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"Elektronische Aufladesteuerung, bestehend aus einem zentralen Steuergerät
und einer Mehrzahl von mit Ladereglern ausgerüsteten Wärmespeicheröfen" Die Erfindung
bezieht sich auf eine elektronische Aufladesteuerung, die aus einem zentralen Steuergerät
und einer Mehrzahl von Wärmespeicheröfen besteht, wobei jedem Wärmespeicherofen
ein Laderegler zugeordnet ist.
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Bei bekannten Aufladesteuerungen wird das zentrale Steuergerät von
der Netzwechselspannung gespeist und erhält eine Außentemperatur- und gegebenenfalls
auch Zeitinformation.
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In jedem Wärmespeicherofen ist ein Laderegler vorgesehen, welcher
durch das aus der Außentemperatur- und Zeitinformation gebildete Ausgangssignal
des zentralen Steuergerätes
und ein aus der Restwärme des Speicherkernes
abgeleitetes Signal beeinflußt wird.
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Die Außentemperatur wird also für eine Vielzahl von Öfen nur einmal
zentral gemessen, während für die Restwärmeerfassung in jedem Wärmespeicherofen
ein Restwärmefühler benötigt wird Es ist eine Aufladesteuerung für Wärmespeicherheizgeräte
bekannt, bei welcher als Laderegler ein mechanisch arbeitender Stabausdehnungsregler
verwendet wird, der zwar nahe am Speicherkern angeordnet werden kann, jedoch relativ
ungenau ist. Als Restwärmefühler ist ein Stabausdehnungs-Temperaturmesser (Stahlrohr
mit einem Innenleiter aus einem anderen Material) verwendet, welcher in Verbindung
mit einem fremdbeheizbaren Bimetall arbeitet Die Fremdbeheizung des Bimetalles erfolgt
durch das temperatur- und zeitabhängige Ausgangssignal des zentralen Steuergerätes
(Zeitschrift nElektrizitätfl 20, 1970, 7, Seiten 175 bis 18O, Bild 4). Es erfolgt
also ein mechanischer Vergleich zweier Temperaturen, indem die Temperatur des Speicherkernes,
die zur mechanischen Ausdehnung des Restwärmefühlers führt, mit der Temperatur der
Fremdbeheizung des Bimetalles verglichen, die stark von der Außentemperatur und
weiteren Wärmeableitungen innerhalb des Wärmespeicherofens abhängt. Eine derartige
Führungsmethode des Wärmespeicherofens ist äußerst ungenau. Das
zentrale
Steuergerät muß auch eine relativ hohe Steuerleistung abgeben, um die Führungsgröße
in dem Einzelofen zu verstellen (ca. 10 Watt, d. h. bei lCO Öfen 1 kW).
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Das zentrale Steuergerät liefert ferner eine thyristorgesteuerte Wechselspannung,
welche einen gewissen Anteil von Störspannungen hat, so daß eine Entstörung erfolgen
muß.
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Es ist ferner ein vollelektronisches System bekannt, bei welchem wieder
über ein zentrales Steuergerät aus der Außentemperatur und der Zeit ein Signal gebildet
und auf die einzelnen Laderegler verteilt wird. Der Laderegler arbeitet elektronisch,
wobei als Restwärmefühler ein Halbleiterelement verwendet ist. Da am Speicherkern
Temperaturen von etwa 6oo ?c auftreten können, befindet sich der Restwärmefühler
nicht am Speicherkern, sondern außerhalb desselben am den Speicherkern und die Kernisolation
umgebenden Gehäuse. Temperaturänderungen des Speicherkernes werden damit nur mit
Zeitverzögerung erfaßt, so daß sich falsche Einschaltzeitpunkte ergeben können.
Der Laderegler besteht aus einer Vergleichsschaltung mit einem Operationsverstärker,
welcher ein Relais betätigt, durch das die Heizkörper des Speicherkernes geschaltet
werden (Siemens-Zeitschrift 42, 196o, Heft 12, Seiten 989 bis 993, Bild 12). Für
die Versorgung der Laderegler ist ein Zentraltransformator vorgesehen, welcher für
jeden Einzelofen die Netzspannungsversorgung
für die Vergleichselektronik
des Ladereglers bereitstellt. Für den Verstärker jedes Ladereglers sind außerdem
Gleichrichter und Siebglieder erforderlich. Neben den beiden Steuerleitungen des
zentralen Steuergerätes müssen den Ladereglern auch noch zwei Leitungen für die
Netzspannungsversorgung zugeführt werden.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine elektronische Aufladesteuerung
zu schaffen, die es erlaubt, daß die Ausgangsleistung des zentralen Steuergerätes
auch bei einer sehr großen Anzahl von Öfen relativ niedrig ist, daß ferner der Aufwand
für die Versorgungsspannung der Laderegler stark vermindert wird und ein Restwärmefühler
verwendet werden kann, der es gestattet, die Temperatur unmittelbar am Speicherkern
zu messen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im zentralen
Steuergerät eine konstante Grundgleichspannung als Versorgungsspannung für die Laderegler
gebildet wird, der eine außenteperaturabhängige und gegebenenfalls zeitabhängige
Gleichspannungskomponente zur Beeinflussung des Ladevorganges in den Einzelöfen
überlagert ist.
