DE2062713B2 - Verfahren zur elektronischen Aufladesteuerung in einem Speicherheizungssystem, bestehend aus einem zentralen Steuergerät und einer Mehrzahl von mit elektronischen Ladereglern ausgerüsteten Wärmespeicheröfen - Google Patents

Description

Durch das »Handbuch der elektrischen Raumheizung«, 4. Aufl., Dr. A. Hüthig-Verlag, ist eine Steuereinrichtung für elektrische Heizeinrichtungen bekannt, welche im Witterungssteuergerät einen Verstärker enthält, von dem eine temperaturabhängige Spannung über Steueradern dem Restwärmegerät im

Wärmespeicher zugeführt wird. Das Restwärmcgeral hat eine eigene Spannungsversorgung.

Durch die Broschüre »Siemens Halbleiter-Schaltheispieleo. Ausgabe 1961, Seite S,S. Bild 49, sind Cileiehspannungsspeisegeräte bekannt.

[s 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 l^sderegler verteilt wird. Der Laderegler arbeitet elektronisch, wobei als Restwärniefühler ein Halbleiterelement verwendet ist. Da am Speicherkern Temperaturen von etwa 600" 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. 146S, Heft 12. Seiten ^l>89 bis <W. Bild 12). Für die Versorgung der Laderegler ist ein Zentraltransformator vorgesehen, welcher fur jeden Einzelofen die Netzspannungsversorgung tür die Vergleichselektronik des Ladereglers bereitstellt. Für den Verstärker jedes Ladereglers sind außerdem Gleichrichter und Siebglieder erforderlich. Neben den beiden Steuerleitungerj des zentralen Steuergerätes müssen den Ladereglern auch noch zwei Leitungen für die Netzspannungsversori>ung zugeführt werden.

Die Erfindung hat sich zur Autgabe 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im zentralen Steuergerät eine konstante Grundgleichspannung gebildet wird, der die außentemperaturabhängige und gegebenenfalls zeitabhängige Gleiciispannungskomponente zur Beeinflussung des Ladevorganges in den Einzelofen überlagert wird, und daß die derart gebildete Ausgangsspannung des Steuergerätes als Soll- und Versorgungsspannung an die Laderegler gefuhrt ist und daß mittels in den Ladereglern vorgesehener nichtlinearer Elemente eine Rückgewinnung der außentemperaturabhängigen bzw. zeitabhängigen Gleichspannungskomponente aus der Ausgangsspannung des Steuergerätes erfolgt.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eine? in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Ausbildung des zentralen Steuergerätes und des im Wärmespeicherofen befindlichen Ladereglers.

Fig. 2 eine andere Ausbildung des Ladcreglers,

Fig. 3 ein Diagramm mit der vom zentralen Steuergerät abgegebenen temperaturabhängigen Spannung mit einem Gleichspannungs-Grundanteil,

Fig. 4 ein Diagramm, welches den Verlauf der temperaturabhängige!! Spannung ohne Gleichspanlmngs-Grundanteil zeigt,

lig. ή ein Diagramm, bei welchem zusätzlich eine z.eitabhänige Spannung eingeführt ist.

Die Aufladesteuerung nach der Fig. 1 umfaßt ein zentrales Steuergerät Z, das für eine Mehrzahl von in Einzelöfen angeordneten Ladereglern L, L_n usw. die außentemperatur- und gegebenenfalls zeitabhän gige Steuerspannung bereitstellt, die gleichzeitig auch die Versorgungsspannung für die Elektronik aller Laderegier ist.

Das zentrale Steuergerät Z besteht aus einem Transformator 1, einem Gleichrichterteil 2 und Siebmitteln 3 für die erzeugte Gleichspannung. 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.

Es ist ferner ein Operationsverstärker 8 vorgesehen, dem am invertierenden Eingang - über einen Spannungsteiler llf 12 ein Teil der Ausgangsspannung A, B des zentralen Steuergerätes zugeführt ist, während am niehtinvertierenden Eingang + desOpe-

*5 rationsverstärkcr* X 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, R über diesen Transistor derart ein, daß zwi-

3" sehen dem den Verstärker ansteuernden Teil der Ausgangsspannung und der Referenzspannung kein Unterschied besteht. Die Ausgangsspannung an den Klemmen A, R wird also der durch die Zenerdiode 4 erzeugten Referenzspannung nachgeführt.

3Γ> Das Teilerverhältnis des Referenzspannungsteilcrs 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.

Am Widerstand 10 kann die zeitabhängige Spannung eines Zeitwerkes 15 wirken, so daß auch von dieser zeitabhängigen Spannung her die Ausgangsspannung A, R beeinflußbar ist.

An die Klemmen A, B des zentralen Steuergerätes / ist eine Mehrzahl von Ladereglern /., L_n usw. angeschaltet.

