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Schaltungsanordnung zur Messung der reziproken Frequenz einer
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WechselsPannung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Messung der reziproken Frequenz einer Wechselspannung.
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In vielen Anwendungsfällen der Elektrotechnik ist es erforderlich,
den Istwert der Frequenz einer Wechselspannung möglichst rasch und genau zu messen.
Häufig wird der Istwert der Frequenz für Steuer- oder Regelzwecke benötigt. Hierbei
wird eine hohe Steuer- bzw. Regelgeschwindigkeit angestrebt. Als Anwendungsfälle
sind zu nennen: A) Messung der Frequenz eines Generators als Voraussetzung für dessen
Steuerung oder Regelung, B) Messung einer Netzfrequenz zwecks Frequenznachführung
eines Steuersatzes für einen Stromrichter an einem frequenzvariablen Netz, C) Messung
einer Generator- oder Netzfrequenz und einer Maschinenfrequenz bei der Frequenzregelung
zur Synchronisation der Maschinenfrequenz auf die regelbare Generator- oder Netzfrequenz,
und
D) Messung einer Maschinenfrequenz bei der Frequenzregelung
zur Synchronisation der regelbaren Maschinenfrequenz auf eine vorgegebene Netzfrequenz.
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Die Messung der Frequenz oder der reziproken Frequenz (Periodendauer)
bereitet dann einige Schwierigkeiten, wenn die Wechselspannung nicht rein sinusförmig
ist, wenn in ihr also neben der Grundschwingung noch Oberschwingungen enthalten
sind.
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Es ist bekannt, zur Frequenzmessung einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer
heranzuziehen. Dieser enthält üblicherweise zur Unterdrückung von Oberschwingungen
in der Ausgangsgleichspannung Clättungsglieder. Durch die Glättungaglieder, die
eine beträchtliche Zeitkonstante besitzen, ist bei einem solchen Frequenz-Spannungs-Umsetzer
die Geschwindigkeit der Frequenzanzeige begrenzt. Weiterhin ist.es bekannt, bei
der Drehzahlerfassung bei einer Drehfeldmaschine einen Tachogenerator oder ein Digitron
einzusetzen.
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Diese Bauglieder bedeuten häufig einen erheblichen Aufwand. Sie sind
gelegentlich auch aus PlatzgrUnden nicht einsetzbar. In vielen Anwendungsfällen
will man auf eine Tachometermaschine, ein Digitron oder einen Polradlagegeber verzichten
(redundante Stromversorgung einer Antriebsmaschine).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Messung der reziproken Frequenz (Periodendauer) einer Wechselspannung anzugeben,
die mit geringem Aufwand an Baugliedern eine schnelle Erfassung des Istwerts der
Frequenz ermöglicht, wobei der erhaltene Meßwert - unabhängig vom gerade gemessenen
Istwert - oberschwingungsarm sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine erste Schaltungsanordnung,
die gekennzeichnet ist durch folgende Bauglieder in der angegebenen Rethenfolgoz
a) eine Einrichtung zur Erfassung von Nulldurchgängen, die an ihrem Eingang mit
der Wechselspannung beaufschlagt ist und die an ihrem Ausgang ein zeitlich rechteckiges
Ausgangssignal abgibt, dessen Flanken von den Nulldurchgängen der Wechselspannung
festgelegt sind,
b) einen Frequenzumformer, der ein zeitlich rechteckiges
Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz gegenüber der Frequenz des Ausgangssignals
der Einrichtung zur Erfassung von Nulldurchgängen um einen ganzzahligen Faktor ungleich
1 vergrößert oder verkleinert ist, c) einen Sägezahngenerator, dessen zeitlich sägezahnförmiges
Ausgangssignal jeweils von einer Flanke des Ausgangssignals des Frequenzumformers
gestartet ist, und d) ein Halteglied, das den Wert des zeitlich sägezahnförmigen
Ausgangssignals jeweils kurz vor Auftreten einer neuen Flanke des Ausgangssignals
des Frequenzumformers speichert und dessen Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme
abgreifbar ist.
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Insbesondere kann so vorgegangen werden, daß als Frequenzumformer
ein Frequenzteiler vorgesehen ist, der die Frequenz im Verhältnis 1 : 2 unterteilt.
