Anlage zur Steuerung und Regelung der Aufladung von Speicherheizgeräten
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Steuerung und Regelung der Aufladung von Speicherheizgeräten, mit einem die Aussentemperatur ermittelnden Temperaturfühler und einem an diesen angeschlossenen, zentral angeordneten Steuergerät, welches die gemessene Temperatur in eine elektrische Steuergrösse umwandelt, diese einer zeitabhängigen elektrischen Steuergrösse überlagert und hieraus einen elektrischen Steuerwert ermittelt, der einer Steuerleitung zugeführt wird, welche an ein Regelgerät angeschlossen ist, das einen aus der Innentemperatur des zugehörigen Speicherheizgerätes abgeleiteten Wert in eine elektrische Grösse umwandelt, diese der zugeführten Steuergrösse überlagert und den so ermittelten Wert einem im Ladekreis des Speicherheizgerätes liegenden Schütz zuführt.
Um bei einer derartigen Anlage von dem zentral angeordneten Steuergerät aus mehrere, jeweils einem Speicherheizgerät zugeordnete Regelgeräte steuern zu können, ist es bekannt, die Zuführungsleitungen zu den einzelnen Regelgeräten an eine Abfrageeinrichtung anzuschliessen, beispielsweise ein Schrittschaltwerk, und die vom zentral angeordneten Steuergerät ermittelten Werte in bestimmten Zeitabständen über die Abfrageeinrichtung nacheinander den Regelgeräten zu übermitteln. Diese Anlage ist wegen der erforderlichen Abfrageeinrichtung verhältnismässig aufwendig und hat darüberhinaus den Nachteil, dass die Steuergrösse nicht ständig an jedem Regelgerät anliegt, so dass diese nur in bestimmten Zeitabständen gesteuert werden können und die gesamte Steuerung bzw. Regelung jedes einzelnen Speicherheizgerätes daher ungenau ist.
Es ist auch bekannt, jedem Speicherheizgerät ein eigenes Steuergerät mit zugehörigem Regelgerät zuzuordnen. Hierdurch ist zwar eine ständige Überwachung und Steuerung bzw. Regelung möglich, jedoch ist die Anlage sehr aufwendig, weil für jedes Speicherheizgerät ausser dem Regelgerät auch ein Steuergerät erforderlich ist.
Die Verwendung eines Steuergerätes der eingangs geschilderten Art ist bei derartigen Anlagen erwünscht, um mit geringstem Kostenaufwand die jeweils erforderliche Aufheizung der Speicherheizgeräte zu ermöglichen.
Die Speicherheizgeräte werden dabei in Abhängigkeit von der Aussentemperatur nur so weit, also auf eine bestimmte Temperatur aufgeladen, dass sie nach Beendigung der Aufladezeit die zur Aufrechterhaltung der gewünschten Innentemperatur notwendige Wärme abgeben. Da die Speicherheizgeräte üblicherweise mit billigem Nachtstrom geladen werden, ist ausserdem eine zeitabhängige Steuerung der Aufladung erwünscht.
Grundsätzlich soll also die Aufladung frühestens am Beginn der Zeitspanne einsetzen, innerhalb deren der billige Nachtstromtarif gilt. Andererseits ist aber oft nicht die gesamte Zeit des Nachtstromtarifs erforderlich, um das Speicherheizgerät auf die gewünschte, von der Aussentemperatur abhängige Temperatur zu bringen.
Würde sofort bei Beginn des Nachtstromtarifs die Aufladung einsetzen, so müsste die vor Beendigung des Nachtstromtarifs bereits erreichte Temperatur des Speicherheizgerätes bis zum Ende dieser Tarifzeit aufrecht erhalten werden; das Speicherheizgerät müsste also, da es immer etwas Wärme abgibt, nachgeladen werden.