Die Ausgangsspannung A, B ist sowohl die SoIlspannung für die Laderegelung als auch die Versorgungsspannung für den Laderegler. Der unveränderliche Gleichspannungsanteil ist dabei notwendig, damit die Versorgungsspannung den erforderlichen Mindestwert nicht unterschreitet, während der veränderliche Anteil, welcher sich aus der Information Außentemperatur und Zeit zusammensetzt, auf den Vergleichskreis der Laderegler einwirkt.

Jeder Laderegler hat einen Operationsverstärker 21 mit einem an die Eingänge 4- und — des Verstärkers angeschalteten Vergleichskreis, welcher aus einer Reihenschaltung von Widerständen 16, 17 mit einer Zenerdiode 18einerseits und einem Restwärmefühler 19 andererseits besteht. Die Reihenschaltung 16 bis 18 wird von der Ausgangsspannung A, B des zentra-

len 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 Hcizwidei stände des nicht weiter dargestellten Speicherkernes iles Ofens an das Wechselstromnetz /?, S, '/' ιιικΙ Mp .-in- oder abgeschaltet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ebenfalls nur ein Heizwiderstand 24 in der Figur dargestellt. Die dreiphasige Ausbildung der Kontakte, der Heizwiderstände und der Leitungen ist durch die drei schragen Striche angedeutet.

Solange die Ausgangsspannung A, Ii des zentralen Steuergerätes '/. nicht größer als der in ihr enthaltene Gleichspannungs-Grundantcil 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-Grundantcil und damit auch großer 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 U₁₁, auf, die allein der Information Außentemperatur und Zeit entspricht. Der feste Glcichspannungs-Grundanteil ist also unterdrückt. Die am Widerstand 17 auftretende Spannung U₁₁, wird nun mit der am Restwärmefühler 19 auftretenden Spannung verglichen. Der Restwärmefühler 19 ist dabei zweckmäßig als Thermoelement ausgebildet. Hei einer Kompensation der beiden Spannungen schaltet das Relais 22 ab. Die Ruhekontakte 23 werden geöffnet und die Heizkörper 24 vom Netz gelrennt.

In der fig 2 ist die Schaltung eines Ladeieglc-rs dargestellt, bei weicher an Stelle eines Thermoelementes als Restwärmefühler ein Widerstandsfühler 19' verwendet ist. Hs erfolgt in diesem Falle eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Kernlempcratur.

Aus der Ausgangsspannung A. H des zentralen Steuergerätes wird mittels einer Zenerdiode 18' eine Referenzspannung abgeleitet, welche durch den Fühlcrwiderstand 19' kcrntemperaturabhangig gemacht wird. Die am Punkt D' auftretende Spannung ist dem invertierenden Hingang des Operationsverstärkers 21' zugeführt und wird mit einer aus der Spannung A. R abgeleiteten Spannung verglichen, die an einem Spannungsteiler 27. 28 im Punkt (" abgegriffen und dem nichtiinertierenden Hingang des Operations\irst.ii kers 21' zugeführt wird

Der Fühler 19' hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. 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 nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, so öffnen die Ruhekontakte 23' des Relais 22' und die Heizwiderstände 24' werden vom Netz abgeschaltet

Die Wirkungsweise der Aufladesteuerung wird nachstehend an FJand der Signaldiagramme nach den Fig. 3 bis 5 in Verbindung mit der Ausbildung nach der Fig I näher erläutert.

In der Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung L\_H des zentralen Steuergerätes und der Außentemperatur 0₄ dargestellt. Angenommen ist, daß am Widersland 10 des zentralen Steuer geräl'.'s Z keine zeitabhängige Spannung wirkt.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich, hat die Aus gangsspannung U_AII des zentralen Steuergerätes be jeder Außentemperatur &_A den konstanten Wert U₁₁₁₁₁₁ Auch bei I 20' C wird dieser WfTt ausgegeben. s< daß der Vcrgleichskreis und Operationsverstärker 21 der Laderegler stets eine Versorgungsspannung erhalten. Mit dem Absinken der Temperatur ändert siel die Ausgangsspannung U_AB linear. Der Glcichspannungs-Grundanteil U_1111n ist also zu jeder Zeit und bei jeder Außentemperatur vorhanden. Er stellt die minimale Versorgungsspannung für die Elektronik allei Laderegler dar. Auf diesem Grundanteil baut sich die auch schon von den bisherigen zentralen Steuergeräten ausgegebene, sich aus den Informationen Außentemperatur und gegebenenfalls Zeit zusammensetzende Steuerspaniiung auf.