Bei dieser Ausführungsrorm beruht die Schaltungsanordnung auf einer wiederholten
Messung des Abstands zwischen iibernächstem Nachbarn von Nulldurchgängen der Wechselspannung.
Der Fall mit p = 2 ist besonders einfach technisch zu realisieren. Hierbei beträgt
die Totzeit der Frequenzerfassung eine Periode T.
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Eine Verringerung der Totzeit bei der Frequenzerfassung mittels der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn lediglich Teilabschnitte
einer Periode bei der Messung berücksichtigt werden. Das ist beispielsweise dann
der Fall, wenn die drei Leiterspannungen eines dreiphasigen Spannungssystems vorliegen.
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Zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge in diesem Spannungssystem
haben einen Abstand von T/6. Werden sämtliche Nulldurchgänge des Spannungs systems
von der Einrichtung zur Erfassung von Nulldurchgängen infolge Addition ausgewertet,
so ergibt sich eine Totzeit T/6.
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Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine
zweite Schaltungsanordnung, die gekennzeichnet ist durch folgende Bauglieder in
der angegebenen Reihenfolge:
a) eine Einrichtung zur Erfassung von
Nulldurchgängen, die an ihrem Eingang mit der Wechselspannung beaufschlagt ist und
die an ihrem Ausgang ein zeitlich rechteckiges Ausgangssignal abgibt, dessen Flanken
von den Nulldurchgängen der Wechselspannung festgelegt sind, b) einen Frequenzumformer,
der ein zeitlich rechteckiges Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz gegenUber der
Frequenz des Ausgangssignals der Einrichtung zur Erfassung von Nulldurchgängen um
einen ganzzahligen Faktor p mit p = 1, 2, 3, ... verkleinert ist, c) eine vom Frequenzumformer
gesteuerte Zählschaltung, die an einen Oszillator angeschlossen ist, d) einen Zahlenspeicher,
in den der Zahlenstand der Zählerschaltung - gesteuert vom Frequenzumformer - Ubertragbar
ist, und e) einen Digital-Analog-Umsetzer, dessen Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme
abgreifbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
vier Figuren erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur analogen
Messung der reziproken Frequenz einer Wechselspannung in prinzipieller Darstellung,
Figur 2 den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Signale, Figur 3 ein Diagramm, in
dem das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der reziproken
Frequenz dargestellt ist, und Figur 4 eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung
der reziproken Frequenz einer Wechselspannung.
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In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung der reziproken
Frequenz T = 1/f einer Wechselspannung u dargestellt. Diese Schaltungsanordnung
könnte als "Perioden-Spannungs-Wandler" bezeichnet werden. Die Wechselspannung u
liegt beispielsweise als Generatorspannung vor; sie ist im wesentlichen sinusförmig.
Sie
ist an die Eingangsklemme 2 einer Einrichtung 4 zur Erfassung
von Nulldurchgängen gelegt. Die Einrichtung 4 bildet an ihrem Ausgang aus der Wechselspannung
u ein zeitlich rechteckiges Ausgangssignal, dessen Anstiegs- und Abfallflanken von
der Lage der Nulldurchgänge der Wechselspannung u festgelegt sind.
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Das ist in den beiden oberen Diagrammen von Figur 2 dargestellt.
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Das Ausgangssignal der Einrichtung 4 wird in einen Frequenzumformer
6 gegeben. Dieser ist hier speziell als Frequenzteiler für einen Unterteilungsfaktor
p = 2 ausgebildet. Er unterteilt also die Frequenz im Verhältnis 1 : 2. Das Ausgangssignal
des Frequenzumformers 6 kann ein H- oder ein T-Signal der Periode T sein. Nach dem
dritten Diagramm von Figur 2 werden die Anstiegs-und Abfallflanken dieses Ausgangssignals
von denJenigen Nulldurchgängen der Wechselspannung u bestimmt, bei denen der Spannungswert
vom Negativen ins Positive übergeht.
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Dem Frequenzumformer 6 ist ein Sägezahngenerator 8 nachgeschaltet.
Dieser Sägezahngenerator 8 gibt ein zeitlich sägezahnförmiges Ausgangssignal ab.
