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BEZEICHNUNG: Verfahren und Vorrichtung zur Signalübertragung in Wechselstromnetzen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Signalübertragung
in Wechselstromnetzen, wobei von einem elektrischen Signalgeber Impulse über das
Wechselstromnetz auf einen oder mehrere, die empfangenen Impulse auswertenden Signalempfänger
übertragen werden.
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STAND DER TECHNIK In der Praxis besteht häufig die Forderung, räumlich
getrennt untergebrachte Geräte und Einrichtungen funktionell zu verbinden. Ein Beispiel
hierfür sind Uhrenanlagen, bei denen eine oder mehrere Tochteruhren von einer Mutteruhr
synchronisiert werden. Sofern die Übertragung der für die funktionelle Verbindung
der Geräte und Einrichtungen erforderlichen Signale nicht drhtlos erfolgt, müssen
hierfür entsprechende Leitungen vorgesehen werden. Sind die Geräte und Einrichtungen
an das Lichtnetz angeschlossen, so ist der Gedanke naheliegend, dieses bereits vorhandene
Lichtnetz auch zur Übertragung der zur funktionellen Verbindung der Geräte und Einrichtungen
erforderlichen Signale zu nutzen. Dies erfolgt bereits bei sogenannten Rundsteueranlagen.
Bei Anlagen dieser Art werden neben der Netz-Wechselspannung auf dem Lichtnetz zusätzlich
Wechselspannungen einer anderen Frequenz übertragen. Der Aufwand, der bei derartigen
Rundsteueranlage getrieben werden muß, ist jedoch verhältnismäßig groß.
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AUFGABE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übertragung
von Signalen, die zur funktionellen Verbindung von Geräten und Einrichtungen erforderlich
sind, über das WeChselstrOmnetz mit geringerem Aufwand zu ermöglichen.
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LÖSUNG DER AUFGABE Während die bisher bekannten Verfahren darauf beruhen,
daß eine zusätzliche Spannung in das Wechselstromnetz eingespeist wird, geht die
Erfindung von der Überlegung aus, die Versorgungsspannung des Wechselstromnetzes
selbst zur Signalübertragung auszunutzen. Ausgehend von dieser Überlegung, ist die
vorliegende Aufgabe dadurch gelöst worden, daß die Netzspannung zur Signalgabe kurzzeitigen
Veränderungen unterworfen wird, indem Amplitude oder Frequenz oder beide kurz zeitigen,
impuls artigen Veränderungen unterworfen werden.
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Eine besonders einfache und wirksame Signalübertragung läßt sich dadurch
erreichen, daß die Netzspannung kurzzeitig unterbrochen wird. Dabei kann der Signalgeber
vorzugsweise aus antiparallel in die Wechselstromleitung eingeschalteten Thyristoren
bestehen, die durch Schaltspannungen aus einem Schaltspannungsgeber ansteuerbar
sind.
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Eine betrieblich vorteilhafte Übertragung läßt sich dadurch erreichen,
daß der Signalgeber phasenstarr mit der Netzwechselspannung gekoppelt wird. Dabei
kann man die jeweilige Schaltdauer des Signalgebers auf die Dauer einer oder mehrerer
Halbwellen der Netzspannung bemessen. Um eine weitgehend störungsfreie Übertragung
zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, von einer zeitlichen Kodifizierung der Netzspannungsveränderungen
Gebrauch zu machen, so daß die gesendeten
Signale mit beliebig
hoher Selektivität empfangen werden können.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN Weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den
Abbildungen zu entnehmen. Es zeigt Fig. 1 einen als Ein-Ausschalter ausgebildeten
Signalgeber nach der Erfindung, Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
des Signalgebers nach Fig. 1, bei nicht rein ohm'scher Belastung des Netzes, Fig.
3 einen Signalgeber gemäß Fig. 1 für Dreiphasennetze, Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung
der Wirkungsweise des Signalgebers in einem Netz mit auch als Generatoren arbeitenden
Verbrauchern, Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Kodifizierung der
Signale und Fig. 6 das Blockschaltbild einer Ausführungsform von Signalgeber und
Signalempfänger in einem Einphasenwechselstromnetz.
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Fig. 1 zeigt einen Signalgeber in Form eines Schalters S mit zwei
antiparallel geschalteten Tyristoren Q1 und Q2, der zum Schalten der Netzspannung
U1 eines Wechselstromnetzes vorgesehen ist. Die Tyristoren werden im Normalfall
mit Spannungen
U3 und U4 angesteuert, so daß sie leitend sind.
