DE2657784A1

DE2657784A1 - Einrichtung zum abschalten einer phase einer mehrphasenversorgung

Info

Publication number: DE2657784A1
Application number: DE19762657784
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: MASSER SA
Current assignee: MASSER SA
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2336818A1; GB1566756A; NO146340C; DE2657784C2; NO764236L; CH623687A5; FR2336818B1; NO146340B

Description

"Einrichtung zum Abschalten einer Phase
einer Mehrphasenversorgung"

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abschalten einer Phase zur Änderung der Modulationszyklen klassischer proportionaler Schaltungsmodule im Sinne der Verminderung eines Strom-Mittelwertes zur Beheizung der Räume eines vollelektrifizierten Gebäudes mit Mehrphasenversorgung, wobei der Hauptphasenstrom gegen eventuelle gemeinsame oder selektive oder getrennte und gleichzeitige Überlastungen geschützt ist.

Die Erfindung betrifft also eine Einrichtung und eine Schaltung, mit deren Hilfe der Hauptphasenstrom eines vollelektrifizierten Gebäudes dadurch entlastet werden kann, daß der Heizstrom-Mittelwert zu Gunsten anderer als vorrangig betrachteter Verwendungen der Anlage reduziert wird.

Es ist bekannt, in einer klassischen elektrischen Heizungsanlage den Strom abhängig zu machen von einem Regler vom Typ mit proportionaler Wirkung durch Modulation in der Energiedauer, dessen Temperaturmeßbrücke im wesentlichen einer Wheatstoneschebrücke entspricht, die neben drei geeichten Widerständen noch einen Widerstand mit. Negativtemperaturkoeffizienten, einen NTC, mit einem Widerstand oder einstellbaren Potentiometer aufweist, wobei diese insgesamt als Umgebungssonde bezeichnete Anlage dazu bestimmt ist, das zyklische Verhältnis der Modulation des Reglers zu beeinflussen.

709828/OeU

In der üblichen Schaltung sind die vier Widerstände der Meßbrücke jeweils zu zweit in zwei Zweigen bei gleichem Abfall der Gleichspannung geschaltet, wobei jeder einen Referenzpunkt besitzt, der zwischen seinen Elementen angeordnet ist, deren Potential vorzugsweise gleich ist, wenn die Brücke abgeglichen ist. In diesem Fall beträgt die Fehlerspannung "E" der Brücke Null.

Durch manuelle Einstellung des Potentiometers wird die gewünschte Temperatur, die Sollwert-Temperatur, eingestellt. Fällt die Temperatur des zu beheizenden Raumes unter den Sollwert, dann entsteht an der Brücke eine Fehlerspannung mit einer solchen Richtung und einem derartigen Wert, daß die Heizleistung automatisch wieder ansteigt. Steigt hingegen die Raumtemperatur über den Sollwert an, erhält man an der Brücke eine Fehlerspannung mit einer solchen Richtung und einem solchen Wert, daß die Heizleistung automatisch wieder abnimmt.

Bei einer vollelektrifizierten Anlage ist es bekannt, in jedem Raum eine Umgebungssonde anzubringen, um dort die Temperatur nach den jeweiligen Erfordernissen des Raumes zu regeln, indem das zyklische Verhältnis der Modulation des Strom-Mittelwertes der Heizung beeinflußt wird. Die übrigen elektrischen Anlagen des Gebäudes, z.B. die verschiedenen elektrischen Haushaltsgeräte, von denen einige erhöhte elektrische Leistungen aufweisen, haben einen Verbrauch nicht modulierten Stromes, der zu den modulierten Leistungen der Heizung hinzukommt.

Diese Trennung zwischen Heizverbrauch und übrigem Verbrauch erweist sich als Nachteil hinsichtlich der vorgeschriebenen Netzleistung. Durch die unabhängige Arbeitsweise der beiden Teile der Anlage kommt es entweder zu einem häufigen Überschreiten der vorgeschriebenen Netzleistung, was tarifliche Abgaben oder gar zu un-

709820/0614 - ₈ -

passender Zeit eine Betriebsstillegung durch Auslösen der Sicherung nach sich zieht, oder aber die Notwendigkeit zur Folge' hat, eine stärkere zulässige Netzleistung vorzusehen, was zusätzliche Kosten erfordert.

Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch behoben, daß die proportionalen Schaltungsmodule nicht nur von ihrer Umgebungssonde, sondern auch von einer Entlastungseinrichtung in Abhängigkeit des Gesamtverbrauchs der Anlage beaufschlagt werden. Die Entlastungsvorrichtung, die im Nebenschluß an die mehrphasige Versorgung angeschlossen ist, kann an proportionale Schaltungsmodule eine Abgleichspannung anlegen, die eine Funktion der Stärke des abgegebenen Stromes durch die am meisten belastete Phase der Anlage ist.

Nach einem ersten Merkmal der Erfindung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß bei jedem Anfang der allgemeinen Phase, unmittelbar vor den Abzweigungen für die elektrische Haushaltsverwendung, eine Stromstärkenmeßvorrichtung wie ein Shunt an Klemmen zwischengeschaltet wird, die eine Wechselspannung abgibt und zwar proportional zu dem den Shunt durchfließenden Strom. Bei z.B. einer dreiphasigen Versorgung mit einem Null-Leiter liefern drei Shunts drei Spannungen proportional zu den Strömen in den drei Phasen. Diese Spannungen werden gleichgerichtet, und die höchste der drei Spannungen, also diejenige, die proportional dem Phasenstrom mit dem stärksten Verbrauch ist, wird an den Eingang eines Komparators mit zwei Eingängen angelegt. Der andere Eingang des Komparators erhält eine Referenzspannung, die so gewählt ist, daß sie proportional dem maximal zulässigen Strom einer Phase ist, ohne die vorgeschriebene Leistung zu überschreiten; die Gleichspannung ist also eine Darstellung des Hauptstromes.

— 9 —

709828/0614

Der Komparator ist so ausgebildet, daß an seinem Ausgang eine Überschreitungsspannung auftritt, wenn die Spannung des Shunt höher ist als die Referenzspannung. Diese Überschreitungsspannung ändert dann, wenn sie auf alle proportionalen Schaltungsmodule gemeinsam einwirkt, ihre Modulationszyklen in Richtung auf eine Verringerung des Heizstrom-Mittelwertes, wobei diese Änderung in einer kurzen Zeit von z.B. 30 Sekunden erfolgt.

Nach einem zweiten Merkmal der Erfindung kann die Verwendung einer einzelnen Entlastungsvorrichtung selektiv vorgesehen werden hinsichtlich des Einflusses auf die Heizung der verschiedenen Räume. Zu diesem Zweck wirkt der Einfluß der Ausgangsspannung des Komparators der Entlastungsvorrichtung nicht direkt auf alle Schaltungsmodule gemeinsam, sondern auf einen Mischspannungsteiler, bestehend aus mehreren Spannungs-Entnahmepunkten, die sich an den verschiedenen Potentialebenen befinden. Diese verschiedenen Punkte sind mit den verschiedenen Schaltungsmodulen verbunden, die in Abhängigkeit vom Komfort der gewünschten Heizung gewählt sind.

Nach einem dritten Merkmal der Erfindung werden die drei von den Shunts gelieferten Spannungen gleichgerichtet und jede an einen anderen Komparator angelegt. Die Ausgänge dieser drei Komparatoren wirken jeder auf die proportionalen Schaltungsmodule, die zu einer anderen Phase des Netzes gehören.

Die Verwendung einer Entlastungs- bzw. Abschaltvorrichtung pro Phase gibt also die Möglichkeit, jede Phase getrennt und gleichzeitig gegen etwaige Überlastungen zu schützen.

Ausgehend von der eingangs erläuterten Einrichtung ist die Erfindung somit durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

- 10 -

709828/0614

a) Schwachstrom-Gleichspannungen durch Gleichrichtung und Optokopplung von Wechselspannungen, die proportional zu den Starkströmen der Versorgungsphasen sind, wobei diese charakteristischen Gleichspannungen der Starkströme entweder der am meisten belasteten Phase der Anlage oder aber jeder der Phasen entsprechen;

b) entweder eine ODER-Schaltung mit einem Komparator oder Komparator en, wobei jeder Komparator, der als Differenziator wirkt, jede charakteristische Spannung der Starkströme mit einer Bezugsspannung proportional zum maximal zulässigen Hauptstrom auf einer Phase ohne überschreiten der vorgeschriebenen Stärke vergleichen kann, wobei die Ausgangsspannung des Komparators von einem Polaritätstyp ist, solange die Bezugsspannung über der charakteristischen Gleichspannung liegt und entweder Null oder von umgekehrter Polarität im gegenteiligen Fall ist;

