Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der relativen Pha- senverschiebung zwischen Strom und Spannung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Be- stimmung der relativen Phase beziehungsweise Phasenverschie- bung zwischen dem Stromverlauf und dem Spannungsverlauf bei Dreh-beziehungsweise Wechselströmen mit einer Stromerfas- sungseinrichtung zur Erfassung des Stromverlaufs und einer Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung des Spannungs- : verlaufs. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der relativen Phase.

Zur Ansteuerung von Motoren ist es häufig notwendig, die Wirkleistung des ansteuerndes Wechselstroms zu kennen. Zur Bestimmung dieser Wirkleistung wird neben dem Strom und der Spannung auch der relative Phasenwinkel Phi benötigt. Die Wirkleistung P ist nämlich definiert als P = U*I*cos Phi = u (t) *i (t) = S*cos Phi Folglich ist die Scheinleistung definiert als S = U*I Dabei stellen die Werte U und I jeweils die Effektivwerte und u (t) und i (t) jeweils die Momentanwerte der Spannung und des Stroms dar.

Ein bislang bekanntes Verfahren zur Messung der Wirkleistung eines Wechselstroms basiert auf Leistungsmessung. Dabei wer- den sowohl die Effektivwerte U und I als auch die Momentan- werte u (t) und i (t) der Spannung und des Stroms erfasst und daraus die Wirkleistung P sowie die Scheinleistung S berech-

net. Der Phasenwinkel Phi beziehungsweise dessen Cosinus er- gibt sich gemäß der Formel : cos Phi = P/S Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Bestimmung der Phase zwischen Strom und Spannung basiert auf Zeitmessung. Dabei werden die analogen Signale von Strom und Spannung mit einem A/D-Wandler erfasst und die Nulldurchgänge beider Signale re- gistriert. Die Nulldurchgänge dienen zur Interruptsteuerung für die Erfassung der Zeitverschiebung zwischen den Signalen, wobei spezielle Interrupteingänge an dem verwendeten Mikro- controller erforderlich sind. Zur Bestimmung der relativen Phasenlage ist neben der Messung der Zeit zwischen den Null- durchgängen auch die Signalfrequenz zu erfassen. Dieses Ver- fahren ist verhältnismäßig störanfällig, da beispielsweise ein falsch oder nicht registrierter Interrupt für die Zeit- messung die Bestimmung der Phase Phi gänzlich unmöglich macht.

Eine Variante der Bestimmung der Phase Phi mittels Zeitmes- sung ist in der Druckschrift EP 0 788 210 B1 beschrieben.

Dort wird zur Ermittlung der Phase eine Kombination aus digi- talen und analogen Signalen verwendet. Speziell wird der Strom analog und die Spannung nach HW-Anpassung digital er- fasst. Auch dieses Verfahren ist aufgrund der interrupt- gesteuerten Zeitmessung störanfällig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Messung der relativen Phase zwischen Strom und Spannung mit einer vereinfachten Vorrichtung und einem vereinfachten Verfahren zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrich- tung zur Bestimmung der relativen Phase zwischen dem Strom- verlauf und dem Spannungsverlauf bei Wechselströmen mit einer Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Stromverlaufs

und einer Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung des Spannungsverlaufs, sowie einer Signalerzeugungsschaltung zum Gewinnen eines Phasensignals, das unterschiedliche Vorzeichen der absoluten Phasenlagen, betrachtet von-n bis +n, des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs zueinander wieder- spiegelt, und einer Abtasteinrichtung zum Abtasten des Pha- sensignals unter Gewinnung eines die relative Phase zwischen Stromverlauf und Spannungsverlauf repräsentierenden Abtast- werts.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Phase zwischen dem Stromverlauf und dem Spannungsverlauf bei Wechselströmen durch Erfassen des Stromverlaufs und Erfassen des Spannungsverlaufs, sowie Gewinnen eines Phasensignals, das unterschiedliche Vorzeichen der absoluten Phasenlagen, betrachtet von-n bis +n, des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs zueinander wieder- spiegelt, und Abtasten des Phasensignals unter Gewinnung ei- nes die relative Phase zwischen Stromverlauf und Spannungs- verlauf repräsentierenden Abtastwerts.

Damit ist es möglich, die Phase Phi frequenzunabhängig zu bestimmen, wobei lediglich das Abtasttheorem einzuhalten ist.

Weiterhin ist durch die Erfindung eine hohe Störunanfällig- keit gegeben. Einzelne Fehlabtastungen führen nämlich nur zu einer geringen Abweichung des Gesamtergebnisses. Störungen zwischen den Abtastwerten sind kaum relevant. Dies führt zu deutlichen Vorzügen gegenüber Methoden mit Zeitmessung.

Vorzugsweise umfasst die Signalerzeugungsschaltung eine Rechtecksignalerzeugungsschaltung zum Erzeugen jeweils eines Rechtecksignals aus dem Stromverlauf und dem Spannungsverlauf sowie eine Logikschaltung zum x-OR-Verknüpfen der beiden Rechtecksignale, wobei das resultierende Signal dem Phasen- signal entspricht. Alternativ kann die Signalerzeugungsschal- tung einen Multiplizierer zur Multiplikation des Spannungs-

verlaufs und des Stromverlaufs besitzen, wobei das resultie- rende Signal auch hier dem Phasensignal entspricht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Rechenein- richtung aufweisen, um aus dem Abtastwert einen Phasenwert und insbesondere den Cosinus davon zu berechnen. Da erfin- dungsgemäß keine Divisionen und Multiplikationen notwendig sind, braucht die Recheneinrichtung wenig Rechenzeit bei günstiger Wahl der Abtastwerte. Darüber hinaus kann die Pro- zessorlast gleichmäßig verteilt gestaltet werden, da sie im Wesentlichen durch Abtasten und Inkrementieren bestimmt ist und nicht interrupt-ausgelöst hohe Lastspitzen erzeugt wer- den.