Die Ansteuerung wird im einfachsten Fall z.B. durch eine Signaltaste, unterbrochen,
um Signale in Form von kurzzeitigen Netzspannungsausfällen im angeschlossenen Verbrauchernetz
zu erzeugen. In Fig. 2 sind die zeitlichen Verläufe der in Fig. 1 angegebenen Spannungen
und Ströme bei der Auslassung von Halbwellen angegeben. Spannung U1 ist die Netzwechselspannung
vor dem Schalter S, Spannung U2 ist die Netzwechselspannung hinter dem Schalter
S, die Spannungen U3 und U4 sind die Steuerspannungen der Tyristoren Q1 und Q2 im
Schalter S, 11 ist der Strom der Verbraucher Z. Der Strom I1 ist in Fig. 2 um einen
Winkel ç phasenverschoben gegenüber den Spannungen U1 und U2 dargestellt, da im
allgemeinen Fall nicht davon ausgegangen werden kann, daß die- an ein Netz angeschlossenen
Verbraucher rein ohm'sche Widerstände darstellen. Die Spannungen U3 und U4 werden
abgeschaltet, wenn ein Signalimpuls erzeugt werden soll, in Fig. 2 um Zeitpunkt
t1 Nach der Abschaltung der Spannungen U3 und U4 geht der jeweils leitende Tyristor
Q1 oder Q2 beim nächsten Nulldurchgang des Stromes I1 zum Zeitpunkt t2 vom leitenden
in den gesperrten Zustand über und trennt somit den Teil des Netzes, an den die
Empfänger der funktionell zu verbindenden Geräte und Einrichtungen angeschlossen
sind, von der das Netz speisenden Wechselspannungsquelle. Die Wiedereinschaltung
der Netzspannung erfolgt durch Wiedereinschaltung der Steuerspannungen
U3
und 114 zum Zeitpunkt t3. Zur Vermeidung von Einschaltstromspitzen beim Wiedereinschalten
der Netzspannung ist es sinnvoll, nur geradzahlige Anzahlen von Halbwellen auszulassen.
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Allgemein ist davon auszugehen, daß bei Abschaltung der Netzspannung
für eine oder mehrere Halbwellen der Netzspannung die Spannung U2 im abgeschalteten
Teil des Netzes nicht Null ist, da einige der an das Netz angeschlossenen Verbraucher
während dieser Zeit als Generatoren arbeiten können, beispielsweise Motoren. Als
weitere Maßnahme zur Vermeidung von Einschaltstromspitzen beim Wiedereinschalten
der Netzspannung kann die Wiedereinschaltung so gesteuert werden, daß sie. zu einem
Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Spannungsunterschied zwischen der Netzspannung U1
und der Spannung 112 im abgeschalteten Teil des Netzes möglichst klein ist.
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Die Übertragung von Signalen durch Auslassung einer oder mehrerer
Halbwellen einer Netzwechselspannung kann nicht nur, wie in Fig. 1 dargestellt,
bei einphasigen Netzen, sondern entsprechend auch bei mehrphasigen Netzen durchgeführt
werden.
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In Fig. 3 ist eine mögliche Ausführung des Schalters S für ein dreiphasiges
Netz gezeigt. Für jede Phase des Netzes sind zwei antiparallelgeschaltete Tyristoren
vorgesehen, Q1 und Q2, Q3 und Q4, Q5 und 96. Die Tyristoren werden von Spannungen
U;, U2 und U3, U4 und U5, U6 gesteuert. Die vorstehend für die in Fig. 1 gezeigte
einphasige Ausführung besprochenen
Maßnahmen zur Verringerung des
Einschaltstromes beim Wiedereinschalten der Netzspannung können entsprechend bei
der in Fig. 3 gezeigten Schaltung angewendet werden.
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Die über den Schalter S in einem Signalgeber bewirkten kurzzeitigen
Abschaltungen der Netzspannung, insbesondere als Auslassungen einer oder mehrerer
Halbwellen der Netzwechselspannung, werden in einem Signalempfänger ausgewertet.
Der Empfänger muß somit auf eine Verringerung der Netzwechselspannung ansprechen.
Beim Empfänger werden die Amplituden der Netzwechselspannun U2 überwacht und Spannungsunterschiede
zwischen aufeinanderfolgenden Amplituden ausgewertet.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist die Störsicherheit des Übertragungsweges.