c) ein Spannungsteiler mit in Reihe geschaltetem Widerstand und Diode, deren Anode Masseschluß hat, wobei die Verbindungsstelle zwischen diesen Elementen an den Ausgang des Komparators angeschlossen ist, so daß die Verbindungsstelle sich mit der Masse verbindet oder durchlässig ist, und zwar je nach dem ob die Bezugsspannung über der für den Hauptstrom charakteristischen Gleichspannung liegt oder nicht, wobei die Ausgangsspannung des Komparators die besagte Abfallspannung im letzteren Falle ist;

d) in jedem Raum des Gebäudes ist ein klassischer proportional Regulierungsmodul vorgesehen, dessen Wert der Fehlerspannung der Meßbrücke beeinflußt werden kann durch die Wirkung der im Falle einer Überlastung vorhandenen Abfallspannung, so daß die Dauer der Nichtheizung verlängert wird, wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben.

709828/0614

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Wechselspannungen proportional zu den Starkströmen der Phasen der Versorgung an den Klemmen von Intensitätsmeßeinrichtungen wie zwischengeschaltete Shunts an jedem allgemeinen Phasenanfang vor dem Abzweigen für elektrische Haushaltszwecke des Gebäudes vorhanden sind.

Die Einrichtung kann Spitzenwertdetektor-Verstärker aufweisen, die die Wechselspannungen proportional zu den Spitzenwerten in Gleichspannungen gleichrichten und an Optokoppler anschließbar sind, die die übertragung des Stromes gewährleisten, immer unter Verwirklichung der unumgänglichen galvanischen Isolierung zwischen der elektrischen Starkstrom-Anlage des Gebäudes und der Schwachstrom-Abschalteinrichtung .

Für einen gemeinsamen Schutz der Phasen gegen eventuelle Überlastungen ist es vorteilhaft, wenn die Gleichspannungen proportional zu den Höchstwerten, die auf dem Transistorkollektor jedes Optokopplers vorhanden sind, und proportional zu den Phasenströmen sind, jede an parallele Dioden einer ODER-Schaltung angelegt werden, so daß die Ausgangsspannung dieses Schaltkreises proportional zum Starkstrom der am meisten belasteten Phase ist und am Ausgang des Differenziator-Komparators eine Abfallgleichspannung liefert, die sich zusammen auf alle Regler des Gebäudes auswirken kann.

Zum selektiven Schutz der Phasen gegen eventuelle Überlastungen ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand des Spannungsteilers am Ausgang des Komparators ersetzt wird durch einen Mischspannungsteiler mit so vielen Widerständen, als es einzelne Gruppen von Räumen gibt, die zusammen vom Grad des gewünschten Komforts abhängen, wobei der Wert der auf die Modulatoren der Gruppen ausgeübten Abfallspannung umgekehrt zum Grad des gewünschten Komforts variiert.

_ ΙΟΙ £

709828/06H

Zum getrennten und gleichzeitigen Schutz der Phasen der Versorgung gegen eventuelle Überlastungen ist es zweckmäßig, wenn die Gleichspannung proportional zu den charakteristischen Höchstwerten jeder Phase, vorhanden auf dem Kollektor des Transistors des entsprechenden Optokopplers, quer durch eine Diode an einem anderen Differenziator-Komparator angelegt wird, wobei jede vom Komparator erzeugte Abfallgleichspannung sich zusammen auf die Modulatoren auswirkt, die den Heizstrom-Mittelwert der entsprechenden Phase regeln.

Die Schaltung eines klassischen Reglers mit proportionaler Wirkung durch Modulation für die Abschaltung der Phasen mittels einer Abfallspannung gemäß der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Zweig der Temperaturmeßbrücke, der einen Fixwiderstand und die Umgebungssonde enthält, in an sich bekannter Weise elektronischen Masseschluß hat, während der andere Zweig von der Masse gelöst und an der Verbindungsstelle des Spannungsteilers angeschlossen ist, wo die Abfallspannung bei überschreiten des Hauptstromes auftritt, wobei die Erhöhung der Fehlerspannung der Brücke eine Veränderung des Modulationszyklus im Sinne einer Verringerung des Strom-Mittelwertes der Heizung bewirkt.

Bei einer alternativen Lösung kann die Schaltung eines klassischen Reglers mit proportionaler Wirkung durch Modulation für die Abschaltung der Phasen mittels einer Abfallspannung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die beiden Zweige der Temperaturmeßbrücke in klassischer Weise unter demselben Spannungsabfall geschaltet sind, die Abfallspannung an die Diode eines Optokopplers angelegt sind, dessen Transistor im Nebenschluß auf einen Zweig der Brücke geschaltet ist, um so eine Erhöhung der Fehlerspannung der Brücke im Falle eines Überschreitens des Hauptstromes hervorzurufen. Hierbei kann der zum Aufbringen der Abfallspannung

- 13 -

709828/061/.

auf die Temperaturmeßbrücke bestimmte Transistor des Optokopplers im Nebenschluß auf den Zweig der Brücke geschaltet sein, der keine Umgebungssonde aufweist.

