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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verteilung des Leistungsbedarfes
von elektrischen Großgeräten in einer
Zeiteinheit. Die Großgeräte sind
mit ihrem Leistungseingang in einem Stromnetz parallel geschaltet.
Die Großgeräte selbst mit
einer eigenen, den Verbrauch beeinflussenden Regelungsschaltung
versehen. Diese Regelungsschaltungen weisen einen leistungsbegrenzenden Sollwerteingang
auf.
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Zur
Vermeidung von Spitzenbelastungen in Mittelspannungsnetzen werden
die Verbraucher, die neben einer Grundlast aus einem elektrischen
Netz auch Energie für
Großgeräte beziehen,
angehalten, Leistungsspitzen zu vermeiden, denn gerade diese Leistungsspitzen
sind es, die den Umfang des Ausbaus eines Energienetzes bestimmen.
Aus diesem Grunde wird von den Energieanbietern ein Abrechnungssystem
eingerichtet, welches sich an den Leistungsspitzen orientiert. Hierbei
wird der Tarif eines gesamten Jahres danach bemessen, in welcher Höhe Leistungen
innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, in der Regel innerhalb
einer Viertelstunde, bezogen werden. Wird innerhalb dieses Zeitintervalls eine
hohe Leistung bezogen, so wird für
das gesamte Folgejahr ein höherer
Tarif berechnet. Damit wird der Verbraucher angehalten, innerhalb
eines jeden Zeitintervalls den Leistungsbezug zu minimieren.
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Derartige
Tarifsysteme gelten insbesondere für Großverbraucher, wie beispielsweise
Gießereien, aber
auch für
andere groß verbrauchende
Unternehmen. In Gießereien
werden beispielsweise als Großgeräte Schmelzöfen eingesetzt.
Dabei ist jeder Schmelzofen für
sich temperaturgeregelt. Dies bedeutet, dass unbeachtet vom Regelzustand
der anderen Schmelzöfen
ein jeder Schmelzofen den Schaltzustand einnehmen würde, den
er für
seinen Energiebezug benötigt,
um die erforderliche Schmelztemperatur einzustellen. Bei mehreren Schmelzöfen kann
es somit vorkommen, dass mehrere Schmelzöfen gleichzeitig in den vollen
Leistungsbezug schalten. Hält
dieser Leistungsbezug längere
Zeit an, insbesondere innerhalb des Zeitintervalls, so kann dies
dazu führen,
dass durch einen einmaligen vollen Leistungsbezug für ein gesamtes Jahr
der Tarif für
den Verbraucher heraufgesetzt wird.
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Um
dieser Erscheinung zu begegnen, ist ein so genanntes Trendrechnungsverfahren
bekannt, bei dem laufend die Arbeit innerhalb eines Zeitintervalls, das
heißt
das Produkt aus Leistung und Zeit innerhalb der Zeiteinheit, berechnet
wird. Ergibt diese Rechnung im Trend, dass innerhalb der Zeiteinheit eine
aus der Tarifberechnung resultierende Grenze der Arbeit, nämlich oberhalb
derer eine größere Arbeit
bzw. ein weiterer Leistungsbezug in der bisherigen Höhe zu einer
Tariferhöhung
führen 'würde, überschritten würde, wird
ein Ofen abgeschaltet. Führt
dieses Abschalten nicht zu einer solchen Trendänderung, dass die Grenze der
Arbeit unterschritten wird, so wird ein weiterer Ofen abgeschaltet.
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Da
jeder Ofen mit einer eigenen Temperaturregelungsanordnung versehen
ist, kann das Abschalten eines Ofens dadurch realisiert werden,
dass der Sollwertgeber der Temperaturregelungsanordnung heruntergesetzt,
beispielsweise auf null gesetzt wird. Dies führt dazu, dass der gegenwärtige Temperaturzustand
eines derartigen Ofens keine weitere Energiezufuhr benötigen würde und
somit auch kein weiterer Leistungsbezug durch diesen Ofen erfolgt.
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Die
Auswertung des Energiebezuges und die Steuerung des abgeschalteten
Ofens erfolgt mittels eines Prozessrechners. Dieser Prozessrechner ist
mit einem seiner Eingänge
mit einem an der Netzeinspeisestelle angeordneten Zähler und
zwar mit einem daran befindlichen Ausgang für Zählimpulse verbunden. An diesem
Zählimpulsausgang
werden von dem Zähler
Zählimpulse
derart bereitgestellt, dass deren zeitlicher Abstand dem momentanen Leistungsbezug
des Verbrauchers entspricht. Einem hohen momentanen Leistungsbezug
werden Zählimpulse
mit einem geringen zeitlichen Abstand und bei einem vergleichsweise
geringen Leistungsbezug Zählimpulse
mit einem großen
zeitlichen Abstand zueinander bereitgestellt.