Durch Zu- und Abschaltung von Verbrauchern treten kurzzeitige Spannungseinbrüche
bzw. Spannungsüberhöhungen auf. Der Empfänger muß daher in der Lage sein, solche
Amp litudenänderungen der Netzspannung von Amp litudenänderungen zu unterscheiden,
die durch Auslassungen von Halbwellen der Netzspannung durch den Signalgeber bewirkt
werden. Diese Unterscheidung zwischen Störsignalen und Nutzsignalen kann zunächst
über die Größe und die Dauer des Amplitudenunterschiedes der aufeinanderfolgenden
Halbwellen der Netzspannung erreicht werden. Die Auswerteschaltung der Empfänger
kann hierzu so bemessen sein, daß sie nur auf Amplitudenunterschiede anspricht,
die einen bestimmten Wert überschreiten. Sie kann ferner so ausgebildet sein, daß
sie auf sehr kurzzeitige
Amplitudenänderungen nicht anspricht, die
nur über Bruchteile der Dauer einer Halbperiode der Netzspannung wirken, Ferner
kann sie so ausgebildet sein, daß sie auf sehr langandauernde Amplitudenunterschiede
nicht anspricht, die über ein Vielfaches der Dauer der ausgelassenen Halbwellen
der Netzspannung wirksam sind. Diese Forderungen lassen sich durch bekannte Schwellwertschaltungen
und Zeitkonstanten im Signalempfänger verwirklichen Eine weitere Verbesserung der
Störsicherheit läßt sich dadurch erreichen, daß die zur funktionellen Verbindung
erforderlichen Signale zeitlich kodifiziert übertragen werden0 So können beispielsweise
zwei Signale mit zeitlich definiertem Abstand verwendet werden, von denen das erste
Signal für den Empfänger ein Vorbereitungssignal ist-und das zweite Signal nur dann
im Empfänger weiterverarbeitet wird, wenn es den richtigen zeitlichen Abstand zum
Vorbereitungssignal hat.
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Fig 5 zeigt einen möglichen zeitlichen Ablauf eines so kodifizierten
Signales, Zum Zeitpunkt t1 wird durch einen Vorimpuls s1 die Auslassung von zwei
Halbwellen bewirkt. Im Empfänger wird durch den Vorimpuls der Empfängereingang für
die Zeit t1 gesperrt und nach Ablauf der Sperrdauer T1 zum Zeitpunkt t21 für die
Zeit T2 bis zum Zeitpunkt t3 geöffnet.
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Der Steuerimpuls s2, der um die Verzögerungszeit T3 verzögert nach
dem Vorimpuls s1 kommt, kann somit vom Empfänger verarbeitet werden. Die Empfängerauswertelogik
ist so aufgebaut, daß der Steuerimpuls s2 nur dann verarbeitet wird, wenn er um
die Zeit T3 verzögert nach einem Vorimpuls s1 kommt0
Wie bereits-vorstehend
gesagt, ist allgemein davon auszugehen, daß bei Abschaltung der Netzspannung U1
für eine oder mehrere Halbwellen der Netzspannung die Spannung U2 im abgeschalteten
Teil des Netzes nicht Null ist, da einige der an das Netz angeschlossenen Verbraucher
während dieser Zeit als Generatoren- arbeiten können, beispielsweise Motoren. Sind
an einem Netz viele Verbraucher angeschlossen, die bei Abschaltung als Generatoren
arbeiten können, so wird die Spannung im abgeschalteten Teil des Netzes nut relativ
langsam kleiner werden, und man muß eine entsprechend große Anzahl Halbwellen auslassen,
um zu erreichen, daß die Spannung im abgeschalteten Teil.des Netzes auf einen Wert
absinkt, bei dem die Auswerteschaltungen im Empfänger ansprechen. Sind wiederum
wenige Verbraucher an das Netz angeschlossen, die als Generatoren arbeiten können,
so wird die Spannung im abgeschalteten Teil des-Netzes relativ schnell abnehmen,
und es brauchen nur wenige Halbwellen ausgelassen zu werden, um zu erreichen, daß
die Spannung im abgeschalteten Teil des Netzes auf einen Wert abnimmt, bei dem die
Auswerteschaltung des Empfängers anspricht. Allgemein muß also davon ausgegangen
werden, daß Art und Anzahl der an das Netz angeschlossenen Verbraucher nicht konstant
sind, sondern sich durch Zu- und Abschaltung einzelner Verbraucher ändern. Entsprechend
könnte dann u.U.
