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Elektronischer Maximumwächter Die Erfindung bezieht sich auf einen
elektronischen Maximumwächter mit fortlaufendem Arbeitsvergleich über konstante
Meßperioden, der über mindestens einen Komparator den jeweiligen Verbrauch mit einem
vorzugsweise in Prozent der maximalen Leistung vorgebbaren Leistungssollwe vergleicht
und der bei einem Überschreiten dieses vorgegebenen Leistungssollwertes ein Signal
und/oder eine Lastabschaltung auslöst, wobei eine dem zu überwachenden Verbrauch
proportionale Impulsfolge und eine der vorgegebenen Solleistung proportionale Impulsfolge
über je eine elektronische Impulsanpassung je einem Binärzähler zugeführt werden,
welche zu Beginn einer jeden neuen Meßperiode auf voreinstellbare Anfangswerte rücksetzbar
sind.
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Es ist durch die DT-OS 2 259 268 eine Vorrichtung zur Überwaschung
der von einer Energiequelle abgegebenen elektrischen Energie bekannt geworden, bei
der im Gerät selbst auf analoge Weise ein Produkt aus Strom und Spannung gebildet
wird, um eine der Leistung proportionale Größe zu erhalten. Diese Größe wird in
einer Addierschaltung mit einer entsprechenden Bezugsgröße durch Subtraktion verglichen.
Die Bezugsgröße stellt die mittlere Größe der maximalen Leistung dar, die vom Energieverbraucher
zwecks Einhaltung eines bestimmten Maximums nicht überschritten werden darf. Das
Ausgangssignal der Addierschaltung wird einem Integrator zugeführt, der das Ausgangssignal
über eine bestimmte Zeitperiode integriert. Das Ausgangssignal des Integrators wird
mit einer weiteren Bezugsgröße verglichen. Überschreitet der Verbrauch innerhalb
einer Meßperiode einen vorgegebenen Verbrauch, so wird ein Warnsignal
ausgelöst
oder eine Abschaltung von Verbrauchern vorgenommen.
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Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß sämtliche Größen
auf analoge Weise gebildet werden, so daß der Aufwand für die Vorrichtung zwecks
Einhaltung einer bestimmten Genauigkeit sehr hoch ist.
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Um'einerseits die Genauigkeit zu erhöhen und andererseits den Aufwand
zu vermindern, wurde ein elektronischer Maximumwächter vorgeschlagen (P2452998.4
), bei dem der laufende Arbeitsvergleich über konstante Meßperioden rein digital
durchgeführt wird. Hierbei werden eine dem zu überwachenden Verbrauch proportionale
Impulsfolge und eine der vorgegebenen Sollarbeit proportionale konstante Impulsfolge
über je eine elektronische Impulsanpassung je einem eetzbaren Binärzähler zugeführt,
welche zu Beginn einer jeden Meßperiode auf voreinstellbare Anfangswerte rücksetzbar
sind. Aus den Ausgangswerten der beiden Binärzähler wird fortlaufend ein Leistungsmittelwert
gebildet, der über mindestens einen Komparator mit einem vorzugsweise in Prozent
der maximalen Leistung vorgebbaren Leistungssollwert verglichen wird. Bei Überschreitung
dieses vorgegebenen Leistungssollwertes wird ein Signal und/oder eine entsprechende
Lastabschaltung ausgelöst; bei nachfolgender Unterschreitung dieses vorgegebenen
Leistungssollwertes um einen bestimmten Betrag wird vorzugsweise eine Wiedereinschaltung
der abgeschalteten Last veranlaßt. Hierbei wird vorgeschlagen, daß zur laufenden
Bildung des Leistungsmittelwertes ein digitaler Dividierer verwendet wird. Die Verwendung
sowohl für den Dividierer als auch für den oder die nachgeschalteten Komparatoren
von rein digitalen Vorrichtungen erfordert jedoch wiederum einen erhöhten Aufwand.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen
Maximumwächter der eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, daß er sowohl
mit hoher Genauigkeit zu arbeiten imstande ist, als auch mit vertretbarem Aufwand
herzustellen ist. Er soll auch in der Lage sein, fortlaufend zu ermitteln, mit welcher