Bei dieser Variante ist der Anschluß der Modulatoren an eine gemeinsame elektronische Masse lediglich wahlweise aufgrund der galvanischen Isolierung, die durch das Aufbringen der Abfallspannung durch Optokopplung gewährleistet ist, wohingegen dieser Anschluß an die Masse zwingend ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.

In der Zeichnung sind einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Symbolen bezeichnet sind. Es zeigen:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur gemeinsamen Phasenabschaltung einer Heizungsanlage eines vollelektrifizierten Gebäudes;

Figur 2 ein synoptisches Schaltbild der Heizungsanlage in Figur 1 ;

Figur 3 einen Grundschaltplan eines klassischen proportionalen Schaltungsmoduls in einer Abwandlung gemäß der Erfindung ;

Figur 4 ein Prinzipschaltbild einer Variante der Einrichtung gemäß Figur 1 zur selektiven Abschaltung der Phasen;

Figur 5 einen Anschluß der Einrichtung gemäß Figur 4 an die Schaltungsmodule der Figur 3;

709828/06U

- 14 -

Figur 6 ein Prinzipschaltbild einer Variante der Einrichtung gemäß Figur 1 für die Einzelabschaltung der Phasen;

Figur 7 einen Anschluß der Einrichtung gemäß Figur 6 an die Schaltungsmodule der Figur 3 und

Figur 8 einen Grundschaltplan eines proportionalen Schaltungsmoduls, analog zu dem Plan gemäß Figur 3, auf den durch Optokopplung eine Abschaltinformation überlagert ist.

Ein Gebäude soll z.B. neun mittels elektrischer Apparate H1 bis H9 (Figur 2) zu heizende Räume aufweisen, von denen jeder mit Wechselstrom beliefert wird, der zwischen einem Null-Leiter Mp und einer der Phasen einer dreiphasigen Versorgung A entnommen wird. Gemäß Figur 2 werden die Apparate H1, H4 und H7 durch die Phase R versorgt, die Apparate H2, H5 und H8 durch die Phase S und die Apparate H3_r H6 und H9 durch die Phase T.

Das Ein- und Ausschalten jedes Apparates erfolgt durch eine bekannte Triac-Schaltung, die mit TR1 bis TR9 bezeichnet ist und in einem proportionalen Schaltungsmodul M1 bis M9 enthalten ist, der von einer Umgebungssonde SA1 bis SA9 beaufschlagt wird, die als Vvheatstoneschebrücke in bekannter Weise geschaltet ist (siehe Figur 3), wobei für jede Phase ein Nullpunktprüfer DZR, DZS und DZT vorgesehen ist (siehe Figur 2).

Die Module und die Abschaltvorrichtungen (Figur 1, 4 und 6) werden über eine zusätzliche Gleichstromversorgung DC (Figur 2) mit Schwachstrom versorgt, der von dem Strom einer der drei Phasen, beispielsweise der Phase R, herrührt.

- 15 -

709828/06H

Die Schalttafel der Anlage kann eine Vorrichtung B (siehe Fig. 1) aufweisen für den eventuellen Abzweig eines Zählers der nur durch die Heizung absorbierten Elektroenergie.

Gemäß der Erfindung werden bei jedem allgemeinen Phasenbeginn R, S, T vor den Abzweigungen für den Haushaltsstrom ED Shunts SH oder entsprechende Meßeinrichtungen zwischengeschaltet, deren Klemmen jeweils die Bezugszeichen SR1 - SR2, SS1 - SS2, ST 1 - ST2 tragen.

Die an den Klemmen der Shunts auftretenden Wechselspannungen sind proportional zu den Phasenströmen und werden jeweils an drei Höchstwertdetektorverstärkern AR, AS und AT angelegt, die die ankommende Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichrichten entsprechend den Höchstwerten, die auf eine Fotodiode eines Optokopplers PCR, PCS oder PCT aufgebracht werden, der die Stromübertragung gewährleistet, wobei die erforderliche galvanische Isolierung zwischen der Starkstrom-Anlage des Gebäudes und der Schwachstrom-Abschalteinrichtung gemäß der Erfindung sichergestellt wird.