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die Anzahl der ausgelassenen Halbwellen an die jeweilige Belastung
des Netzes angepaßt werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß die Spannung im abgeschalteten
Teil des Netzes
zur Steuerung der Schaltdauer bzw. der Anzahl der
auszulassenden Halbwellen verwendet wird. Die Arbeitsweise dieses Prinzips ist in
Fig. 4 veranschaulicht. Die Spannung U1 ist wiederum die Netzspannung vor dem Schalter
S, die Spannung U2 die Spannung des abgeschalteten Teiles des Netzes hinter dem
Schalter S, die Spannungen U3 und U4 sind die Steuerspannungen für die Tyristoren
Q1 und Q2 im Schalter S, die Spannungen Ug sind vorgegebene Schwellwerte. Zum Zeitpunkt
t1 wird die Auslassung der Halbwellen durch Absch-altung der Spannungen U3 und 114
für die Tyristoren Q1 und Q2 im Schalter S eingeleitet. Der jeweils leitende Tyristor
Q1 und Q2 sperrt beim nächsten Nulldurchgang des Stromes zum Zeitpunkt t2. Unter
der Annahme, daß einige der an das Netz angeschlossenen Verbraucher als Generatoren
arbeiten, nimmt die Spannung U2 im abgeschalteten Teil des Netzes vom Zeitpunkt
t2 an ab. Die Auslassung der Halbwellen bleibt solange aufrechterhalten, wie die
Amplitudenwerte der Spannung U2 im abgeschalteten Teil des Netzes größer sind als
die Schwellwertspannungen 112.
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Zum Zeitpunkt t3 i-st der Amplitudenwert der Spannung- im abgeschalteten
Teil des Netzes kleiner als die Schwellwertspannung Us, die Wiedereinschaltung der
Halbwellen wird vorbereitet und erfolgtlbeim nächsten Nulldurchgang der Netzspannung
zum Zeitpunkt t4. Zweckmäßigerweise wird die Schaltung, wie bereits vorstehend besprochen,
zur Vermeidung von Einschaltstromspitzen so aufgebaut, daß mindestens zwei Halbwellen
und immer eine gerade Anzahl Halbwellen ausgelassen werden.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Ausübung
der vorerwähnten Funktionen. Die dargestellte Schaltung kann z.B. zur Übertragung
von Synchronisationsimpulsen zwischen einer Mutteruhr M in einem Signalgeber G und
einer oder mehreren Tochteruhren T in Signalempfängern E mit Schaltung A zur Auswertung
und Erzeugung von Steuersignalen U10 verwendet werden. Der Signalgeber G ist in
die Netzzuleitung eingeschaltet. Die Ansteuerung der Tyristoren im Schalter S erfolgt
mit den Steuerspannungen 113 und 114 von einer Steuerlogik St im Geber G. In der
Steuerlogik werden die Steuerspannungen 113 und 114 in Abhängigkeit von Spannungen
U5, Uó, U7, U8, Ug erzeugt. Die Spannung 118 besteht aus Impulsen von der Mutteruhr,
den eigentlichen zu übertragenden Signalen.
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Die Spannung U5 kommt von. einem Spannungsfühler F1 und wird dazu
verwendet, die Wiedereinschaltung der Spannung U2 so zu steuern, daß sie im Nulldurchgang
der Spannung U1 erfolgt. Die Spannung U6 kommt von einem Spannungsfühler F2 und
dient der Steuerung der Anzahl der auszulassenden Halbwellen in Abhängigkeit vom
Rückgang der Spannung U2. Die Spannung /kommt von einem Stromfühler F3 und ermöglicht
es, den genauen Zeitpunkt des Beginns der Abschaltung der Spannung U2 zu bestimmen.
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Mit einer Handtaste kann ferner eine Spannung U9 in die Steuerlogik
eingetastet werden, die die gleiche Funktion hat wie die Spannung U8 von der Mutteruhr.
Es ist dadurch möglich,
die Tochteruhren unabhängig von den Impulsen
der Mutteruhr weiterzuschalten. Hierdurch können beispielsweise durch Netz ausfall
oder sonstige Störungen bewirkte Fehlanzeigen der Tochteruhren korrigiert werden.