DE1638969A1

DE1638969A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Apparaten mit Hilfe von vorzugsweise tonfrequenten Impulsen,die dem Starkstromnetz ueberlagert werden

Info

Publication number: DE1638969A1
Application number: DE1967Z0012948
Authority: DE
Inventors: Karl Beilstein
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1966-12-09
Filing date: 1967-07-14
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE704743A; AT280403B; CH447360A; DE1638969B2; GB1145679A

Description

Patentanwalt Dr. Ing. R. K. Löbbecke

Berlin 37 (Zehlendorf) Neue Straß· 6

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Zellweger A.Gl. Apparat··· und Maechinenfabriken Uster/Sohwei*

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Apparaten mit Hilfe von vorzugsweise tonfrequenten Impulsen, die dem Starkstromnetz überlagert werden*

In der sogenannten Rundsteuertechnik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Uebertragung von tonfrequenten Steuerimpulsen in Starkstromnetzen bekannt.

Um bei diesen Verfahren durch die in den Starkstromnetzen vorhandenen Stör spannungen - trotz grösstmöglichster Empfängerempfindlichkeit - möglichst wenig behindert zu werden, macht man auf der Empfängerseite die sogenannten Empfangsfilter möglichst schmalbandig und selektiv. Diese grosse Selektivität bedingt aber eine entsprechend genaue Uebereinstimmung von Sende- und Empfängeransprechfrequenz, welche genaue Uebereinstimmung in der Praxis nicht leicht zu realisieren ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen ["vergleiche +Patent NrA¹M⁶⁹ (Gesuch Nr. 10989/65)] , in Rundsteueranlagen sowohl die Steuer frequenz auf der Sendeseite, als auch die Empfänger-Ansprechfrequenz auf der Empfangsseite in einem starren Verhältnis an die gemeinsame Netzfrequenz zu binden und sowohl die Steuerfrequenz, als auch die Empfängeranspreehfrequenz allen eventuellen Aenderungen der Netzfrequenz proportional folgen zu lassen.

Dieses bekannte Verfahren ist zwar sehr gut wirksam und erfolgreich. Es erfordert aber naturgemäße sowohl sende- als auch empfangsseitig einen grossen und teuren apparativen Aufwand, sobald die

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gewählte Steuerfrequenz und die entsprechende Empfängeransprechfrequenz nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zur Netzfrequenz stehen.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil und betrifft ein Verfahren zur Steuerung von elektrischen Apparaten mit Hilfe von vorzugsweise tonfrequenten Steuerimpulsen, die dem Starkstromnetz überlagert werden, bei welchem die Sendefrequenz als Mischprodukt aus zwei Frequenzen gebildet wird, von welchen beiden Frequenzen die erste in einem starren ganzzahligen Verhältnis zur Netzfrequenz steht und die zweite einen netzfrequenzunabhängigen konstanten Wert aufweist und bei welchem empfängerseitig die Sendefrequenz vorerst von der Netzfrequenz getrennt und dann in einer Mischstufe mit einer Frequenz gemischt wird, welche ebenfalls in einem starren ganzzahligen Verhältnis zur Netzfrequenz steht, worauf das gewonnene Mischprodukt in einem Filter ausgesiebt wird, dessen Durchlassfrequenz den gleichen, konstanten, netzfrequenzunabhängigen Wert aufweist, wie die genannte zweite Frequenz auf der Sendeseite.

Vorteilhafterweise wird sowohl sende- als auch empfangeseitig diejenige Frequenz, die nicht in einem starren Verhältnis zur Netzfrequenz steht, kleiner als die Netzfrequenz selbst gewählt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens und ist gekennzeichnet durch je einen Netzfrequenzvervielfacher auf der Sende- und auf der Empfangeseite, einen netzfrequenzunabhängigen Oszillator auf der Sendeseite, ein netzfrequenzunabhängiges Filter auf der Empfängsseite und je eine Mischstufe auf der Sende- und Empfangsseite.

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Anhand der Figur werden im folgenden das genannte Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung desselben als Beispiel beschrieben.

Sie zeigt den prinzipiellen Aufbau von Sender und Empfänger als Blockschema.

1 bedeutet das für Sender und Empfänger gemeinsame Starkstromnetz mit der Netzfrequenz fjg (z.B. 50 Hz).