Die Gleichspannungen, die auf dem Transistorenkollektor des Optokopplers erscheinen, sind proportional zur Lumineszenz der Fotodioden und demzufolge auch zu den Spannungen an den Klemmen der . Shunts oder, in anderen Worten, proportional zu den Phasenströmen.

Diese drei Spannungen werden jeweils auf eine Diode einer ODER-Schaltung aufgebracht die von den drei Dioden D1, D2 und D3 gebildet wird. Dabei soll die bei D3 aufgebrachte Spannung die höchste sein. Dann werden die Dioden D1 und D2 nicht-leitend, da sie im umgekehrten Sinn polarisiert sind. Somit erscheint an den parallel geschalteten Ausgängen der drei Dioden nur die bei D3 aufgebrachte Spannung, also die Gleichspannung V entsprechend dem Strom der am meisten belasteten Phase.

- 16 -

709828/061U

Diese zuletzt genannte Spannung wird auf einen der beiden Eingänge eines !Comparators C aufgebracht, der als Differenziator arbeitet. Eine Referenzgleichspannung U wird an dem anderen Eingang des Komparators C angelegt, dessen Ausgang von einem Spannungsteiler DT gebildet wird, der in Serie einen Widerstand RC und eine Diode D4 aufweist, deren Anode Masseschluß hat. Die Verbindungsstelle F von RC und D4 ist der Abzweigpunkt zu den verschiedenen proportionalen Schaltungsmodulen.

Die Referenzspannung U wird abgenommen an dem Schieber eines Potentiometers RD, das Teil eines Spannungsteilers ist, der mit den Klemmen der Zusatzversorgung DC mit Gleichstrom angeschlossen ist. Diese Referenzspannung U, die durch das Potentiometer RD einstellbar ist, wird so ausgewählt, daß sie den Phasenhauptstrom Imax repräsentiert, der unter Berücksichtigung der vorgeschriebenen Netzleistung zulässig ist.

Der Komparator C ist so angeordnet, daß seine Ausgangsspannung solange negativ ist, wie die Referenzspannung U über der von der ODER-Schaltung kommenden Spannung V liegt, die als Eingangsspannung des Komparators bezeichnet werden kann. Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannung auf der Abzweiglinie L zu den proportionalen Schaltungsmodulen wegen der Diode D4 gleich dem Massenpotential; diese Spannung hat somit keinerlei Einfluß auf die Module, die in klassischer Weise arbeiten und nur von dem Signal der Umgebungssonden beaufschlagt werden.

Wird die Eingangsspannung V des Komparators höher als die Referenzspannung U, überschreitet also der Strom der am meisten belasteten Phase den Strom Imax, der der vorgegebenen Leistung entspricht, dann wird die Ausgangsspannung des Komparators positiv und eine positive Spannung W erscheint auf der Abzweiglinie zu den Modulatoren.

709828/06U

- 17 -

In jedem Modulator hat die Korrekturspannung, nachfolgend Abfallspannung genannt, die Wirkung, den Arbeitspunkt des Modulators in Richtung einer Erhöhung des Zeitraumes "außer Betrieb" des Heizungszyklus zu verschieben. Dies geschieht wie folgt:

Ein proportionaler Schaltungsmodul (Figur 2,3) besteht bekanntlich aus einer Wheatstoneschebrücke 1-2-3-4, die eine Fehlerspannung E liefert, und aus einem Nulldetektor DZ, der als "Zeitgeber" dient, um genau die Nulldurchgangsmomente des Wechselstromes des Netzes zu markieren, sowie aus einem Operationsverstärker AO, der die Rolle eines von der Fehlerspannung E beeinflußten Modulators spielt. Die Nulldurchgänge dienen als Grundlage zur Bildung von Impulsen eines Drückers G für einen später erläuterten Triac TR. Der Ausgang des Modulators wird auf eine UND-Schaltung aufgebracht, deren anderer Eingang die Impulse der Nulldurchgänge erhält, die vom Nulldetektor DZ herrühren. Diese Impulse haben eine Frequenz die doppelt so hoch ist wie die Netzfrequenz (Frequenz der Nulldurchgänge des Netzstromes) . Das Schaltungsmodul umfaßt den vorstehend erwähnten Triac, der für den Durchfluß bzw. Nichtdurchfluß des modulierten Stromes der Heizung bestimmt ist. Die Perioden des Durchflusses bzw. Nichtdurchflusses des Heizungsstromes bestimmen die Menge der von der Heizungsanlage verbrauchten elektrischen Energie und werden somit gesteuert von dem Ausgang der UND-Schaltung, die während der Durchflußperiöde die auf den Drücker des Triac aufgebrachten Impulse liefert, der in diesem Moment frei ist. Der Ausgang der UND-Schaltung ist während der Periode des Nichtdurchflusses Null, der Triac ist dann blockiert.