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Aus
der Information über
den momentanen Leistungsbezug erfolgt in dem Prozessrechner die Trendberechnung.
Bei dieser Trendberechnung wird ermittelt, ob bei dem momentanen
Leistungsbezug eine festgelegte maximale Grenze der Arbeit überschritten
würde.
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Der
Prozessrechner ist, gegebenenfalls über weitere Interface-Schaltungen, mit
mehreren Steuerausgängen
versehen. Diese Steuerausgänge
sind mit Steuereingängen
an Reglern der einzelnen Öfen verbunden.
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Wird
nun durch die Trendberechnung ein Überschreiten der Grenze der
maximalen Arbeit festgestellt, so wird an einem Steuerausgang ein
solches Steuersignal bereitgestellt, das den Ofen zum Herunterregeln
zwingt. In aller Regel wird das Steuersignal durch einen Steuerstrom
dargestellt, wobei entsprechend die Steuereingänge als Stromeingänge ausgebildet
sind. Trägt
beispielsweise der maximale Steuerstrom 20 mA, so bedeutet dies,
dass der Regler den Ofen bis zur vollen Leistung aussteuern kann. Ein
entsprechend geringerer Steuerstrom führt zu einer Leistungsbegrenzung
des Reglers.
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Ein
derartiges Abschalten oder Herunterregeln eines Ofens führt dazu,
dass dieser später
die Schmelztemperatur erreicht. Dies wiederum führt dazu, dass nachfolgende
Prozesse, z. B. der Formenguss innerhalb der Formanlage behindert
wird.
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In
der Praxis hat sich gezeigt, dass ein Produktivitätsverlust,
der durch das späte
Erreichen der Schmelztemperatur bei den Schmelzöfen hervorgerufen wird, bis
maximal 3% des Produktionsumfanges kompensiert werden kann. Dies
wiederum bedeutet, dass die maximale Grenze der Arbeit entsprechend
hoch gewählt
werden muss, um die Kompensationsgrenze nicht zu überschreiten.
Dies führt
folgerichtig zu entsprechend hohen Tarifen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Kostensenkung bei
energieintensiven Produktionsprozessen bei Einhaltung einer höchst zulässigen Produktivitätsverringerung
zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass mit den Sollwerteingängen
der Großgeräte eine
Vorrangschaltung verbunden ist. Diese Vorrangschaltung ist derart
aufgebaut, dass jeweils ein oder mehrere Sollwerteingänge wahlweise
mit einem der maximalen Leistung entsprechenden Maximalsollwert
beaufschlagbar sind. Somit wird es möglich, gezielt ein Großgerät auszuwählen, welches
die volle Leistung zur Verfügung
hat. Die übrigen
Großgeräte werden sich
dann in die noch als möglich
verbleibende Restleistung teilen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird
ein Großgerät nicht
zielgerichtet abgeschaltet, sondern vielmehr ein Großgerät zielgerichtet
mit Volllast betrieben. Es hat sich nun gezeigt, dass durch diese
Funktion eine gleichmäßige Leistungsbegrenzung
der Großgeräte eintritt,
so dass diese sich ständig
in Funktion befinden, wenn auch mit verminderter Leistung. Es wird
jedoch nicht ein einzelnes Großgerät außer Funktion
gesetzt, wodurch Produktionsengpässe
vermieden werden. Das Großgerät, welches die
Volllast erhält,
wird dasjenige sein, welches die größte Notwendigkeit zeigt, beispielsweise
um ein Aufholen in einem Temperaturprozess zu erreichen.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrangschaltung
aus einem Wechselschalter besteht. An diesem Wechselschalter ist
der Sollwerteingang eines Großgerätes angeschlossen.
Dieser Sollwerteingang ist je nach Schalter stellung des Wechselschalters
wahlweise mit einer Signalquelle, an der ein dem Maximalsollwert
entsprechender Wert fest eingestellt ist, oder mit einem Sollwertgeber
verbunden.
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Bereits
mit einem einzigen solchen Wechselschalter wird es somit möglich, ein
Großgerät auf Volllast
zu schalten. Hierbei würde
der Wechselschalter in eine solche Schaltstelle umgebracht, dass der
Sollwerteingang der Regelungsschaltung des Großgerätes mit der Signalquelle verbunden
ist. Bei den Sollwerteingängen
der anderen Großgeräte wird ein
Sollwert eingestellt, der nach der Einstellung der Volllast des
ersten Großgerätes die
verbleibende mögliche
Restleistung auf alle anderen Großgeräte gleichmäßig verteilt. Alle anderen
Großgeräte erhalten
somit jeweils den gleichen Sollwert, bei dem die Trendberechnung
das Ergebnis zeigt, dass die maximale Grenze der Arbeit nicht überschritten
wird. Eine Verteilung der zur Verfügung stehenden Leistung erfolgt
dabei über
den Zähler.
