DE3133019A1

DE3133019A1 - Leistungsmessgeraet

Info

Publication number: DE3133019A1
Application number: DE19813133019
Authority: DE
Inventors: Larry Eugene 48078 Sterling Heights Mich. Cameron
Original assignee: Valeron Corp
Current assignee: Valenite LLC
Priority date: 1980-08-28
Filing date: 1981-08-20
Publication date: 1982-04-29
Also published as: FR2489526A1; IT1143428B; BR8105457A; US4360879A; DE3133019C2; JPS57118162A; FR2489526B1; CA1162988A; GB2082785A; MX149814A; GB2082785B; IT8149190A0; SE8105076L

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Leistungsaufnahme einer elektrischen Last.

Ein Gerät der fraglichen Art ist in der US-PS 40 96 436 beschrieben. Dieses arbeitet bei seinem ins Auge gefaßten Anwendungsgebiet mehr als zufriedenstellend. Es ist jedoch erforderlich, daß beim bekannten Leistungsüberwachungsgerät die überwachten Lastsignale von der Anzeigeeinrichtung durch massige und teure Kopplungstransformatoren getrennt werden. Außerdem müssen die über den Transformator gekoppelten Leistungswandlersignale in einem verhältnismäßig komplexen Analogsignalwandler verarbeitet werden, damit das Leistungsmeßgerät mit einer digitalen Verarbeitung, beispielsweise einem Mikrocomputer, verwendet werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein transformatorloses Leistungsmeßgerät zu schaffen, welches ein der Leistungsaufnahme der überwachten Last proportionales digitales Signal erzeugt, welches leicht an auf Prozessoren aufbauende Meß- oder Regelkreise angeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Merkmal, welches der vorliegenden Erfindung inhärent ist, besteht darin, daß das Ausgangssignal des Leistungsmeßgerätes gegenüber Rauschen immun ist und demzufolge über verhältnismäßig weite Entfernung übertragen werden

kann.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Leistungsmeßgerät schnellere Ansprechzeiten als

yk.

diejenigen Geräte aufweist* welche analoge Ausgangssignale erzeugen. Dies beruht darauf, daß das Impulsfolgen-Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Gerätes bei der Ankopplung an eine die Weiterverarbeitung besorgende Einrichtung nicht gefiltert werden muß.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Leistungsmeßgerät sowohl zur Vermessung von Wechsel- als auch von Gleichstrom-Leistungsaufnahme ohne Modifikation verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; die einzige Figur zeigt schematisch die Schaltungsanordnung des Leistungsmeßgerätes.

In dieser Figur wird einer Wechselspannungs- oder Gleichspannungslast 101 von einer Spannungsquelle über die Leitungen 121 und 122 elektrische Energie zugeführt. Bei der Last kann es sich beispielsweise um den Spindelmotor einer elektrisch angetriebenen Werkzeugmaschine handeln. Ein strommessender Nebenschluß 102 ist in Reihe mit einer Stromzuführungsleitung 121 und der Last 101 angeordnet.

Ein erstes Signal, welches proportional zur Spannung an der Last 101 ist, wird von einem Spannungsteilernetzwerk entwickelt, welches aus den Widerständen 132,133 und einem Spitzenspannungs-Begrenzungskreis aus den Dioden 135 und

136 besteht.
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Ein'geerdeter Anschluß der Last 101 ist über den Weg 123 mit einem ersten Anschluß des Widerstandes 132 verbunden. Ein weiterer Anschluß der Last 101 ist über den Weg 124 mit einem ersten Anschluß eines Widerstandes 133 verbunden. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände 132 und 133 sind gemeinsam mit einem Punkt verbunden, an dem ein Anodenanschluß einer Diode 135 an einen Kathodenanschluß einer

Diode 136 gekoppelt ist. Ein Kathodenanschluß der Diode 135 ist mit einer positiven Referenzspannungsquelle +V1 gekoppelt; ein Anodenanschluß der Diode 136 ist mit einer negativen Referenzspannungsquelle -V1 verbunden- Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände 132 und 133 sowie der Dioden 135 und 136 ist zusätzlich über den Filterkondensator 137 mit Erdpotential und mit dem Anschluß 1 eines analogen Signalmultiplizierkreises 104 über den Widerstand 139 verbunden- Das erste, der Spannung über der Last 101 proportionale Signal erscheint somit am Anschluß 1 des Multiplizierkreises 104.