Die Fehlerspannung E, die den Ausgang der Wheatstoneschebrücke bildet, ist in bekannter Weise ausschließlich beeinflußt von dem Vergleich zwischen der Soll- und der Ist-Temperatur eines zugrundegelegten zu beheizenden Raumes. Zu diesem Zweck weist ein Zweig3-2

- 18 -

709828/OeU

der Brücke einen variablen Widerstand P2 zur Bestimmung der gewählten Heizungstemperatur auf sowie einen NTC-Temperaturkombinationswiderstand, der die tatsächliche Temperatur des zu heizenden Raumes "mißt", wobei dies alles einen Teil der ümgebungssonde SA bildet. Ein zweiter Zweig der Brücke 1-3 enthält einen veränderlichen Eichwiderstand P1. Die beiden Zweige 1-4 und 4-2 enthalten jeweils Fixwiderstände R1 und R2.

Das am weitesten von AO entfernte Ende von R2 sowie das am weitesten von P2 entfernte Ende von NTC werden in bekannter Weise
verbunden und an Masse gelegt, wie die lotrechte gestrichelte
Linie angibt, die den Punkt 2 an Masse legt.

Die Gleichspannung der Versorgung DC der Brücke wird zwischen der Verbindung von R1 und P1 (Klemme positiv - Punkt 1) und der Verbindung von R2 und NTC (Klemme negativ - Punkt 2) aufgebracht.

Die Fehlerspannung E bzw. die Ausgangsspannung der Brücke erscheint zwischen der Verbindung von P2 und P1 (Punkt 3) und der Verbindung von R2 und R1 (Punkt 4). Bei abgeglichener Brücke ist E gleich Null.

Nimmt die Temperatur des Raumes ab, steigt der Wert von NTC, so daß sich die Brücke nicht mehr im Gleichgewicht befindet; die
Ausgangsspannung E erhält eine Richtung und einen Wert derart, daß die Dauer der Durchflußperiode oder der Heizung im Verhältnis zu der Dauer des Nichtdurchflusses oder Nichtheizens erhöht wird. Zrhöht sich hingegen die Raumtemperatur, ist das Ergebnis umgekehrt.

Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, daß das Ende von R2 vom Ende von NTC getrennt wird, wobei das Ende von NTC an Masse gelegt wird, und das Ende von R2 (Punkt 2') mit dem Ausgang des

709828/0614 " ¹⁹ "

"Entlastungs"-Komparators (Verbindungspunkt P von D4 und RC, Figur 1) verbunden wird durch die Abzweiglinie L (Figur 2).

Das Ende von R2 ist nicht mehr zwingend am Massepotential sondern an einem veränderlichen positiven Potential (einschließlich Nullpotential) , bestimmt von der oben erläuterten Abschaltvorrichtung. Der Zweig der Brücke 4-2' (Figur 3), der in üblicher Weise R2 enthält, weist in Serie mit R2 eine Gleichspannungsquelle auf, die die Gleichspannung an den Klemmen der Diode D4 ist, wenn diese nicht-leitend ist. Dadurch wird das von R1 am weitesten entfernte Ende von R2 auf ein positives Potential gebracht, das die Gleichgewicht sbedingungen der Brücke ändert. Bleiben alle anderen Bedingungen unverändert, dann erhält dadurch die Fehlerspannung E eine Richtung und einen Wert derart, daß die Dauer der Nichtheizungsperiode erhöht wird.

Die Linie L (Figur 2) ist allen Modulen (M1 - M9) gemeinsam, so als ob die Temperatur eines jeden Teiles des Gebäudes erhöht wäre. Man hat also das Ziel der Erfindung erreicht, nämlich den Verbrauch elektrischer Energie zu vermindern nach dem überschreiten des maximal zulässigen Stromes in der am meisten belasteten Phase.