Um dies zu vermeiden und die Aufheizzeit so zu wählen, dass die Aufheizung immer am Ende der Nachtstromperiode beendet ist - also ggf. später als bei Beginn dieser Periode einsetzt -, wird im Steuergerät zusätzlich eine von der Zeit abhängige, beispielsweise über ein Uhrwerk ermittelte Steuergrösse der aus der Aussentemperatur gewonnenen Steuergrösse überlagert; es wird also die von der Aussentemperatur abhängige Aufheizzeit ermittelt und vom Steuergerät erst dann ein zur Einstellung der Ladung geeigneter Steuerwert abgegeben, wenn die zur Aufladung nicht benötigte Zeit des Nachtstromtarifs abgelaufen ist.
Die Aufladezeit ist aber nicht nur von der Aussentemperatur abhängig, sondern auch von der im jeweiligen Speicherheizgerät noch vorhandenen Restwärme. Je höher diese Innentemperatur des Speicherheizgerätes bei Beginn der Nachtstromperiode ist, umso später kann mit der Aufladung begonnen werden, um am Ende der Nachtstromperiode den gewünschten Temperaturwert des Speicherkerns zu erhalten. Zur Ermittlung der Restwärme bzw. der Innentemperatur des Speicherheizgerätes ist das diesem zugeordnete Regelgerät vorgesehen, dem ausserdem die aus dem Steuergerät gewonnene Grösse zugeführt werden muss, so dass die den Ladekreis sperrende bzw. öffnende Ausgangsgrösse des Regelgerätes tatsächlich in Abhängigkeit von den drei zu berücksichtigen Werten auftritt, nämlich der Aussentemperatur, der Restwärme des Speicherheizgerätes und der notwendigen Aufladezeit.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Schaffung einer Anlage, die den genannten Bedingungen genügt; dabei soll ein einziges, zentral angeordnetes Steuergerät vorgesehen sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dem Regelgerät weitere Regelgeräte parallel geschaltet sind, die weiteren Speicherheizgeräten zugeordnet sind, dass der Ausgangswiderstand des Steuergerätes niederohmig ist, und dass die Eingangswiderstände der Regelgeräte hochohmig sind.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Anlage erübrigt sich eine Abfrageeinrichtung mit den oben geschilderten Nachteilen; ausserdem ist eine gegenseitige Beeinflussung der Regelgeräte sowie eine Rückwirkung auf das Steuergerät ausgeschlossen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der zur Ermittlung der Steuergrösse eine Brückenschaltung angeordnet ist, in deren einem Zweig ein durch einen temperaturabhängigen Widerstand gebil deter Temperaturfühler liegt, und deren anderen Diago nalzweig eine konstante Gleich spannung zugeführt wird, kann in Serie zu dem anderen Diagonalzweig ein die zeitabhängige Steuergrösse angebendes Potentiometer liegen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert ist. In den Zeich nungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anlage,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des Steuergerätes mit den Klemmen zum Anschluss der Brückenschaltung,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des Steuergerätes mit eingefügter Brückenschaltung und zeitgesteuertem Po tentiometer,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Brücken schaltung,
Fig. 5 einen Stromlaufplan des Regelgerätes.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist an ein zentral angeordnetes Steuergerät S über eine Messleitung ML ein die Aussentemperatur messender Temperaturfühler AT angeschlossen. Dieser Temperaturfühler ist ein temperaturabhängiger Widerstand, dem vom Steuergerät ein konstanter Gleichstrom zugeführt wird. Die gemessene Temperatur wird daher im Steuergerät in eine elektrische Steuergrösse, nämlich eine temperaturabhängige Spannung umgewandelt, die als Spannungsabfall über dem temperaturabhängigen Widerstand entsteht.