Die Versorgungsspannung für die Elektronik dci Laderegler sehwankt also. Um durch diese Schwanklingen keine Fehler bei der Informationsverarbeitung zu machen, ist in den Ladcrcgiern der Operationsverstärker 21 verwendet, bei welchem gleichphasige Spaniumgsänderungen an seinen Eingängen nur einen sehr kleinen Hinfluß auf seinen Ausgang haben

(hohe (ileiehtaktunterdrückung).

Die Spannung U_mm entspricht der Zenerspannung der I.adi'iegler und wie bereits vorstehend ausgeführt, wircierst bei Überschreiten des Wertes (/„„„ un Strom durch die Diode 18 fließen, der proportional der Spannung ist, die die Zenerspannung an der Diode 18 übertrifft.

Wie aus der Fi g 4 ersichtlich, tritt an dem Widerstand 17 der Laderegler allein eine durch die Außenlempcralurändmingbewirkte Spannung U₁₁, aut. Bc:

^ 20 ( hat diese Spannung den Wert Null und bei

211 C erreicht sie ihren Maximalwert Der Gleich

spannungs-Grunddiitcil U_mm ist also bezogen :uil den

Widerstand 17 der Laderegler unterdrückt und der

an diesem Widersland auftretende Spannungsabfall ist

direkt proportional (W Außentemperatur.

Die Hingangsspannung an den Eingängen ^J und des Operationsverstärkers 21 der Laderegler isi also die Summe aus der Spannung am Widerstand 17 und am Restwärmefühler 19. Die Spannung am Rest

wärmefühler 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 ersl dann ein. wenn die Ausgangsspannung U_AH des /en

traten Steuergerätes die Zenerspannung der Diode 18 des Ladereglers überschreitet.

Im Signaldiagramm nach der Fig. 5 ist zusätzlich zur Außentemperaturabhängigkeit eine zeitabhängige Spannung eingeführt, die als zeitlinear ansteigende

Spannung am Widerstand 10 des zentralen Steuerge rates angreift und damit der Ausgangsspannung U₄₁₁ eine zusätzliche Zeitabhängigkeit verleiht. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, wird bei einer Außentemperatur von - 20 C und bei einer Kerntemperatur

von Ο ί die Anlage sofort eingeschaltet werden und die Ladung hält über die ganze tarifgünstige Zeit an. Hat der Ofen beispielsweise noch eine Heizenergic von 5(Kf. so erfolgt die Einschaltung desselben entsprechend verzögert im Zeitpunkt a. Mit der gleichen

Restheizenergie und bei einer Außentemperatur von 0 C wird überhaupt keine Einschaltung der Anlage erfolgen

Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die Kontakte

23 des Relais 22 Ruhekontakte. Hei Auslall der Aiisgangsspannung U_AB des zentralen Steuergerätes wird auch das Relais 22 abfallen, da es keinen Hrrcgerstrom erhält, wodurch die Kontakte 23 geschlossen werden, M) daß die Hei/widerstände 24 des Spcicherkernes an das Netz geschaltet werden und damit der bzw. die Öfen voll geladen werden.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in allen Wärmespeicheröfen an Stelle eines besonderen Speisespanmmgsveisorgungsteilcs für die Elektronik der I.adcrcglcr die Ausgungsspannung des zentralen Steuergerätes lmt-

angezogen ist. (ileichrichter und Siebmittel sowie gegebenenfalls Ii in ze I transformatoren für die Elektronik jedes Ladeieglers entfallen damit. Da die Aiisgaiigsspannung U_AB des zentralen Steuergerätes eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich sowohl Signalsteuer- als auch Versorgungsspannung für die Laderegler ist, werden für die Verbindung von zentralem Steuergerät und Lauereglern nur zwei Leitungen benötigt. Schließlich können als Restwärmefühler beispielsweise billige Thermoelemente verwendet werden, die unmittelbar am Speicherkern anhringbai sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

«»544/178

fen ^

Claims (5)

Patentansprüche: Spannungsteiler an die hingänge des Operationsverstärkers (21') geführt sind (Fig. 2).

1. Verfahren zur elektronischen Aufladesteuerung in einem Speicherheizungssystem, bestehend aus einem zentralen Steuergerät und einer Mehrzahl von mit elektronischen Ladereglern ausgerüsteten Wärmespeicheröfen, bei welchem eine außentemperaturabhängige und/oder zeitabhängige, sich während des AufladezeitTaumes ändernde Steuerspannung vom zentralen Steuergerät an die Laderegler geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Steuergerät (Z) eine konstante Grundgleichspannung [U₁₁₁₁₁.) gebildet wird, der die außentemperaturabhängige (ϋ_Α ) und gegebenenfalls zeitabhängige (/) GJeichspannungskomponente zur Beeinflussung des Ladevorganges in den Einzelöfen überlagert wild, und daß die derart gebildete Ausgangsspannung (A, H) des Steuergerätes (Z) als SoII- und Versorgungsspannung an die Laderegler [L, L_n) geführt ist und daß mittels in den Ladereglern vorgesehener niditünearer Elemente (18) eine Rückgewinnung der außentemperaturabhängigen h/w. zeitabhängigen Gleichspannungskomponenle (U₁,,) ans der Ausganpsspannung (/1, H) ilc^ Steuergeiates erfolgt.

2. Aufladesteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Steuergerät nach Art eines an sich bekannten elektronisch geregelten Gleichspannungsspeisegerätes ausgebildet ist, dessen Ausgangsspannung durch einen Außentemperaturfühler (14) und gegebenenfalls ein Zeitwerk (15) variiert wird.

3. Aufladesteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laderegler aus einem Operationsverstärker (21) und einem derartigen an die Eingänge des Verstärkers geschalteten Vergleichskreis (16 bis 18, 19) besteht, daß am Meßzweig (16 bis 18) nur der aus der Außentemperatur und gegebenenfalls der Zeit abgeleitete Anteil der Ausgangsspannung des zentralen Steuergerätes wirkt, während der Operationsverstärker (21) mindestens vom Gleichspannungs-Grundanteil (U_mm) der Ausgangsspannung (U₄₁₁) gespeist wird.

4. Aufladesteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückgewinnung der Informationen »Außentemperatur« und »Zeit« aus der Versorgungsspannung eine Reihenschaltung von zwei Widerständen (16, 17) mit einer Zenerdiode (18) vorgesehen ist, welche von der Ausgangsspannung (U_AB) gespeist wird und die Zenerspannung der Diode (18) dem Gleichspannungs-Grundanteil (U_min) entspricht und daß die Spannung am Widerstand (17) zur Spannung des Restwärmefühlers (19) addiert ist und diese Summenspannung an die Eingänge des Operationsverstärkers (21) geschaltet ist.

5. Aufladesteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Restwärmefühler (19) ein Widerstandsfühler ist, welcher Teilwiderstand eines der Zenerdiode (18') parallel geschalteten Spannungsteilers ist, daß ein zweiter Spannungsteiler (27, 28) vorgesehen ist und daß die Verbindungspunkte (C, D') beider Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren /ur elektronischen Aufladesteuerung in einem Speicherhei/ungssystem, bestehend aus einem zentralen Steuergerät und einer Mehrzahl von mit elektronischen Ladereglern ausgerüsteten Wärmespeicherofen, bei welchem eine außentemperaturabhängige und/oder zeitabhängige, sich während des Aufladezeitraumes

ändernde Steuerspannung vom zentralen Steuergerät an die Laderegler geführt wird.

Bei bekannten Aufladesteuerungen wird das zentrale Steuergerät von der Netzwechselspannung gespeist und erhält eine Außentemperatur- und gegebe-

nenlalls auch Zeitinformation. In jedem Wärmespeicherofen ist ein Laderegler vorgesehen, welcher durch das aus der Außentemperatur- und Zeitinformation gebüdete Ausgangssignal des zentralen Steuergerätes und ein aus der Restwärme des Speicherkernes abge-Litetes Signal beeinflußt wird.

Die Außentemperatur wird also für eine Vielzahl von Öfen nur einmal zentral gemessen, während fur die Restwärmeerfassung in jedem Wärmespeicherofen ein Restwärmefühler benotigt wird.

Hs ist eine Aufladesteuerung für Wärniespeicherheizgeräte bekannt, bei welcher als Laderegler ein mechanisch arbeitender Stabausdehnungsregler verwendet wird, der zwar nahe am Speicherkern angeordnet werden kann, jedoch relativ ungenau ist. Als Restwärmcfühler ist ein Stabausdehnungs-Tcmperaturmesser (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 »Elektrizität« 20, 1970, 7, Seiten 175 bis 180, 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 wird, die stark von der Außentemperatur und weiteren Wärmeableitungen innerhalb des Wärmespeicherofens abhängt. Eine derartige Füh-

rungsmethode des Wärmespeicherofens ist äußerst ungenau. Das zentrale Steuergerät muß auch eine relativ hohe Steuerlcistung abgeben, um die Führungsgröße in dem Einzelofen zu verstellen (ca. 10 Watt, d. h. bei 100 Öfen 1 kW). Das zentrale Steuergerät liefert ferner eine thyristorgesteuerte Wechselspannung, welche einen gewissen Anteil von Störspannungen hat, so daß eine Entstörung erfolgen muß.

Durch die deutschen Offenlegungsschriften I 565 687, 1 615 122 sind weitere Steuervorrichtungen für Wärmespeicheröfen mit thermischen Ladereglern bekannt, deren Leistungsbedarf relativ groß ist.