mittleren Leistung bis zum Ende der Meßperiode gearbeitet werden kann, ohne daß
ein vereinbartes Maximum gefährdert wird. Der elektronische Maximumwächter
gemäß
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Binärzähler ein Digital-Analog-Wandler
zugeordnet ist, der den digital integrierten Arbeitswert bzw. den digital integrierten
Vergleichswert in analoge Signale umsetzt und daß diese analogen Ausgangssignale
fortlaufend auf analoge Weise miteinander verglichen werden. Vorzugsweise werden
die Ausgagsetröwder beiden Digital-Analog-Wandler mit Hilfe von Operationsverstärkern
in analoge Spannung umgesetzt und die Spannungen über einen Operationsverstärker
miteinander verglichen. Besonders vorteilhaft ist, wenn aus der analogen Ausgangsspannung
des den integrierten Vergleichswert (Leistungssollwert) umsetzenden Operationsverstärkers
mindestens eine einer bestimmten Vorgabekurve entsprechende Ausgangsspannung gebildet
wird, die über den Operationsverstärker mit der dem integrierten Arbeitswert entsprechenden
Spannung (Lastkurve) verglichen wird. Ein besonders einfacher Schaltungsaufbau ergibt
sich dadurch, daß zur Bildung einer einer bestimmten Vorgabekurve entsprechenden
Ausgangsspannung an dem Ausgang des den integrierten Vergleichswert umsetzenden
Operationsverstärkers ein gegen eine Referenzspannung geschalteter Spannungsteiler
angeschlossen ist, an dessen Abgriff eine der Vorgabekurve entsprechende Spannung
abnehmbar ist.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt
ist, wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 das Grundprinzip
des erfindungsgemäßen Maximumwächters mit automatischer Lastabschaltung, Figur 2
ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des elektronischen Maximumwächtere.
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Mit 1 ist eine Impulseingangsetufe bezeichnet, in der eine galvanische
Trennung der über eine Leitung 2 ankommenden, dem Verbrauch proportionalen Impulse
erfolgt. Diese können beispielsweise von einem Kontaktgeberzähler abgegeben werden.
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Es handelt sich also um einen impulsgesteuerten Maximumwächter. Anstelle
eines Kontaktgeberzählers kann auch ein -Zähler mit einem elektronischen Impulsgeber
oder ein
Zähler mit einer opto-elektrischen läuferabtasteinrichtung
oder aber auch ein elektronischer, Zählimpulse abgebender Zähler Verwendung finden.
Als Impulseingangsstufe kann beispielsweise eine solche mit Vorteil Verwendung finden,
bei der die Potentialtrennung durch eine opto-elektronische Kopplung bewirkt wird.
Wesentlich hierbei ist nur, daß zwischen der impulsgebenden Meßeinrichtung und dem
Gerät selbst keine galvanische Verbindung besteht. Die von der Eingangsstufe 1 abgegebenen
Impulse werden über eine Leitung 3 einem vorzugsweise elektronischen Einstellgetriebe
4 zugeleitet. Mit diesem elektronischen Einstellgetriebe 4 wird die Impulszahl der
Kapazität eines nachgeschalteten Binärzählers 5 angepaßt. Das elektronische Einstellgetriebe
4 steht mit dem Binärzähler 5 über eine Impulsleitung 6 in Verbindung. Der Binärzähler
5 summiert die Eingangsimpulse, wobei dessen Zählerstand dem jeweilig aufgelaufenen
Arbeitsm wert W entspricht.
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In ähnlicher Weise arbeitet ein Binärzähler 7, in dem ein digital
integrierter Arbeitswert gebildet wird, der dem Leistungssollwert entspricht. Vorzugsweise
wird die der vorgegebenen Solleistung entsprechende Impulsfolge von der Netzfrequenz
abgeleitet. Zu diesem Zweck ist ein Impulsteiler 8 vorgesehen, dem über eine Eingangsleitung
9 die Netzfrequenz zugeführt wird. Die Ausgänge des Impulsteilers 8 stehen über
eine Impulsleitung 10 mit dem Eingang des Binärzählers 7 in Verbindung. Der Impulsteiler
8 ist so eingestellt, daß der Binärzähler 7 die Ausgangsimpulse so teilt, daß am
Ende einer jeden Meßperiode die volle Kapazität des Binärzählers 7 erreicht wird.
