingangsgrößen und hat folgenden Wert:"These sum and difference voltages with the amplitude u _z are rectified via the full wave rectifiers 15 and 16 according to circuit 1 and smoothed via the chokes 17 and 18. The smoothed output voltages M ₂₀ and M _{19 of} the two rectifiers . 15 and 16 are switched against one another by connecting the resistors 19 and 20. This creates the voltage uq), which is the difference between the voltages ^U 2o-W ₁₉ . It is directly proportional to the phase angle of the two input variables and has the following value: "

= U₂₀-U₁₉ = M₂ ^l - = U ₂₀ -U ₁₉ = M ₂ ^ l -

j£j - U_x \\ + ^jj £ j - U _x \\ + ^ j

Diese Ausgangsspannung uq> hat für den negativenThis output voltage uq> has for the negative

»ο Phasenwinkel —90° entgegengesetzte Vorzeichen und den gleichen Wert wie für positive Phasenverschiebung von 90°. Sind die beiden Eingangsgrößen nicht gegeneinander phasenverschoben, so hat die Ausgangsspannung uq> den Wert Null. -»Ο phase angle -90 ° opposite sign and the same value as for a positive phase shift of 90 °. If the two input quantities are not out of phase with one another, the output voltage uq> has the value zero. -

Zur Anzeige kann ein Voltmeter mit Mittelpunktsanzeige verwendet werden, das in Winkelgraden geeicht wird.A voltmeter with a center point display, which is calibrated in degrees of angle, can be used for the display will.

In F i g. 3 ist der Eingang der Meßschaltung f ürdie Größe 2 angegeben, falls diese als Strom vorliegt. MitIn Fig. 3 shows the input of the measuring circuit for quantity 2, if this is present as a current. With

Hilfe eines Stromwandlers 21 wird hier von dem zu messenden Strom eine Spannung abgeleitet. Die zusätzliche Phasenverschiebung der Sekundärspannung wird nicht wie in F i g. 1 durch in Reihe zu den Wicklungen liegende Kondensatoren, sondern durch parallel zu der Sekundärwicklung liegende Kondensatoren 22 und 23 hervorgerufen. Die weitere Schaltung zur Erzeugung der Rechteckspannung M₂ entspricht derjenigen von F i g. 1.
F i g. 4 zeigt eine Schaltung für den Fall, daß die Eingangsgröße 1 als Strom vorliegt. Auch hier wird, wie in Fig. 3, mit" Hilfe eines Stromwandlers24 eine Spannung von dem zu messenden Strom abgeleitet,With the aid of a current transformer 21, a voltage is derived from the current to be measured. The additional phase shift of the secondary voltage is not as in FIG. 1 caused by capacitors lying in series with the windings, but rather by capacitors 22 and 23 lying parallel to the secondary winding. The further circuit for generating the square-wave voltage M ₂ corresponds to that of FIG. 1.
F i g. 4 shows a circuit for the case that the input variable 1 is present as a current. Here, too, as in FIG. 3, a voltage is derived from the current to be measured with the aid of a current transformer 24,

- die dann dem Eingang 1 der Schaltung nach F i g. 1- which then corresponds to input 1 of the circuit according to FIG. 1

zugeleitet wird.is forwarded.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for the analog measurement of the phase angle between two electrical sinusoidal measured variables, in which one of the two measured variables is phase shifted by 90 ° with respect to the other, derived from both measured variables rectangular voltages with limited amplitude and from these voltages a voltage proportional to the phase angle is obtained, thereby characterized in that the sum voltage and the differential voltage are formed from the square-wave voltages, which are each rectified via a full-wave rectifier with a downstream smoothing choke, and that ¹ S these two DC voltages are added to a series circuit of two resistors to form a voltage proportional to the phase angle of the two input variables.

2. The method of claim i, characterized in that for deriving the square wave voltages from the measured quantities, the input voltages are applied via a series resistor to two mutually-connected zener diodes whose zener voltage is substantially smaller than the amplitude-tude S * of the input voltage.

3. The method according to claim 1, characterized in that the additional phase shift an input variable by 90 ° by a capacitor or by an inductance that is either in series in front of or in parallel with the circuit to generate the square-wave voltages be switched.