Das Ausgangssignal wird Jeweils mit der Anstiegsflanke des Ausgangssignals des Frequenzumformers
6 gestartet. Der Anstieg verläuft zeitlich linear. Mit Jeder Abfallflanke des Ausgangssignals
des Frequenzumformers 6 wird es wieder auf den Ausgangswert Null zurUckgesetzt.
Es verbleibt in dieser Lage bis zur nächsten Anstiegsflanke.
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Das ist aus dem vierten Diagramm von Figur 2 ersichtlich.
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Der Sägezahngenerator 8 ist über einen ersten Widerstand 9 an den
einen Kontakt eines Ausschalters 10 angeschlossen. Dieser Schalter 10 wird von einer
Kommandoeinrichtung 12 über eine Kommandoleitung 14 betätigt. Die Kommandoeinrichtung
12 wird ihrerseits von den Ausgangssignalen der Einrichtung 4 und des Frequenzumformers
6 beaufschlagt. Der Schalter 10, der insbesondere ein Feldeffekt-Transistor sein
kann, liegt mit seinem Ruhekontakt am Eingang eines Verstärkers 16. Als Verstärker
16 ist insbesondere ein Operationsverstärker vorgesehen. Dieser besitzt einen ständig
zugeschalteten Kondensator 17 in der Rilckftlhrung. Der Ausgang des Verstärkers
16 ist über eine Leitung 18 und einen zweiten Widerstand 19 ebenfalls mit dem einen
Kontakt des Schal-
ters 10 verbunden. Der andere Kontakt ist ohne
Schaltverbindung.
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Sind die Widerstände 9, 19 gleich groß bemessen, so besitzt der Verstärker
16 die Verstärkung 1.
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Mit Hilfe eines kurzen Ubergabekommandosignals, das über die Kommandoleitung
14 gegeben wird und im 5. Diagramm von Figur 2 dargestellt ist, wird der Wert des
sägezahnförmigen Ausgangssignals des Sägezahngenerators 8 am Ende der Periode T
im Verstärker 16 gespeichert. An der Ausgangsklemme 20 des Verstärkers 16 kann ein
Ausgangssignal ua abgegriffen werden.
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Der Schalter 10 samt Verstärker 16, den beiden zugehörigen Widerständen
und dem Kondensator 17 wirkt als Halteglied, speziell als Halteverstärker. Die Anordnung
ist dabei so getroffen, daß in der ersten Stellung des Schalters 10 (für kurze Zeit)
der erste Widerstand 9 am Eingang des Verstärkers 16 und gleichzeitig der zweite
Widerstand 19 parallel zum Kondensator 17 in der Rückführung liegt (Verstärkerwirkung),
und daß in der zweiten Stellung des Schalters 10 der Eingang des Verstärkers 16
(für längere Zeit) offen und nur der Kondensator 17 in der Rückführung liegt (Haltewirkung).
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Die Funktion ist folgende: Befindet sich der Schalter 10 in der ersten
(geschlossenen) Schaltstellung, so liegt am Eingang des Verstärkers 16 das sägezahnförmige
Signal (4. Diagramm von Figur 2). Das Ausgangssignal ua folgt dem sägezahnförmigen
Verlauf, d. h. solange das sägezahnförmige Ausgangssignal des Sägezahngenerators
8 Null ist, ist auch das Ausgangssignal ua Null und solange das besagte sägezahnförmige
Ausgangssignal linear ansteigt, steigt auch das Ausgangssignal ua linear an. Befindet
sich der Schalter 10 dagegen in der zweiten (offenen) Schaltstellung, so wird das
Ausgangssignal ua allein durch die Spannung des Kondensators 17 bestimmt. Das Ausgangssignal
ua ist also annähernd konstant (glatter Zeitverlauf) und von dem sägezahnförmigen
Signal völlig unabhängig.
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Die Steuerung des Schalters 10 wird durch das Ubergabekommandosignal
so vorgenommen, daß dieser Schalter 10 jeweils kurz vor
dem Zurücksetzen
des Sägezahnsignals auf Null für kurze Zeit geschlossen wird (5. Diagramm von Figur
2). Während dieser Zeit wird das Ausgangssignal ua auf die gerade anstehende Höhe
des sägezahnförmigen Signals korrigiert. Bis zum nächsten kurzzeitigen Schließen
des Schalters 10 bleibt das Ausgangssignal ua auf diesem Wert stehen. Es kann also
- ohne daß Dämpfungsglieder verwendet werden - durch Oberschwingungen in der Haltephase
nicht beeinflußt werden.