An das Starkstromnetz 1 sind angeschlossen der Sender 2 und der Empfänger 3.

In sogenannten Ilundsteueranlagen sind normalerweise eine Vielzahl von Empfängern 3 vorhanden.

Im Sender 2 wird zunächst in einem Frequenz vervielfacher 21 eine erste Spannung erzeugt, deren Frequenz f j ein ganzsahliges Viel- . fache β der Netzfrequenz fj^ beträgt. Also

fj = η χ fpf

In einem Hilfsoszillator 22 wird gleichzeitig eine zweite Spannung erzeugt, deren Frequenz f£ möglichst konstant und von der Netzfrequenz unabhängig ist. Aus später noch dargelegten Gründen ist es vorteilhaft, die Frequenz i>2 möglichst klein, d.h. kleiner als die Netzfrequenz f^ zu wählen.

Die beiden Frequenzen fj und £2 werden in einer Mischstufe 23 gemischt. Von den in ihr entstehenden Mischprodukten kann beispielsweise die Summenfrequenz (fj + £2) in einem Filter 24 ausgesiebt und als Sendefrequenz f_g weiter verwertet werden. Zu diesem Zwecke wird die Spannung mit der Frequenz f_s = f j + i^ in einem Verstärker verstärkt und dann bspw. in Form von Steuerinipulsen über einen Impulsschalter 4, eine Abstimmspule 5 und einen Koppelkondensator 6 in bekannter Weise dem Starkstromnetz 1 überlagert. Dabei steuert

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das Kommandogerät 7 entsprechend den zu übermittelnden Steuerbefehlen ebenfalls in bekannterweise den Impulsschalter 4.

Die Kodierung der Steuerimpulse kann bspw. nach dem Impulsintervall-, nach dem Impulszahl- oder nach dem Impulsdauerverfahren erfolgen.

Die Steuerimpulse mit der Frequenz f_g gelangen über das Starkstromnetz 1 zum Empfänger 3. Hier werden sie vorteilhafterweise in einem Vorfilter 31 mit der Durchlassfrequenz f_s vom Starkstrom mit der Frequenz f^ getrennt. Die Bandbreite des Vorfilters 31 wird bewusst so gross gewählt, dass seine Durchlassdämpfung durch die in der Praxis möglichen Schwankungen der Steuerfrequenz f_g praktisch nicht beeinflusst wird.

Dabei sind die grösstmöglichen Schwankungen der Steuerfrequenz f_g praktisch durch die grösstmöglichen Schwankungen der Netzfrequenz fjy gegeben und prozentual ungefähr gleich gross, wie die prozentualen Schwankungen der Netzfrequenz fjvj. Dies ist so, weil:

^fs ^{= f}l ^{+ f}2 * ^{n x f}N ^{+ f}2'

wobei η eine ganze, unveränderliche Zahl ist und wobei f2» wie früher erläutert, eine möglichst konstante und möglichst kleine Hilfsfrequenz ist. Die Schwankungen der Hilfsfrequenz f« infolge Temperaturänderungen, Alterungen usw. können - ohne grossen Aufwand in der Grössenordnung von +^ 1 %o gehalten werden. Da ferner f^ im allgemeinen mindestens 10 mal kleiner ist, als η χ f_n, wirken sich diese Schwankungen nur mit jk 0,1 %o auf die Steuerfrequens f₆ aus. Demgegenüber muss stets mit Netsfrequenzschwankungen von + 1 bis 4 % gerechnet werden. Die praktisch möglichen Schwankungen der Frequenz f2 können also gegenüber den praktisch möglichen Schwankungen der Netzfrequenz % und der Frequenz fj vernachlässigt

werden. 009845/0468 \ _{ΛΛ M} .

ί*;;^, ι, ^ ί; I 66 07 . /. ._BAD

Im Frequenzvervielfacher 32 - welcher zweckmässigerweise genau gleich gebaut wird wie der Frequenzvervielfacher 21 - wird eine Spannung mit der Frequenz fj¹ = η χ fjj erzeugt.

Die beiden Spannungen mit den Frequenzen f *' und f werden einer Mischstufe 33 zugeführt, in welcher unter anderem eine Spannung mit der Frequenz

^l2 ¹S ¹I

entsteht.