Durch die Erfindung ist es ferner möglich, die Abfallspannung W nicht mehr gemeinsam, sondern selektiv an Gruppen vorher ausgewählter Schaltungsmodule anzulegen. Hierfür wird der Spannungsteiler DT (Figur 1) durch einen Mischspannungsteiler DTC (Fig.4) ersetzt, der z.B. drei Widerstände in Serie RC1, RC2 und RC3 aufweist. An den Entnahmepunkten F1, F2 und F3 befinden sich Spannungen, die Bruchteile der Ausgangsspannung W des Komparators C sind. Diese unterschiedlichen Spannungen werden an verschiedene Schaltungsmodule angelegt und zwar entsprechend den gewählten Räumen in Abhängigkeit vom Komfortgrad der beabsichtigten Heizung. Man

7O9828/OB1A

- 20 -

kann beispielsweise drei Komfortstufen vorsehen: Maximalen Komfort für Badezimmer und Aufenthaltsräume, mittleren Komfort für Schlafzimmer und minimalen Komfort für Küchen, Flure und Korridore. Man legt die volle Ausgangsspannung des Komparators C (Punkt F1) an die Schaltungsmodule M1 - 3 für die Räume mit minimalem Komfort, die mittlere Spannung (Punkt F2) an die Module M4 bis 6 für Räume mit mittlerem Komfort und die Minimalspannung (Punkt F3) an Module M7 bis 9 für Räume mit maximalem Komfort. Dabei sind die Abschaltlinien L1, L2 und L3 an den Punkten 2' der geeigneten Module angeschlossen (Figur 5).

Die Teilspannungen können natürlich in Abhängigkeit von jedem besonderen Fall gewählt werden (Anzahl der Räume jeden Komforttyps, in den verschiedenen Räumen installierte Leistungsträger, vorgegebene Leistung usw).

Das Ausführungsbeispxel gemäß Figur 6 unterscheidet sich von dem der Figur 1 dadurch, daß pro Phase eine Äbschaltexnrxchtung vorgesehen ist, wobei die Ausspeisung von jedem Komparator C auf die Schaltungsmodule aufgebracht wird, die von der entsprechenden Phase versorgt werden. Auf diese Weise ist jede Phase unabhängig gegen Überlastungen geschützt. Im übrigen aber ist die Arbeitsweise genau wie bei dem Beispiel der Figur 1. Da die Elemente der Abschalteinrichtung gemäß der Ausführungsvariante dieselbe Funktion haben wie die entsprechenden Elemente der eingangs erläuterten Einrichtung, jedoch einzeln die drei Phasen der Versorgung betreffen, ist dies in Figur 6 dadurch deutlich gemacht, daß die Buchstaben R, S oder T den Symbolen dieser Elemente hinzugefügt sind. So wird z.B. die Abzweiglinie LR, die eventuell die Abfallspannung WR aufweist, mit den Punkten 2' der Module M1, M4 und M7 (Fig.7) verbunden; dies gilt in ähnlicher Weise für die Linien LS und LT.

- 21 -

709828/OeU

Aus vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß es durch die Abschalteinrichtung gemäß der Erfindung möglich wird, die verbrauchte Leistung automatisch und jederzeit auf die vorgegebene zulässige Leistung zu begrenzen, so daß die zulässige Gesamtleistung unter Berücksichtigung des gewünschten Komforts auf das Minimum reduziert werden kann.

Die Erfindung läßt sich auch für einphasige elektrische Anlagen einsetzen.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine weitere Variante gemäß Figur 4 (insbesondere die Entnahmepunkte F1, F2 und F3 der selektiven Abschalteinrichtung). Gemäß Figur 4 ist die selektive Abschaltung fest eingestellt. Es genügt, die Entnahmepunkte gegen einen von einer Zeituhr gesteuerten Vielfachumschalter auszutauschen, um eine selektive Abschaltung zu erhalten, deren Selektivität von der Zeit abhängt (beispielsweise eine Tages- und eine Nachtselektivität).

Die Abschalteinrichtung kann auch zu anderen Zwecken verwendet werden als für die Heizung vollelektrifizierter Gebäude, beispielsweise für solche Fälle, bei denen die im Netz abgerufene Leistung auf die vorgeschriebene Leistung mit oder ohne Verwendung von proportionalen Schaltungsmodulen begrenzt werden soll. Es genügt dann die Verwendung der Ausgangsspannung des Komparators, um ein beliebiges Schaltmittel zu beaufschlagen (beispielsweise durch Absenken der Versorgungsspannung).

Andererseits kann die Schaltung der Temperaturmeßbrücke der klassischen proportionalen Modulatoren geändert und dadurch die Anordnung der oben beschriebenen Abschalteinrichtungen vereinfacht werden. Diese Änderung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ein

709828/06U

- 22 -

elektrisches Heizungssystem eines integrierten Typs angebracht wird, d.h. ein System, bei dem die Ausrüstung während des Baues des Gebäudes angebracht wird.