Ein zweites, dem von der Last 101 gezogenen Strom proportionales Signal wird über dem Nebenschluß 102 und den Operationsverstärker 103 entwickelt. Eine Seite des Nebenschlusses 102 ist über den Widerstand 130 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 103 gelegt. Der invertierende Eingang des Verstärkers 103 ist zusätzlich über den Widerstand 134 mit dem Ausgang des Verstärkers 103 gekoppelt. Der andere Anschluß des Nebenschlusses 102 ist über den Weg 123 und den Widerstand 131 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 103 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 103 ist über den Widerstand 138 an den Anschluß 6 des Multiplizierkreises 104 gekoppelt. Das zweite Signal erscheint demzufolge am Anschluß 6 des Multiplizierkreises 104.

Der Multiplizierkreis 104 erzeugt das Produkt des ersten Signales am Anschluß 1 mit dem zweiten Signal am Anschluß

^" 6 und gibt das Produkt in Form eines dritten Signales am Ausgangsanschluß 4 ab. Der Multiplizierkreis 104 kann beispielsweise ein integrierter Schaltkreis AD532 der Firma Analog Devices, Inc., sein.

Das Ausgangssignal des Multiplizierkreises 104 wird über den die Gesamtverstärkung einstellenden Widerstand 140 an einen Signalsummierkreis gelegt, welcher die Eingangs-

widerstände 141 und 142, einen summierenden Operationsverstärker 106 und einen Rückkopplungswiderstand 143 enthält. Ein weiterer Eingang des Signalsummierkreises ist mit einer Quelle 105 eines Referenz-Offsetsignals gekoppelt. Diese erzeugt eine Präzisions-Offsetspannung, welche von der Eingangsspannungsversorgung +V1 abgeleitet wird und an einen ersten Anschluß eines Widerstandes 142 gegeben wird. Bei der Referenzspannungsqüelle 105 kann es sich beispielsweise um das Modell AD580 der Firma Analog Devices, Inc., handeln. Ein Schleifer des variablen Widerstandes 140 ist über einen Widerstand 141 mit einem Summierungsknoten am invertierenden Eingang des Verstärkers 106 verbunden. Der Widerstand 142 koppelt das Ausgangssignal der Offset-Referenzspannungsquelle 105 an den Summierknoten am invertierenden Eingang des Verstärkers 106. Ein nichtinvertierender Eingang des Verstärkers 106 ist mit Erdpotential gekoppelt. Der Widerstand 143 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers gelegt. Somit wird ein drittes Signal am Ausgang des Verstärkers 106 erzeugt, welches durch Addition des Offset-Signales aus der Quelle 105 und des Ausgangssignales des Multiplizierkreises 104 gebildet wird.

Das von der Quelle 105 erzeugte Offset-Signal wird dem Ausgangssignal des Multiplizierkreises 104 deshalb zuaddiert, damit das Leistungsmeßgerät bei der Leistungsmessung in dreiphasigen Wechselstromsystemen verwendet werden kann. Die Messung der Dreiphasenleistung nach der herkömm-. liehen Zwei-Wattmeter-Methode erfordert die Addition zwei-3« er Ausgangssignale der beiden Leistungsmeßgeräte, wobei beide Ausgangssignale negativ werden können. Daher wird ein Offset-Signal in dem Meßgerät bereitgestellt, mit dem ein Spannungs-Eingangsniveau eingeführt wird, welches eine Ausgangssignalfrequenz ergibt, die in der Mitte zwischen dem negativen und dem positiven Vollausschlag liegt, wenn die vermessene Leistung Null ist. Wenn also an der Last 101 keine Leistung verbraucht wird, hat das dritte Signal

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• «# «te· * β ■» ·* φ ο * a

eine Amplitude, die im wesentlichen gleich dem Referenzwert der Spannungsquelle 105 ist und wird so an den Spannungs-Frequenz-Wandler gekoppelt, der unten beschrieben wird.
5

Das dritte Signal wird an einen Präzisions-Spannungs-Frequenz-Wandler über den Widerstand 144 gelegt. Der Spannungs-Frequenz-Wandler 108 benutzt einen Integrator, der aus dem Kondensator 145 und einem Operationsverstärker T0.7 aufgebaut wird. Hierdurch wird der Konverter-Taktzyklus eingeleitet. Beim Konverter 108 kann es sich beispielsweise um das Modell LM331 und beim Operationsverstärker um das Modell LM108 der Firma National Semiconductors Corporation, handeln. Der Wandler 108 und der Integrationsverstärker 107 sind in bekannter Weise ausgebildet, wie dies vollständig in den technischen Informationsblättern für den Wandler 108 beschrieben ist. Die interne Funktion des Wandlers 108 wird demzufolge hier nicht näher erläutert. Es reicht aus festzuhalten, daß der Spannungs-Frequenz-Wandler 108 das dritte Signal über den Widerstand 144 und den Integrationsverstärker 107 am Anschluß 7 empfängt und eine Impulsfolge am Ausgangsanschluß 3 erzeugt, deren Frequenz genau proportional zur Eingangsspannung am Anschluß 7 ist.