Am Ende einer jeden Meßperiode werden die beiden Binärzähler 5 und 7 sowie der Impulsteiler
8 rückgesetzt, was über Rückstelleitungen 11,12 und 13 erfolgt. Die Rückstellungen
können mit Hilfe einer Schaltuhr 14 eingeleitet werden. Anstelle einer Schaltuhr
14 kann auch eine elektronische Einrichtung dienen, die beispielsweise die Zeit
für eine Meßperiode aus der Netzfrequenz ableitet. Der jeweilige Zählerstand des
Binärzählers 7 entspricht also dem zeitlichen Verlauf der Meßperiode. Wird beispielsweise
der
maximale Zählerstand für die beiden Binärzähler 5 und 7 am Ende einer Meßperiode
mit 100 gewählt, so wird eine Ge-Genauigkeit der Zählung von + 1 % erreicht. Die
Integration von Arbeit und Zeit erfolgt hierbei rein digital, so daß Fehler, die
bei analogen Integrationen auftreten, wie Drift, Temperatureinfluß und dergleichen
entfallen.
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Den Binärzählern 5 und 7 sind Digital-Analog-Wandler 15 und 16 zugeordnet,
die die digitalen Zählerstände der Binärzähler in Analogwerte umwandeln. Die Genauigkeit
und Stabilität der Umsetzung hängt von der Genauigkeit und Stabilität einer Referenzspannung
UR ab, die jedoch auf einfache Weise konstant gehalten werden kann. Die Referenzspannung
UR wird den Digital-Analog-Wandlern 15 und 16 über Eingangsklemmen 17 und 18 zugeführt.
Mit 19 und 20 sind Potentiometer zum Abgleich der Digital-Analog-Wandler 15 und
16 bezeichnet. Die Ausgänge 21 und 22 der Digital-Analog-Wandler 15 und 16 stehen
mit Operationsverstärkern 23 und 24 in Verbindung, die die Ausgangsströme der Digital-Analog-Wandler
15 und 16 in entsprechende Spannungen umsetzen. Mit den Potentiometern 19 und 20
werden die an den Leitungen 25 und 26 auftretenden Ausgangsspannungen der Operationsverstärker
23 und 24 abgeglichen. Wie die Schaubilder 27 und 28 über den Leitungen 25 und 26
zeigen, entspricht die Kurve a der Lastkurve des Verbrauchers, während die Kurve
b den zeitlichen Verlauf der Meßperiode wiedergibt.
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Auf der Abszissenachse ist die Zeit einer Meßperioae und in der Ordinatenachse
ist die maximale Leistung aufgetragen. Wie die beiden Kurven a und b zeigen, wird
innerhalb der dargestellten Meßperiode das, vorgegebene Maximum (Kurve b) vom Verbraucher
nicht überschritten, sondern genau erreicht. Die Ausgangsleitungen 25 und 26 können
mit einer Analoganzeige 29 in Verbindung stehen, die erkennen läßt, ob mit einer
Überschreitung des Maximums innerhalb einer Meßperiode zu rechnen ist. Statt einer
Analoganzeige 29 kann auch eine Digitalanzeige 30 vorgesehen sein, die dann an die
Ausgänge 6 und 10 des Einstellgetriebes 4 bzw. des Impulstöilers 8 angeschlossen
ist.
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Wie das in Figur 2 dargestellte Diagramm zeigt, entspricht die Kurve
b des Schaubildes 28 einer Kurve P . Darin ist in Abhängigkeit von der Zeit t der
Verbrauch W aufgetragen. tm entspricht der Zeit einer Meßperiode, während mit W
der maximale Arbeitswert bezeichnet ist.
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In Figur 2 ist mit L ein beliebiger Lastverlauf angenommen.
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Um den Betrieb am Beginn einer Meßperiode durch Überschreitungsmeldungen
nicht unnötig zu beunruhigen, ist es zweckmäßig, daß der Beginn der Sollwertkurve
P nach oben verschoben wird. Die Sollwertkurve P beginnt dann mit einem Vorlauf
Wv, beispielsweise entsprechend einer mit 0,7 P bezeichneten Geraden. Die Steigung
der Geraden P entspricht einer bestimmten Leistung. Es gilt P = W/tm = tanob.