Im Steuergerät wird dieser Steuergrösse eine zeitabhängige elektrische Steuergrösse überlagert. Diese zeitabhängige Steuergrösse ist ebenfalls eine Gleichspannung, welche zu der aus der Temperatur gewonnenen Gleichspannung addiert wird. Der so ermittelte elektrische Steuerwert wird am Ausgang des Steuergerätes auf eine an dieses angeschlossene Steuerleitung SL gegeben. An diese Steuerleitung sind mehrere Regelgeräte R1, R2 bis RX angeschlossen, deren Eingänge über eine Ringleitung RL parallel geschaltet sind. An jedes Regelgerät ist ein die Innentemperatur des zugehörigen Speicherheizgerätes messender Temperaturfühler ST1 bzw. ST2 bzw.
STX angeschlossen. Diese Temperaturfühler sind ebenfalls temperaturabhängige Widerstände, denen eine konstante Gleichspannung aus dem zugehörigen Regelgerät zugeführt wird, so dass im Regelgerät eine von der Innentemperatur des Speicherheizgerätes abhängige Gleichspannung vorhanden ist. Mit dieser Gleichspannung wird eine Verstärkerstufe des Regelgerätes gesteuert, die als zusätzliche Steuerspannung die über die Leitung SL zugeführte Steuerspannung erhält. Der Ausgangsstrom des Verstärkers wird zur Betätigung eines Schütz LS1 bzw. LS2 bzw. LSX verwendet, dessen Kontakt im Ladestromkreis des zugehörigen Speicherheizgerätes liegt. Das Regelgerät und der an dieses angeschlossene Temperaturfühler sind innerhalb des zugehörigen Speicherheizgerätes SPl, SP2 bzw. SPX angeordnet.
In Fig. 2 ist das Prinzipschaltbild des Steuergerätes mit den Anschlusspunkten 2, 3, 6 für eine Brückenschaltung nach Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt. Der Transistor 1 wird aus einem Netzgerät 8 mit Gleichspannung versorgt, die an den Kollektor des Transistors angelegt ist.
Im Emitterzweig liegt parallel zu den Ausgangsklemmen 4, 5 ein Widerstand 9. Im Basiszweig ist zwischen den Anschlusspunkten 2, 6 eine Brückenschaltung angeordnet, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt. Die Brücke 10 enthält in drei Brückenzweigen je einen ohm'schen Widerstand 11, 12, 13; der vierte Brückenzweig ist durch den als Aussentemperaturfühler dienenden temperaturabhängigen Widerstand AT und einen zu diesem in Serie geschalteten Abgleichwiderstand 14 gebildet. An die Diagonalpunkte a, b der Brücke ist eine vom Netzgerät 7 gelieferte Gleichspannung gelegt. An die Anschlusspunkte 2 und 6 sind die Diagonalpunkte c, d der Brücke angeschlossen. In Serie zu dem Diagonalzweig c, d liegt ein die zeitabhängige Steuergrösse angebendes Potentiometer 15, dessen Schleifer von einem Uhrwerk gesteuert wird.
In Serie zu diesem Potentiometer liegt ein Abgleichwiderstand 16. Parallel zu dem Potentiometer ist ein Trimmpotentiometer 17 geschaltet. Die Diagonale c, d der Brücke und das hierzu in Serie liegende Potentiometer 15 sind im Basiszweig des Transistors 1 angeordnet. In dem Transistor wird der im Basiszweig fliessende Steuerstrom verstärkt, so dass der Innenwiderstand an den Ausgangsklemmen 4, 5 klein ist. Die Schaltung ist so dimensioniert, dass bei einem an die Klemmen 4, 5 angeschlossenen Lastwiderstand von 10 kOhm praktisch noch kein Spannungsrückgang an den Klemmen 4, 5 auftritt.
Die positive Ausgangsspannung an der Klemme 4 ist abhängig von der an der Basis des Transistors 1 liegenden Spannung. Die an den Klemmen 4, 5 gewünschte Mindestspannung wird mit dem Potentiometer 17 eingestellt.