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Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die Ausbildung
des zentralen Steuergerätes und des im Wärmespeicherofen befindlichen Ladereglers,
Fig. 2 eine andere Ausbildung des Ladereglers, Fig. 3 ein Diagramm mit der vom zentralen
Steuergerät abgegebenen temperaturabhängigen Spannung mit einem Gleichspannungs-Grundanteil,
Fig. 4 ein Diagramm, welches den Verlauf der temperaturabhängigen Spannung ohne
Gleichspannungs-Grundanteil zeigt, Fig. 5 ein Diagramm, bei welchem zusätzlich eine
zeitabhängige Spannung eingeführt ist.
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Die Aufladesteuerung nach der Fig. i umfaßt ein zentrales Steuergerät
Z, das für eine Mehrzahl von in Einzel öfen angeordneten Ladereglern L, Ln usw.
die außentemperatur-und gegebenenfalls zeitabhängige Steuerspannung bereitstellt,
die gleichzeitig auch die Versorgungsspannung für die Elektronik aller Laderegler
ist.
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Das zentrale Steuergerät Z besteht aus einem Transformator 1, einem
Gleichrichterteil 2 und Siebmitteln 3 für die erzeugte Glcichspannung. Mittels einer
Zenerdiode 4, die über ihren Arbeitswiderstand 5 an der Gleichspannung liegt, wird
eine
Referenzspannung erzeugt. Parallel zur Zenerdiode 4 ist ein
Spannungsteiler 6, 7 angeordnet, wobei parallel zum Widerstand 7 ein Fühler 14 für
die Außentemperatur geschaltet ist.
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Es ist ferner ein Operationsverstärker 8 vorgesehen, dem am invertierenden
Eingang - über einen Spannungsteiler 11, 12 ein Teil der Ausgangsspannung A, B des
zentralen Steuergerätes zugeführt ist, während am nichtinvertierenden Eingang +
des Operationsverstärkers 8 ein Teil der Referenzspannung liegt. Der Operationsverstärker
8 wirkt mit seinem Ausgang auf die Basiselektrode eines Längstransistors 9 und stellt
die Spannung zwischen den Klemmen A, B über diesen Transistor derart ein, daß zwischen
dem den Verstärker ansteuernden Teil der Ausgangsspannung und der Referenzspannung
kein Unterschied besteht. Die Ausgangsspannung an den Klemmen A, B wird also der
durch die Zenerdiode 4 erzeugten Referenzspannung nachgeführt.
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Das Teilerverhältnis des Referenzspannungsteilers 6, 7 wird ferner
durch einen Außentemperaturfühler 14 verändert, wodurch sich entsprechend auch die
Ausgangsspannung A, B nach Maßgabe der Außentemperatur unter Beibehaltung eines
durch die Dimensionierung des Referenzspannungsteilers gegebenen Gleichspannungs-Grundanteiles
ändert.
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Am Widerstand 10 kann die zeitabhängige Spannung eines Zeitwerkes
15 wirken, so daß auch von dieser zeitabhängigen Spannung her die Ausgangsspannung
A, B beeinflußbar ist.
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An die Klemmen A; B des zentralen Steuergerätes Z ist eine Mehrzahl
von Ladereglern L, Ln usw. angeschaltet.
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Die Ausgangsspannung A, B ist sowohl die Sollspannung für die Laderegelung
als auch die Versorgungsspannung für den Laderegler. Der unveränderliche Gleichspannungsanteil
ist dabei notwendig, damit die Versorgungsspannung den erforderlichen Hindestwert
nicht unterschreitet, während der veranderliche Anteil, welcher sich aus der Information
Außentemperatur und Zeit zusammensetzt, auf den Yergleichskreis der Laderegler einwirkt.