Der Widerstand 144 koppelt das Ausgangssignal des Summierverstärkers 106 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 107 und mit dem Anschluß 1 des Spannungs-Frequenz-Wandlers 108. Der nichtinvertierende Eingang des Verstär-.3" kers 107 ist mit Erdpotential verbunden. Der Kondensator 144 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Verstärkers 107 gelegt. Der Ausgang des Verstärkers 107 ist über den Kathoden-Anodenkreis einer Diode 147 mit Erdpo'tential und über den Widerstand 146 mit dem Anschluß 7 des Spannungs-Frequenz-Wandlers 108 verbunden.

Der variable, die Frequenz einstellende Widerstand 148 ist

yg

zwischen Erdpotential und den Anschluß 2 des Wandlers 108 gelegt. Der zeitbestimmende Kondensator 153 ist zwischen Erdpotential und den Anschluß 5 des Wandlers 108 gelegt.

an
Der Anschluß 5 ist die positiven Gleichspannungsquelle

g +V1 über den zeitbestimmenden Widerstand 152 gelegt. Der Anschluß des Wandlers 108 ist mit der positiven Gleichspannungsquelle +V1 gekoppelt, während der Anschluß 6 des Wandlers über den Widerstand 151 mit der Spannung +V1 und über die Parallelschaltung von Widerstand 150 und Kondensator 149 mit Erdpotential verbunden.

Die Impulsfolge am Anschluß 3 des Wandlers 108 wird auf den Anschluß 3 einer optischen Kopplungseinrichtung 109, durch eine lichtemittierende Diode in der optischen Kopplungseinrichtung zu deren Anschluß 2 und von dort mit der Gleichspannungsquelle +V1 über den Widerstand 154 gekoppelt. Die optische Kopplungseinrichtung 109 kann beispielsweise ein Modell 6N135 der Firma HEWLETT PACKARD sein. Die optische Kopplungseinrichtung 109 bildet eine Einrichtung, mit welcher eine der Weiterverarbeitung dienende Einrichtung, beispielsweise der unten erläuterte .Mikroprozessor 112, von den der Last 101 zugeordneten Spannungs- und Stromwerten getrennt wird.

Das Ausgangssignal der Kopplungseinrichtung 109 wird an einen Leistungsverstärker 110 gelegt, welcher die Impulsfolge regeneriert und formt. Beim Verstärker 110 kann es sich beispielsweise um das Modell LM380 der Firma National Semiconductors Corp. handeln. Der Anschluß 8 der Kopplungseinrichtung 109 ist mit dem Anschluß 14 des Verstärkers 110 und über den Weg 129 mit der Gleichspannungsquelle +V1 gekoppelt. Der Anschluß 6 der Kopplungseinrichtung 109 ist über den Widerstand 156 mit dem Anschluß 14 des Verstärkers 110 gekoppelt. Der Anschluß 5 der Kopp-

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lungseinrichtung 109 mit Erdpotential gekoppelt. Der Kondensator 155 ist zwischen die Anschlüsse 6 und 8 der Kopplungseinrichtung 109 gelegt, während der Kondensator 157

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1 zwischen den Anschluß 6 der Kopplungseinrichtung 109 und

! den Anschluß 2 des Verstärkers 110 gelegt ist.