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Die Kurve 0,7P mit Vorlauf Wv besitzt eine geringere Steigung und
entspricht daher einer geringeren Leistung. Es gilt somit 0,7P =(W - W)/tm Wie die
Figur 2 zeigt, sind in der Regel mehrere Vorgabekurven vorgesehen, und zwar beispielsweise
für die Leistungen 0,7P, 0,5P, 0,4P und 0,1P.
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Zur Gewinnung dieser einzelnen Vorgabekurven sind an dem Ausgang 26
des Verstärkers 24 entsprechend viele Spannungsteiler 31 bis 31n gegen eine Referenzspannung
UR geschaltet. Die entsprechenden Anschlußpunkte für die Reverenzspannung UR sind
mit 5.2 bis 32n bezeichnet. An den Abgriffen 33 bis 33n der Spannungsteiler 31 bis
31n können die entsprechenden Vorgabekurven stufenlos eingestellt werden; beispielsweise
wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Über Komparatoren 34 bis 34n werden nun die
einzelnen Vorgabekurven mit der Lastkurve verglichen. Bei Gleichheit zwischen der
Lastkurve und einer der Vorgabekurven wird eine Warnung und/oder Abschaltung eingeleitet.
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Die einzelnen Komparatoren 34 bestehen im wesentlichen aus einem Operationsverstärker
35, dem einerseits über den positiven Eingang über Widerstände 56 und 37 die der
Vorgabekurve entsprechende Spannung (Abgriff 33) des Spannungsteilers 31 zugeführt
wird. Mit 38 ist ein Glättungskondensator angedeutet.
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Dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 55 wird über Widerstände
39 und 40 sowie einem Kondensator 41 die der Last entsprechende Spannung zugeführt.
An dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 sind eine Leuchtdiode 42 und ein Relais
43 angeschlossen. Überschreitet die Lastkurve den Vorgabewert, sprechen die Leuchtdiode
42 und das Relais 34 an. Aufgrund dieser Meldung wird die Belastung verringert,
in-dem beispielsweise vorbestimmte Lasten über den Relaiskontakt 43a abgeworfen
werden. Bei einer nachfolgenden Unterschreitung des Vorgabewertes werden die abgeworfenen
Lasten wieder zugeschaltet. Dies soll jedoch nicht sofort erfolgen, um ein ständiges
Zu- und Abschalten der Lasten zu verhindern.
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Aus diesem Grunde ist der Verstärker 35 mit einer Mitkopplung versehen,
die aus Widerständen 44 bis 46 sowie einer Diode 47 besteht. Durch entsprechende
Bemessung dieser Widerstände erhält der Verstärker 35 zwei unterschiedliche Schaltschwellen
derart, daß bei Uberschreitung der Vorgabekurve der Verstärker 35 sofort die betreffende
Last abschaltet, diese aber erst wieder zuschaltet, wenn die Vorgabekurve um einen
bestimmten Wert unterschritten ist. Der Verstärker besitzt also eine unsymmetrische
Hysterese.
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Der in Figur 1 dargestellte Maximumwächter ist für automatische Lastabschaltung
ausgelegt. Eine Anzeige für den Zeit-und Lastverlauf innerhalb einer Meßperiode
ist daher nicht unbedingt erforderlich.
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Wird eine Anzeige dennoch gewünscht, so können wahlweise Anzeigegeräte
für Impulsansteuerung (z.B. Zifferanzeiger, Zeiger mit Schrittmotorantrieb, Beuchtdiodenzeilen)
oder Anzeigegeräte für Analogwerte (z.B. Strom- oder Spannungsmesser) angeschlossen
werden. Die Anschlußstellen für derartige Anzeigegeräte sind im Blockschaltbild
durch 29 und 30 angedeutet.
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Wird gemäß Figur 2 von der Lastkurve L eine der Vorlaufkurven -0,7P,
0,5P, 0,4P, 0,1P überschritten, was durch
die Leuchtanzeige signalisiert
wird, so beduetet dies, daß nur mehr mit einer der überschrittenen Vorlaufkurve
entsprechenden Leistung weiter gefahren werden darf, damit das vorgegebene Maximum
nicht überschritten wird. M+t Hilfe des Relais 43 kann aber bereits eine Abschaltung
von Teillasten I vorgenommen worden sein.
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8 Patentansprüche 2 Figuren