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Jeder Laderegler hat einen Operationsverstärker 21 mit einem an die
Eingänge + und - des Verstärkers angeschalteten Vergleichskreis, welcher aus einer
Reihenschaltung von Widerständen 16, 17 mit einer Zenerdiode 18 einerseits und einem
Restwärmefühler 19 andererseits besteht. Die Reihenschaltung 16 bis i8 wird von
der Ausgangsspannung A, B des zentralen Steuergerätes Z gespeist, ebenso der Operationsverstärker
21. Um dem Operationsverstärker 21 ein Triggerverhalten zu geben, ist dieser über
einen Widerstand 20 rückgekoppelt. Im Ausgangskreis des Verstärkers 21 ist
ein
Relais 22 mit drei Ruhekontakten 23 angeordnet, wobei in der Figur aus Gründen der
Einfachheit nur ein Ruhekontakt dargestellt ist. Durch die Ruhekontakte 23 werden
drei Heizwiderstände des nicht weiter dargestellten Speicherkernes des Ofens an
das Wechselstromnetz R, S, T und Np an- oder abgeschaltet. Aus Gründen der Übersichtsich
eist ist ebenfalls nur ein Heizwiderstand 24 in der Figur dargestellt. Die dreiphasige
Ausbildung der Kontaktes der Heizwiderstände und der Leitungen ist durch die drei
scha-ägen Striche angedeutet.
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Solange die Ausgangsspannung A, B des zentralen Steuergerätes Z nicht
größer als der in ihr enthaltene Gleichspannungs-Grundanteil ist, fließt durch die
Reihenschaltung der Widerstände 16, 17 und Zenerdiode 18 kein Strom. Der Gleichspannungs-Grundanteil
entspricht dabei etwa der Zenerspannung der Diode 18. Wird die Ausgangsspannung
A, B größer als der Gleichspannungs-Grundanteil und damit auch größer als die Zenerspannung
der Diode 18, dann fließt ein Strom über die Widerstände 16, 17 und durch die Diode
18. Damit tritt am Widerstand 17 eine Spannung UCD auf, die allein der Information
Außentemperatur und Zeit entspricht. Der feste Gleichspannungs-Grundanteil ist also
unterdrückt. Die am Widerstand 17 auftretende Spannung UCD wird nun mit der am Restwärmefülller
19 auftretenden Spannung verglichen. Der Restwannefühler 19 ist dabei
zweckmäßig
als Thermoelement ausgebildet. Bei einer Kompensation der beiden Spannungen schaltet
das Relais 22 ab. Die Ruhekontakte 23 werden geöffnet und die Heizkörper 24 vom
Netz getrennt.
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In der Fig. 2 ist die Schaltung eines Ladereglers dargestellt, bei
welcher anstelle eines Thermoelementes als Restwärmefühler ein Widerstandsfühler
19' verwendet ist.
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Es erfolgt in diesem Falle eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit
von der Kerntemperatur.
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Aus der Ausgangsspannung A, B des zentralen Steuergerätes wird mittels
einer Zenerdiode 18' eine Referenzspannung abgeleitet, welche durch den Fühlerwiderstand
19' kerntemperaturabhängig gemacht wird. Die am Punkt D' auftretende Spannung ist
dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21' zugeführt und wird mit
einer aus der Spannung A, B abgeleiteten Spannung verglichen, die an einem Spannungsteiler
27, 28 im Punkt C' abgegriffen und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
21' zugeführt wird.
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Der Fühler 19' hat einen positiven Temperaturkoeffizienten.
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Wird beispielsweise angenommen, daß die Kerntemperatur steigt, so
wird auch der Widerstand des Fühlers 19' größer und damit steigt auch die Spannung
am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21'. Entspricht diese
Spannung
der am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers, so öffnen die Ruhekontakte
23' des Relais 22' und die Ileizwiderstände 24' werden vom Netz abgeschaltet.
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Die Wirkungsweise der Aufladesteuerung wird nachstehend anhand der
Signaldiagramme nach den Figuren 3 bis 5 in Verbindung mit der Ausbildung nach der
Fig. 1 näher erläutert.
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In der Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung UAB
des zentralen Steuergerätes und der Außentemperatur A dargestellt. Angenommen ist,
daß am Widerstand 10 des zentralen Steuergerätes Z keine zeitabhängige Spannung
wirkt.
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Wie aus dem Diagramm ersichtlich, hat die Ausgangsspannung UAB des
zentralen Steuergerätes bei jeder Außentemperatur + den konstanten Wert U . . Auch
bei +20 C A wird dieser Wert ausgegeben, so daß der Vergleichskreis und Operationsverstä.rker
21 der Laderegler stets eine Versorgungsspannung erhalten. Mit dem Absinken der
Temperatur ändert sich die Ausgangsspannung UAB linear.