Da der Zähler
stets den aktuellen Leistungsbezug misst, das heißt also
den Leistungsbezug durch die Großgeräte aber auch den Leistungsbezug
durch die Grundlast, ist stets bekannt, welche Leistung noch zur
Verfügung
steht. Benötigt
also beispielsweise das Großgerät, welches
für die
Volllast ausgewählt
ist, nicht die volle Leistung, beispielsweise weil die Temperatur
des Temperaturprozesses erreicht ist, so wird am Zähler auch
ein geringerer Leistungsbezug festgestellt und für alle anderen Geräte steht
eine größere Leistung
zur Verfügung.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
diesen Wechselschalter manuell zu betätigen. Die gezielte Prozessbeeinflussung
kann jedoch günstig
ausgestaltet werden, wenn der Wechselschalter als elektronischer Schalter
ausgebildet ist, der einen Schaltersteuereingang zur Steuerung der
Schalterstellung aufweist. Dies bietet beispielsweise die Möglichkeit,
den Wechselschalter auch über
einen Rechner oder über eine
Fernsteuereinrichtung zu betätigen.
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Wenn
auch die erfindungsgemäße Aufgabenstellung
bereits dadurch erreicht werden kann, dass stets ein Großgerät bevorzugt
in Volllast geschalten wird, so ist es doch zweckmäßig, wenn
die Vorrangschaltung je einen Wechselschalter für den Sollwerteingang eines
jeden Großgerätes vorsieht. Damit
ist es möglich,
jedes Großgerät in den
Volllastmodus zu schalten. Auch wird es dadurch möglich, mehr
als ein Gerät
in den Volllastmodus zu schalten, wenn dies erforderlich ist und
wenn es die Leistungsbezugsgrenzen erlauben.
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Weiterhin
ist zweckmäßig, die
erfindungsgemäße Anordnung
in einer bekannten Prozessrechnerumgebung einzusetzen, wobei der
Sollwertgeber als Prozessrechner ausgeführt ist. So wird es möglich, dass
er Prozessrechner aus der Trendberechnung einen Sollwert für die nach
Abzug der Volllast verbleibende Restleistung berechnet und gleichmäßig auf alle
Sollwerteingänge
der Großgeräte verteilt.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, dass
der Prozessrechner auch den oder die Wechselschalter steuert, indem
dieser mit den Schaltersteuereingängen verbunden ist, wenn er
oder diese als elektronischer Schalter ausgebildet sind. Selbstverständlich ist
es hierbei möglich,
sowohl eine rechnergesteuerte Schaltung der Wechselschalter als
auch eine manuelle Ansteuerung der Wechselschalter vorzusehen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigt
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1 eine
Darstellung der Messung eines Energiebezuges zur Tarifberechnung,
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2 eine
graphische Darstellung der Leistungsbegrenzung und
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3 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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In 1 ist
die Leistung eines Verbrauchers in Abhängigkeit von der Seite dargestellt.
Je nach dem Schaltzustand von Großgeräten und nach Anforderungen
der Grundlast, die sich aus dem Energiebezug vieler kleinerer Verbraucher,
wie Beleuchtung, Bürogeräte usw.
zusammensetzt, schwankt die entnommene Leistung des Verbrauchers über die Zeit.
Der Tarif, der für
den Energiebezug berechnet wird, ermittelt sich nach dem höchsten Mittelwert
der Leistungsentnahme innerhalb eines Zeitfensters von 15 Minuten.
Wie aus 1 ersichtlich, ist dabei nicht der
höchste
momentane Wert entscheidend, sondern eben der höchste Mittelwert innerhalb
des Zeitfensters. Damit ist es das Bestreben des Verbrauchers, innerhalb
eines Zeitfensters den höchsten
Mittelwert so niedrig wie möglich
zu halten, nach Möglichkeit
im Bereich des über
einen längeren
Zeitraum gemittelten Leistungsbezuges.
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Wie
aus
2 ersichtlich, erfolgt eine Leistungsbegrenzung
durch die Berechnung eines Trends, bei dem die geleistete elektrische
Arbeit zur Grundlage genommen wird. Um zu dem Ziel eines nicht übermäßigen Energiebezuges
innerhalb des Zeitintervalls T zu gelangen, soll eine höchste Grenze
an elektrischer Arbeit W
max nicht überschritten werden.