Die Logikeinrichtung, die Abtasteinrichtung und die Rechen- einrichtung können in einen Mikrocontroller integriert wer- den. Dieser kann ausschließlich auf digitale Eingänge be- schränkt werden, falls die genannte Rechtecksignalerzeugungs- schaltung dem Mikrocontroller vorgeschaltet ist.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen : FIG 1 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Bestimmung der relativen Phase zwischen Strom und Spannung ; FIG 2 Signalverlaufsdiagramme eines Strom-und Spannungs- signals und dazugehörige Rechtecksignale ; und FIG 3 ein aus den Rechtecksignalen gewonnenes Phasensignal und entsprechendes Abtastsignal.

Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.

Ein Motor 1 wird über eine Leitung 2 mit einem Wechselstrom versorgt. An einem Abgreifpunkt 3 wird die Spannung am Motor 1 abgegriffen. Die analoge Wechselspannung wird mittels einer Rechtecksignalerzeugungsschaltung 4 in ein Rechtecksignal ge- wandelt, das an einen Digitaleingang eines Mikrocontrollers 5 angelegt wird.

Der Strom zur Versorgung des Motors 1 wird mit Hilfe einer Spule 6 induktiv an der Leitung 2 abgegriffen. Eine nachge- schaltete Rechtecksignalerzeugungsschaltung 7 erzeugt auch hier aus dem analogen Stromverlaufsignal ein Rechtecksignal, das dem Mikrocontroller 5 ebenfalls an einem Digitaleingang zur Verfügung gestellt wird.

In FIG 2 ist der erfasste Spannungs-und Stromverlauf in dem oben dargestellten Diagramm wiedergegeben. In den Rechteck- signalerzeugungsschaltungen 4 und 7, die beispielsweise durch Komparatoren realisiert werden können, werden Spannung und Strom in symmetrische Rechtecksignale gemäß folgender Vor- schrift umgewandelt : if (u (t) > 0) u' (t) 1 ; if (u (t) < 0) u' (t) = 0 ; Daraus resultieren die im unteren Diagramm von FIG 2 darge- stellten Rechtecksignale u' (t) und i' (t). Die Phasenverschie- bung der Rechtecksignale u' (t) und i' (t) entspricht der der Analogsignale u (t) und i (t).

Die Rechtecksignale u'(t) und i' (t) werden in dem Mikrocon- troller 5 einer x-OR-Verknüpfung unterzogen. Daraus resul- tiert das in FIG 3 oben wiedergegebene Signal. Dieses Signal ist von 0 verschieden, wenn die Analogsignale u (t) und i (t) unterschiedliches Vorzeichen besitzen. Dieses Signal dient zur Phasenbestimmung und wird in diesem Dokument daher als Phasensignal mit jeweiligen Phasenwerten bezeichnet. Das Pha- sensignal wird in dem Mikrocontroller 5 anschließend abgetas-

tet, wobei das Abtasttheorem eingehalten wird. Die Anzahl der Abtastwerte, die von 0 verschieden sind, wird aufsummiert be- ziehungsweise inkrementiert und die Summe wird in Relation zu der Gesamtzahl der Abtastwerte gebracht. Aus diesem Verhält- nis ergibt sich die relative Verschiebung zwischen dem Span- nungsverlauf u (t) und dem Stromverlauf i (t).

An dem folgenden Beispiel sei diese Berechnung näher erläu- tert : Die Gesamtzahl der Abtastwerte in einem bestimmten Zeitraum sei n. Die Anzahl der von 0 verschiedenen Abtastwerte, d. h. bei denen das Phasensignal ungleich 0 ist (kurz x-OR- Abtastwerte), sei X. Damit ergibt sich für den Fall X = 0 keine Verschiebung, d. h. Phi = 0°. Demgegenüber ergibt sich für den Fall X = n eine Verschiebung von Phi = 180°. Die Pha- senverschiebung Phi lässt sich aus der folgenden allgemeinen Formel herleiten : (Phi) = (X/n) *180° Der Winkel Phi kann nur betragsmäßig ermittelt werden ; das Vorzeichen ist jedoch für die Ermittlung des Cosinus Phi nicht relevant, da Cos Phi = cos (-Phi).

Für die Anzeige des Cosinus Phi ist bei Lasten nur ein Cosi- nus Phi >= 0 relevant, da Werte < 0 eine Generatormaschine anzeigen.

Um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten, ist nicht nur das Ab- tasttheorem einzuhalten, sondern die Gesamtzahl der Abtast- werte n entsprechend groß zu wählen. Wird das Abtasttheorem wissentlich beispielsweise durch Unterabtastung verletzt, ist die Abtastfrequenz so zu wählen, dass keine Rastung"mit der Signalfrequenz vorliegt.

In einem konkreten Beispiel wäre der Abtastwert n = 42 und der x-OR-Abtastwert X = 10. Folglich ergäbe sich :

Phi = (10/42) *180° Phi = 42, 9° Dabei ist zu beachten, dass mit steigender Anzahl der Abtast- werte auch die Auflösung des Phasenwinkels entsprechend steigt.