Der temperaturabhängige Widerstand AT soll eine temperaturlineare Widerstandskennlinie haben; bei der ausgeführten Schaltung wird ein Widerstand von 700 Ohm mit positivem Temperaturkoeffizienten verwendet. Der Wert des Temperaturkoeffizienten ist bei derartigen Widerständen geringer als bei den nichtlinearen Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Um die zur Steuerung der Regelgeräte notwendige Ausgangsspannung an den Klemmen 4, 5 zu erhalten, müsste die Gleichspannung an den Punkten a, b etwa 20V betragen. Der hieraus resultierende Gleichstrom könnte den temperaturabhängigen Widerstand AT in unerwünschter Weise aufheizen und dadurch die Messung verfälschen.
Es wird daher zweckmässig eine Brückenschaltung nach Fig. 4 gewählt. Zwischen den Diagonalpunkten a, b liegen die beiden Brückenzweige, die durch je eine Transistorschaltung gebildet sind. Jeder Brückenzweig besteht aus der Kollektor-Basis-Strecke und der Basis Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors 18 bzw. 19.
In der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 18 liegt der temperaturabhängige Widerstand AT in Reihe mit dem Abgleichwiderstand 14. Der Emitterwiderstand 13, 13a des Transistors 19 ist grösser als der Emitterwiderstand 12 des Transistors 18.
Die beiden Transistoren 18, 19 haben gleiche Kenndaten und sind so angeordnet, dass zwischen ihnen Wärmekontakt besteht. Die beiden Transistoren haben daher immer gleiche Temperaturen, so dass sich der temperaturabhängige Innenwiderstand der Transistoren in der Brückenschaltung ausgleicht.
Der über den temperaturabhängigen Widerstand AT fliessende Strom wird im Transistor 18 verstärkt, so dass trotz eines geringen über diesen Widerstand fliessenden Stromes am Anschlusspunkt 2 eine genügend hohe Steuerspannung zur Verfügung steht.
Die als Differentialverstärker geschaltete Brücke ist so abgeglichen, dass bei der niedrigsten möglichen Aussentemperatur Brückengleichgewicht herrscht. Zwischen den Punkten 2 und 6 tritt daher bei dieser Aussentemperatur keine Spannungsdifferenz auf. Zum Abgleich der Brücke dient der Abgleichwiderstand 14.
Um mit dem Steuergerät eine genaue Steuerung zu ermöglichen, darf die Ausgangsspannung nicht von der Umgebungstemperatur des Gerätes beeinflusst werden.
Bei steigender Temperatur und konstanter Steuerspannung am Punkt 2 würde die Ausgangsspannung des Transistors 1 an den Klemmen 4, 5 grösser. Um diesen Temperaturgang zu kompensieren, ist der Emitterwiderstand 13, 13a des Transistors 19 grösser gewählt als der Emitterwiderstand 12 des Transistors 18. Die Brücke ist also nicht vollständig abgeglichen, weil der den Transistor 18 enthaltende Brückenzweig wegen des kleineren Emitterwiderstandes stärker temperaturempfindlich ist als der andere Brückenzweig. Bei steigender Temperatur wird also - die übrigen Werte als konstant angenommen - die Spannung an den Diagonalpunkten, a, b kleiner, so dass der Temperaturgang des Transistors 1 kompensiert wird.
Das in Fig. 5 dargestellte Regelgerät enthält drei Transistoren 20, 21, 22. Die Speisespannung für diese Transistoren wird aus einem Netztransformator 23 geliefert, dessen Sekundärspannung über den Gleichrichter 24 gleichgerichtet und am Siebkondensator 25 geglättet wird.
Im Basiszweig des Transistors 20 liegt der temperaturabhängige Widerstand ST, der als Temperaturfühler zur Ermittlung der Restwärme des zugehörigen Speicherheizgerätes dient. Bei +20 "C beträgt der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 700 Ohm; der Temperaturkoeffizient des Widerstandes ist positiv.