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Der Gleichspannungs-Grundanteil Umin ist also zu jeder Zeit und bei
jeder Außentemperatur vorhanden Er stellt die minimale Versorgungsspannung für die
Elektronik aller Laderegler dar. Auf diesem Grundanteil baut sich die auch
schon
von den bisherigen zentralen Steuergeräten ausgegebene, sich aus den Informationeii
Außen temperatur und gegebenenfalls Zeit zusammensetzende Steuerspannung auf.
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Die Versorgungsspannung für die Electronik der Laderegler schwankt
also. Um durch diese Schwankungen kcine Fehler bei der Informationsverarbeitung
zu nischen, i st in den Ladereglern der Operationsverstärkei 21 verwendet1 bei welchem
gleichphasige Spannungsänderuil gen an seinen Eingängen nur einen sehr kleinen Einfluß
auf seinen Ausgang haben (hohe Gleichtktunterdrückung).
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Die Spannung Umin entspricht der Zenerspannung der Laderegler und
wie bereits vorstehend ausgeführt, wird erst bei Überschreiten des Wertes Umin ein
Strom durch die Diode 18 fließen, der proportional der Spannung ist, die die Zenerspannung
an der Diode 18 übertrifft.
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Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, tritt an dem Widerstand 17 der Laderegler
allein eine durch die Außentemperaturänderung bewirkte Spannung UCD auf. Bei +20
C hat diese Spannung den Wert Null und bei -2O0C erreicht sie ihren Maximalwert.
Der Gleichspannungs-Grudanteil Umin ist also bezogen auf den Widerstand 17 der Laderegler
unterdrückt und der an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall ist direkt
proportional der Außentemperatur.
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Die Eingangsspannung an den Eingängen + und - des Operationsverstärkers
21 der Laderegler ist also die Summe aus der Spannung am Widerstand 17 und am Restwärmefühler
19. Die Spannung am Restwärmefühler 19 ist dabei direkt proportional der Temperatur
im Speicherkern, während die Spannung am Widerstand 17 des Ladereglers stromproportional
ist. Der Strom durch diesen Widerstand 17 setzt erst dann ein, wenn die Ausgangsspannung
UAB des zentralen Steuergerätes die Zenerspannung der Diode 18 des Ladereglers überschreitet.
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Im Signaldiagramm nach der Fig. 5 ist zusätzlich zur Außentemperaturabhängigkeit
eine zeitabhängige Spannung eingeführt, die als zeitlinear ansteigende Spannung
am Widerstand 10 des zentralen Steuergerätes angreift und damit der Ausgangs spannung
UAB eine zusätzliche Zeitabhängigkeit verleiht. Wie aus dem Diagramm ersichtlich,
wird bei einer Außentemperatur von -200C und bei einer Kerntemperatur von 0°C die
Anlage sofort eingeschaltet werden und die Ladung hält über die ganze tarifgünstige
Zeit an. Hat der Ofen beispielsweise noch eine Heizenergie von 50 °h, so erfolgt
die Einschaltung desselben entsprechend verzögert im Zeitpunkt a. Mit der gleichen
Restheizenergie und bei einer Außentemperatur von OOC wird überhaupt keine Einschaltung
der Anlage erfolgen.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die Kontakte 23 des Relais 22
Ruhekontakte. Bei Ausfall der Ausgangsspannung UAB des zentralen Steuergerätes wird
auch das Relais 22 abfallen, da es keinen Erregerstrom erhält, wodurch die Kontakte
23 geschlossen werden, so daß die Heizwiderstände 24 des Speicherkernes an das Netz
geschaltet werden und damit der bzw. die Öfen voll geladen werden.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß in allen Wärmespeicheröfen anstelle eines besonderen Speisespannungsversorgungsteiles
für die Elektronik der Laderegler die Ausgangsspannung des zentralen Steuergerätes
herangezogen ist.
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Gleichrichter und Siebmittel sowie gegebenenfalls Einzeltransformatoren
für die Elektronik jedes Ladereglers entfallen damit. Da die Ausgangsspannung UAB
des zentralen Steuergerätes eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich sowohl Signalsteuer-
als auch Versorgungsspannung für die Laderegler ist, werden für die Verbindung von
zentralem Steuergerät und Ladereglern nur zwei Leitungen benötigt. Schließlich können
als Restwärmefühler beispielsweise billige Thermoelemente verwendet werden, die
unmittelbar am Speicherkern anbringbar sind.
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Patentansprüche