: Die regenerierte, umgeformte Impulsfolge wird vom Ausgangs-

■j 5 anschluß 8 des Verstärkers 110 an ein weiterverarbeitendes

ι Gerät gelegt, welches aus einem Eingangszähler 111, einer

^; auf einem Mikroprozessor aufbauenden Steuereinrichtung

I . und einer Anzeige 113 besteht. Der Anschluß 8 des Verstär-

^: kers 110 ist über den Weg 125 mit einem Eingang des Zäh-

10 lers 111 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um den i

j programmierbaren Typ 6840 handeln kann, der von der Firma

Motorola geliefert wird. Eine geeignete Adressen- und Da-

¹ tenschiene 127 koppelt den Inhalt des Zählers 111 mit dem

j Mikrocomputer in der Steuereinrichtung 112. Dabei kann es

15 sich um das Modell 6802, welches ebenfalls von der Firma

j Motorola geliefert wird, handeln.

j Die auf einem Mikrocomputer basierende Steuereinrichtung

; ' 112 kann programmiert den Inhalt des Zählers 111 über die

;- 20 Schiene 127 periodisch auslesen. Hierzu wird ein Lese-

I Kommandosignal über die Steuerleitung 126 eingekoppelt,

j Dadurch, daß der Zählerinhalt periodisch in bestimmten

i - ■

j konstanten Zeitintervallen ausgelesen wird, kann die Fre~

I quenz des Impulsfolgesignales von der Steuereinrichtung

25 112 in ein die Leistungsaufnahme anzeigendes Signal umge-

i wandelt werden. Dieses wird über den Weg 128 der Anzeige

\ 113 zugeführt, welche beispielsweise eine visuell wahr-

• nehmbare Anzeige der von der Last 101 gezogenen Leistung-

j abgibt.
I 30

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1,jGerät zur Bestimmung der Leistungsaufnahme einer elektrischen Last/ dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: eine Einrichtung, die widerstandsmäßig an die Last

(101) angekoppelt ist und zwei elektrische Signale erzeugt, die proportional zur Spannung über der Last (101) bzw. dem Strom durch die Last (101) sind; eine Multipliziereinrichtung (104) , welche an die die beiden Signale erzeugende Einrichtung gekoppelt ist und ein drittes Signal erzeugt, welches proportional zum Produkt der beiden ersten Signale ist; einen Wandler (108), der an die Multipliziereinrichtung

[ (104) gekoppelt ist und eine Impulsfolge erzeugt, deren

Frequenz proportional zur Amplitude des dritten Signals

ist;

j eine Einrichtung (111,112,113), welche die Impulsfolge

' empfängt und ein die Leistungsaufnahme anzeigendes Si-

! gnal erzeugt, welches eine Funktion der Frequenz der

j 20 Impulsfolge ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

ι -

Einrichtung (111,112,113), welche das die Leistungsauf-

' nähme anzeigende Signal erzeugt, die Impulsfolge über

• 25 eine optische Kopplungseinrichtung (109) empfängt,

! welche die Einrichtung (111,112,113) zur Erzeugung des

j Anzeigesignals von den Spannungs- und Stromwerten, die

j der Last (101) zugeordnet sind, trennt.

^ou
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein

Verstärker (110) vorgesehen ist, dessen Eingang mit der

', optischen Kopplungseinrichtung (109) und dessen Ausgang

mit der Einrichtung zur Erzeugung des Anzeigesignals verbünden ist und welcher die von der optischen Kopplungseinrichtung (109) empfangene Impulsfolge auf einem Niveau regeneriert, welches zur Verarbeitung durch die

Einrichtung (111,112,113) zur Erzeugung des Anzeigesi-

J- .

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gnals geeignet ist.
4. Gerät nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (105) für ein Referenz-Offsetsignal ent halten ist sowie eine Signalempfangseinrichtung (106), deren erster Eingang mit der Quelle (105) des Referenz-Of fsetsignals gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der das dritte Signal empfängt, und einen Ausgang, der mit dem Eingang des Wandlers (108) gekoppelt ist. 10
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Referenz-Offsetsignals derart ist, daß die Frequenz des Impulsfolgesignals proportional im wesentlichen zur Null*-Leistungsaufnähme der Last (101) ist, wenn die Amplitude des dritten Signals im wesentlichen Null ist.
6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines die Leistungsaufnahme

^O anzeigenden Signals umfaßt:

einen Zähler (111), der einen zum Empfang der Impulsfolge geschalteten Zähleingang besitzt; einen Mikrocomputer (112), der mit dem Zähler (111) gekoppelt ist und periodisch den Inhalt des Zählers (111) in bestimmten Zeitintervallen ausliest, aus den ausgelesenen Zählerinhalten das die Leistungsaufnahme anzeigende Signal ableitet.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es

^ου außerdem eine Anzeige (113) enthält, welche mit dem Mikrocomputer (112) gekoppelt ist und das die Leistungsaufnahme anzeigende Signal empfängt und eine Einrichtung enthält, welche in sinnlich erfaßbarer Weise eine Interpretation des die Leistungsaufnahme anzeigenden

Signals abgibt.