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Die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 20 des Haltegliedes 10,
16 ist proportional zu der zu messenden Periode T. Das ist in Figur 3 dargestellt.
Das gemessene Ausgangssignal ua ist -unabhängig von der Frequenz f - oberschwingungsfrei.
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Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat also die Eigenschaft,
daß nach jeder Periode T das Ausgangssignal ua auf den neuen Wert korrigiert wird.
Die Totzeit der Frequenzerfassung beträgt also eine Periode T. Die Totzeit läßt
sich dann verringern, wenn mit derselben Methode nicht in einer vollen Periode T,
sondern in einem Teilabschnitt dieser Periode T gemessen wird. Auf diese Weise läßt
sich beispielsweise die reziproke Frequenz im 600-el-Abstand der Leiterspannungen
eines dreiphasigen Spannungssystems messen.
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Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Messung der reziproken
Frequenz T = 1/f einer Wechselspannung u in digitaler Bauweise. Die an eine Eingangsklemme
2 gelegte Wechselspannung u wird wieder zunächst mittels einer Einrichtung 4 zur
Erfassung der Nulldurchgänge in ein entsprechendes Rechtecksignal umgewandelt. Ein
nachgeschalteter Frequenzumformer 6 sorgt auch hier wieder für eine Frequenzunterteilung
im Verhältnis 1 : 2.
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Das rechteckige Ausgangssignal des Frequenzumformers 6 (vgl.
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3. Diagramm in Figur 2) ist an den Eingang einer Zählschaltung 40
gelegt. Diese Zählschaltung 40 ist mit ihrem Zähleingang mit einem Oszillator 42
verbunden, der Zählimpulse mit einer konstanten und vergleichsweise hohen Frequenz
abgibt. Bei dem Oszillator 42 kann es sich beispielsweise um einen Quarzoszillator
handenn, der mit einer stabilen Frequenz von 2 MHz arbeitet. Jede
Anstiegsflanke
des Ausgangssignals des Frequenzumformers 6 sorgt dafür, daß die Zählschaltung 40
fortan die eingegebenen Zählimpulse zählt, und die nachfolgende Abfallflanke führt
zum Abschalten der Zählschaltung 40. Gleichzeitig sorgt die Abfallflanke (über eine
nicht bezeichnete Steuerleitung) für eine Ubertragung des Zählerstandes in einen
ZahlenspeicEler 44 in Form eines Registers. Der Zählerstand ist ein Maß fUr den
Abstand zwischen benachbarten Flanken des rechteckförmigen Ausgangssignals des Frequenzumformers
6 und damit auch ein Maß für die Periodendauer T.
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Ein Digital-Analog-Umsetzer 46 ist dem Zahlenspeicher 44 nachgeschaltet.
Er wandelt den Zahlenwert in ein analoges Signal um, das als Ausgangsspannung ua
an der Ausgangsklemme 20 abgegriffen wird. Der Zählerstand und damit die Ausgangsspannung
ua ist zwischen zwei Messungen konstant, d. h. Oberschwingungen in der Wechsel spannung
u können auch hier das abgegebene Ausgangssignal ua nicht beeinflussen. Um dieses
Verhalten der Schaltungsanordnung zu erzielen, sind - wie ersichtlich - Glättungsmittel
(Filter) nicht erforderlich. Die durch Glättungsmittel überlicherweise bedingten
großen Zeitkonstanten treten somit nicht auf, was insbesondere für Regelzwecke von
besonderem Vorteil ist.
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Dem Digital-Analog-Umsetzer 46 ist vorliegend noch ein Dividierglied
48 nachgeschaltet. Dieses bildet ein Ausgangssignal Uf, das dem Reziproken des Eingangssignals
ua proportional ist. Während also das Ausgangssignal ua der Periode T proportional
ist, ist das Ausgangssignal Uf der Frequenz f proportional. Das Ausgangssignal Uf
ist also eine frequenzproportionale oberschwingungsfreie Spannung.
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4 Figuren 6 Patentansprüche