In Reihe mit dem temperaturabhängigen Widerstand ST liegt ein von Hand bedienbarer regelbarer Widerstand 26. An diesen Widerstand ist über einen weiteren Widerstand 27 die Basis des Transistors 20 angeschlossen, die über einen Abgleichwiderstand 28 und einen weiteren Widerstand 29 an Erde liegt. Der von den Widerständen ST, 26, 27 und dem Abgleichwiderstand 28 mit dem in Serie hierzu liegenden Widerstand 29 gebildete Spannungsteiler liegt an der Speisespannung, welche über eine Zener-Diode 30 stabilisiert wird. Die Steuerspannung an der Basis des Transistors 20 ist also abhängig von dem veränderlichen Spannungsabfall am Widerstand ST, und damit abhängig von der Restwärme des Speicherheizgerätes. Ausserdem kann die Steuerspannung noch durch Einstellung des Widerstandes 26 geändert werden.
Der zum temperaturabhängigen Widerstand ST parallel liegende Widerstand 31 sowie der im Basiszweig liegende Widerstand 27 dienen zur Anpassung des Gerätes an verschiedene Typen von Speicherheizgeräten, deren Speicherkern verschiedene Endtemperaturen aufweisen. Der Abgleichwiderstand 28 dient zur Einstellung der Steuerspannung, die zum Öffnen bzw. Durchschalten des Transistors 20 erforderlich ist, so dass der Transistor bei einer vorgegebenen Innentemperatur des Speicherheizgerätes geöffnet, also leitend gemacht werden kann.
Das Durchschalten bzw. Öffnen des Transistors 20 soll sprunghaft erfolgen, um die Verlustleistung in dem Transistor zu verringern und einen genauen Schaltzeitpunkt zu erhalten. Hierfür ist die zweite Transistorstufe mit dem Transistor 21 vorgesehen, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 20 über einen Widerstand 38 verbunden ist, so dass eine Rückkopplung vom Transistor 21 auf den Transistor 20 vorhanden ist. Im Ausgangskreis des Transistors 21 liegt ein Relais 32, dessen Ruhekontakt im Ladekreis, also im Heizstromkreis des Speicherheizgerätes liegt. Sobald im Kollektorkreis des Transistors 21 ein Strom fliesst, zieht das Relais 32 an und der dadurch geöffnete Ruhekontakt unterbricht den Ladestromkreis über ein - nicht dargestelltes - Schütz.
Diese Abschaltung der Aufladung soll zusätzlich von der vom Steuergerät gelieferten und dem Regelgerät an den Klemmen 33, 34 zugeführten Steuerspannung abhängig sein. Zu diesem Zweck wird dem Emitter des Transistors 20 die im Transistor 22 verstärkte Steuerspannung zugeführt. Eine Erhöhung der Emitterspannung entspricht einem Absenken der Basisspannung, so dass die gesamte Steuerspannung für den Transistor 20 sowohl von dem temperaturabhängigen Widerstand ST als auch von der an den Klemmen 33, 34 zugeführten Steuerspannung abhängig ist.
Im Emitterzweig des Transistors 22 ist ein Widerstand 35 mit positivem Temperaturkoeffizienten angeordnet, dem ein weiterer Widerstand 36 parallel geschaltet ist; zu dieser Parallelschaltung liegt ein Widerstand 37 in Serie. Durch diese Schaltungsanordnung wird die Emitterspannung derart beeinflusst, dass die Einwirkung der Umgebungstemperatur auf den Transistor 20 ausgeglichen wird. Der positive Wert des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes 35 gleicht den mit zunehmender Temperatur absinkenden Innenwiderstand der Transistoren aus.
Der Eingangswiderstand des Regelgerätes ist hochohmig, nämlich grösser oder gleich 1 M Ohm. Da der Ausgangswiderstand des Steuergerätes niederohmig ist, können bis zu 100 Regelgeräte parallel an das Steuergerät angeschlossen werden. Das Regelgerät kann auch ohne Zuführung einer Fremdsteuerspannung verwendet werden. In diesem Fall wird der Eingang an den Klemmen 33, 34 kurzgeschlossen. Die Regelung ist dann nur abhängig von der gemessenen Restwärme.