In einem Hauptfilter 34 wird die Frequenz f ' von allen anderen Frequenzen getrennt, wobei dieses Hauptfilter 34 sehr schmalbandig und selektiv gemacht werden kann. Der Empfänger 3 ist damit auf die gewünschte Empfangsfrequenz

^fE ⁼ V ⁺ V ^{= f}l ^{+ f}2 ■ ^fs

abgestimmt.

Die Frequenz f2* kann dann in einem Verstärker 35 noch verstärkt und einer Auswerteschaltung 36 zugeführt werden.

Es ist zweckmäesig, die Steuerimpulse mit der Frequenz f₂' z.B. in der Auswerte schaltung 36 vor der eigentlichen Dekodierung in bezug auf ihre zeitliche Länge zu prüfen und nur solche Steuerimpulse weiter zu verarbeiten, die während einer vorgegebenen Dauer ununterbrochen am Auewerter 36 eintreffen. Dadurch kann vermieden werden, dass im Netz auftretende Spannungestösee Steuerimpulse vortäuschen und dadurch Fehlschaltungen verursachen.

Solche Spannungeetöeee können nämlich > wenn auch stark abgeschwächt - bis zum Hauptfilter 34 gelangen und dasselbe zu unerwünschten

1 66 07 ./.. 009845/0468 BAD ORIGINAL

-β- 16389Ö9

Schwingungen mit der Frequenz f«' anstossen. Diese - durch Stoss angeregten - Schwingungen klingen aber verhältnismä ssig rasch ab und können keine Fehlschaltungen verursachen, wenn die. Auswerteschaltung 36 wie erwähnt auf kurze oder unterbrochene Impulse nicht reagiert.

Im folgenden werden nun anhand eines praktischen Beispiels einige Ueberlegungen über die minimal zulässige Bandbreite des Hauptfilters 34 gemacht.

Wie eingangs erwähnt, hat man ein grosses Interesse, die resultierende Empfangsbandbreite möglichst klein zu machen, damit die Empfänger auf die in allen Starkstromnetzen vorhandenen Störspannungen aller Art - trotz grösstmöglichster Empfängerempfindlichkeit - nicht mit Fehlschaltungen reagieren.

Die minimale Bandbreite ist erstens - gemäss der Informationstheorie - durch die pro Zeiteinheit zu übertragende Informationsmenge gegeben.

Bei Rundsteueranlagen ist nun die Informationsmenge pro Zeiteinheit in den meisten Fällen sehr klein. Man kann deshalb von diesem Gesichtspunkt aus mit verhältnismä ssig langen Steuerimpulsen arbeiten. In der Praxis sind Steuerimpulse von 1 bis 10 Sekunden Dauer üblich.

Dies ergibt minimale Bandbreiten von ca. 1 bis 0,1 Hz.

Entscheidet man sich nun für eine Bandbreite von bspw. 0, 2 Hz, so müssen die Sendefrequenz und die Empfängerdurchlasefrequenz immer mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 Hz übereinstimmen. Bei einer Steuerfrequenz von bspw. 1023 Hz ergibt dies eine minimale Genauigkeit von + 0,05 %q. Diese Genauigkeit und Konstanz ist bspw. mit einem mechanischen oder elektrischen Filter, welches direkt

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_{BAD omölNAL}

auf die Frequenz von 1023 Hz abgestimmt ist, bei wirtschaftlich tragbarem Aufwand und im verlangten Temperaturbereich von bspw.

- 20⁰C bis + 60⁰C nicht mit genügender Sicherheit zu realisieren.

Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens entstehen diesbezüglich - wie im folgenden erläutert wird - aber keinerlei Schwierigkeiten.

Die Sendefrequenz f_s von bspw. 1023 Hz kann nämlich - wie beschrieben - aus der 20ten Netzoberwelle (n = 20, also ίχ=20 χ 50=1000) und einer konstanten Frequenz von 23 Hz gebildet werden.

Die Empfängeransprechfrequenz wird dabei ebenfalls aus der 20ten Netzoberwelle (also fj¹ =20 χ 50 = 1000) und aus der Durchlass-Frequenz Ϊ2* eines Bandfilters von 23 Hz Nennfrequenz gewonnen.