Aus diesem Grunde wird die entnommene momentane Leistung P
t gemessen und deren Zeitverhalten ermittelt.
Wird nunmehr zu einem Zeitpunkt t festgestellt, dass ein weiterer
Leistungsbezug, der einen Anstieg der Arbeit W
t mit
einem Anstiegswinkel α nach
bewirkt, zu einem Überschreiten
der Grenze an elektrischer Arbeit W
max führen würde, erfolgt
eine Reduzierung der Leistung zu der optimalen Leistung P
opt, die zu einem verringerten Anstieg der
Arbeit mit dem Anstiegswinkel β nach
führt. Um zu der optimalen Leistung
P
opt zu gelangen, ist es erforderlich, eine
Korrekturleistung P
korr nach
zu berechnen. Bei P
korr≤0
ist ein Zuschalten von Leistung möglich, bei P
korr≥0 ein Abschalten
erforderlich. Zur Realisierung dieser Schaltfunktionen wird ein
der Korrekturleistung P
korr entsprechender
Sollwert S für die
Regler
1, die in
3 dargestellt
sind, als Stromwert bereitgestellt.
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Wie
in 3 gezeigt, sind drei Öfen 2 über einen
Zähler 3 parallel
an ein Mittelspannungsnetz 4 angeschlossen. Der Zähler 3 weist
einen Impulsausgang 5 auf, der mit einem Prozessrechner 6 verbunden
ist. In dem Prozessrechner 6 erfolgt die Berechnung des
Sollwertes S in der oben dargestellten Art und Weise.
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Der
Sollwertausgang 7 ist mit einer Vorrangschaltung 8 verbunden.
Ebenfalls mit der Vorrangschaltung 8 verbunden ist eine
Signalquelle 9, die einen dem maximalen Sollwert Smax entsprechenden Wert an seinem Ausgang
bereithält.
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Die
Vorrangschaltung 8 weist für jeden der Öfen 2 einen
elektronischen Wechselschalter 10 auf. Jeder der Wechselschalter 10 ist
mit einem Sollwerteingang 11 der Regler 1 für die Heizungen 12 verbunden.
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Jeder
der Wechselschalter 10 ist mit einem Schaltersteuereingang 13 versehen,
die alle mit dem Prozessrechner 6 verbunden sind. Zur Erreichung der
für den
Energiebezug optimalen Leistung Popt wird
nunmehr der linke der Öfen 2 in
Vorrang geschaltet. Hierzu wird sein Wechselschalter 10 mittels des
Prozessrechners 6 so geschaltet, dass der Sollwerteingang 11 mit
der Signalquelle 9 verbunden wird. Die anderen der Wechselschalter 10 sind
so geschalten, dass an den Sollwerteingängen 11 überall der
der Korrekturleistung Pkorr entsprechende
Sollwert S anliegt. Damit kann der linke der Öfen 2 über seine
volle Leistung verfügen.
Die Leistungsabsenkung zur Erreichung der optimalen Leistung Popt wird über
alle anderen der Öfen 2 gleich
verteilt, so dass jeder dieser Öfen 2 in
seiner Leistungsverfügbarkeit nur
um einen geringen Betrag abgesenkt wird, ansonsten jedoch im Betrieb
verbleibt. Damit entstehen Beeinträchtigungen im Produktionsablauf
höchstens im
Bereich vernachlässigbar
Grenzen.
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Es
liegt auf der Hand, dass durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht
nur ein Überschreiten
einer maximalen mittleren Leistung im Zeitintervall vermieden wird,
sondern das sogar eine Senkung der maximalen mittleren Leistung
erreicht werden kann, ohne dass eine Produktionsbeeinträchtigung
eintritt. Damit kann durch die erfindungsgemäße Anordnung sogar eine Kostensenkung
der Produktion erreicht werden.
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- 1
- Regler
- 2
- Ofen
- 3
- Zähler
- 4
- Mittelspannungsnetz
- 5
- Impulsausgang
- 6
- Prozessrechner
- 7
- Sollwertausgang
- 8
- Vorrangschaltung
- 9
- Signalquelle
- 10
- Wechselschalter
- 11
- Sollwerteingang
- 12
- Heizung
- 13
- Schaltersteuereingang
führt. Um zu der optimalen Leistung Popt zu gelangen, ist es erforderlich, eine Korrekturleistung Pkorr nach
zu berechnen. Bei Pkorr≤0 ist ein Zuschalten von Leistung möglich, bei Pkorr≥0 ein Abschalten erforderlich. Zur Realisierung dieser Schaltfunktionen wird ein der Korrekturleistung Pkorr entsprechender Sollwert S für die Regler