Von der Steuerfrequenz f_s und der Empfängeransprechfrequenz f-g sind also die Anteile f·· und f ^' starr an die Netzfrequenz f]\j gebunden, fj und f^¹ sind also unabhängig von der Netzfrequenz fjj identisch, so dass für diese Anteile der Steuer- und der Empfängeransprechfrequenz

- selbst bei grossen Schwankungen der Netzfrequenz f_N - keinerlei Abweichungen entstehen können.

Die beiden Frequenzen fj und f-^¹ können aber auch nicht durch temperatur- oder alterungsbedingte Schwankungen irgendwelcher elektrischer Eigenschaften der Bauteile der Frequenzvervielfacher 21 resp. 32 beeinflusst werden. Es verbleiben somit nur die möglichen Abweichungen der Frequenz f₂ des Oszillators 22 im Sender und die möglichen Abweichungen der Durchlassfrequenz f₂' des Filters 34 im Empfänger.

Diese Abweichungen können nun sowohl sende- als auch empfangsseitig

- ohne grossen Aufwand - je innerhalb der Limiten +_ 1 %o von 23 Hz, d. h. je innerhalb _+ 0,023 Hz gehalten werden.

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-"-OWQlNAL

Dies ergibt eine maximal mögliche Abweichung zwischen Sende- und Empfangsfrequenz von 0,046 Hz, was,wie oben erwähnt, bei einer Bandbreite von 0, 2 Hz noch ohne weiteres tragbar ist.

Aus dem Gesagten ist auch klar ersichtlich, dass man - um gesamthaft gesehen möglichst kleine Differenzen zu bekommen - die Frequenz fj/fj' vorteilhafterweise möglichst hoch und die Frequenzen ' vorteilhafterweise möglichst klein wählt.

Die Gestaltung der Detailschaltungen in den einzelnen Blocks der Figur kann nach dem Stand der Technik vorgenommen werden.

Dabei ist es vorteilhaft für die Frequenzvervielfacher 21 und 32 Schaltungen zu verwenden, die im wesentlichen denjenigen entsprechen, die im +Patent Nr (Gesuch Nr. 12940/65) beschrieben sind.

Das Hauptfilter 34 kann bspw. als mechanisches Filter oder als elektrisches Filter wie im +Patent Nr (Gesuch Nr. 14576/65) erläutert ausgebildet werden.

In bezug auf die Detailausführung der Auswerte schaltung 36 sei endlich auf die + Patente Nr. 369*187 und 393*491 verwiesen.

+ Schweiz.

Patentansprüche;

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0.9 845/0468 . BADORiGINAI,

Claims

Pat e η t a η s prüohe ι

Verfahren zur Steuerung von elektrischen Apparaten mit Hilfe von vorzugsweise tonfrtquenten Steuerimpulsen* die dem Starkstromnetz . überlagert werden, d a d u r c h gekennzei e h η e t, dass die Sendefrequenz (f)

als Mischprodukt (f.j+f₂) aus zwei Frequenzen (f^ und f₂) gebildet wird, von welche» beiden Frequenzen (f^ und fp) die erst· (f^) in einem starren ganzzahligen Verhältnis (n) zur Netzfrequenz (f«) steht und die zweite (fp) einen netzfrequenzunabhängigen konstanten Wert aufweist und dass empfängerseitig die Sendefrequena (f.) vorerst von der Natzfrequena (f„) getrennt und dann in einer Miachatufe (33) mit einer Frequenz (f₁·} gemischt wird, welche Frequenz Cf₁*) ebenfalls in einem starren ganazahligen Verhältnis zur Netzfrequena (f«) steht, worauf das gewonnene Mis eiprodukt in einem Filter (34) ausgesiebt wird, dessen Durchlaaafrequena den gleichen, konstanten netzfrequenzunabhängigen Wert (f₂*) aufweist, wie die genannte zweite Frequenz (f₂) auf der Sendeseite.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, dass der Anteil (fp) der Sendefrequenz (f_), welcher nicht starr an- die Netzfrequenz (fjj) gebunden ist, kleiner als die Netzfrequenz (f^) selbst gewählt wird· ,

3* Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch

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je einen Netzfrequenzvervielfacher (2t, 32) auf der Sende- und auf der Empfangsseite, einen netzfrequenzunabhängigen Oszillator (22) auf der Sendeseite, ein netzfrequenzunabhängiges Filter (34) auf der Empfangsseite und je eine
Miechstufe (23t 33) auf der Sende- und auf der Empfangsseite·