Es ist zu beachten, daß die für die Erzeugung der Abfallspannung (Figur 1, 4 und 6) vorgesehenen Mittel vollständig vorhanden sind, nämlich ein Intensitätsdetektor, gefolgt von einer Höchstwertdetektorschaltung und einer Differenzierschaltung. Bei Überschreiten des Hauptstromes wäre die Abschaltspannung am geeigneten Verbindungspunkt des entsprechenden Spannungsteilers vorhanden (F-F1, F2, F3 - FR, FS, FT). Bei dieser Abwandlung der Brückenschaltung wird die Abfallspannung an die Diode eines Optokopplers angelegt, dessen Transistor im Nebenschluß an einen der Brückenzweige geschaltet ist und zwar vorzugsweise an den, der nicht die Umgebungssonde enthält. Ein Vorteil dieser Schaltung ist darin zu sehen, daß die Modulatoren nicht unbedingt an eine gemeinsame elektronische Masse angeschlossen sein müssen. Dies ergibt sich daraus, daß die Modulatoren untereinander durch Optokopplung galvanisch isoliert sind.

Jeder Modulator (Figur 8) enthält eine Meßbrücke mit vier Zweigen 11 - 13, 13 - 12, 11-14, 14 - 12, die jeweils dieselben aktiven Elemente P1 , NTC + P2, R1 und R2 wie bei der Hauptschaltung (Fig.3) enthalten, jedoch im Gegensatz zu letzterer sind die beiden Zweige 11-13-12 (Figur 8) und 11-14-12 im Nebenschluß unter einer Gleichspannung U zwischen zwei Punkten 11 und 12 nach Art der klassischen Thermostaten geschaltet.

Vorzugsweise sind nicht nur die Füße der beiden Widerstände P2 urd R2 am Punkt 12 des Niedrigpotentials verbunden, sondern die Abfallspannung wird mittels eines Optokopplers 16 (Figur 8) an die Meßbrücke angelegt und zwar unabhängig davon, ob die Abfallspannung zum Typ W (Figur 1), zum Typ W1 , W2, W3 (Figur 4) oder zum Typ WR, WS , WT (Figur 6) gehört.

- 23 -

709828/06U

Die Fotodiode PD des Fotokopplers wird in einen Stromkreis geschlossen, der die Abfallspannung enthält; der Fototransistor PT wird im Nebenschluß an den Widerstand R1 der Meßbrücke angeschlossen.

Solange der Hauptphasenstrom das zugelassene Maximum nicht überschreitet, ist die Abfall spannung, global von VJ dargestellt, nicht vorhanden; W ist also gleich Null. Unter diesen Bedingungen wird der Fototransistor PT nicht von PD beeinflußt; der Widerstand von PT ist unendlich und demzufolge ist der Ableitstrom dieses Transistors Null. Ist der Wert des Widerstandes R1 konstruktiv derselbe wie der des Widerstandes R2, stellt das Potential des Punktes 14 effektiv die Hälfte des Gleichstromes U₁ dar, sei es die sogenannte positive Informationsspannung U der Meßbrücke, wo das Symbol U eine Informationsspannung bezeichnet.

Die einstellbaren Widerstände (oder Potentiometer) P1, P2 des anderen Brückenzweiges sind vorzugsweise so eingestellt, daß das Potential des Punktes 13 dem des Punktes 14 entspricht, wenn die Brücke abgeglichen ist. Dabei soll der Regelwiderstand P2 zur Anzeige der vorgeschriebenen Temperatur des zu heizenden Raumes dienen. Das Potential des Punktes 13 ist die sogenannte negative Informationsspannung U „_ der Brücke; sie wird mit dem Symbol E bezeichnet (Fehlerspannung der Brücke). ^Ü _IN+ ~ ^Utn- ^{= E mit E =} bei abgeglichener Brücke. Die Fehlerspannung der Brücke wird allgemein jeweils positiv oder negativ benannt, je nach dem , ob die Umgebungstemperatur in dem zu heizenden Raum unter oder über der Solltemperatur liegt.

Um also das Einschalten der Heizung auf der Grundlage der Gleichgewichtsstellung zu verlangen, muß die Brücke (E ~y- Null) im Gleichgewicht gestört werden, das heißt der Schieber des Thermostats muß so verschoben werden, daß die Solltemperatur über der Umgebungs-

70 9828/06U

- 24 -

temperatur liegt, was sich in einer Erhöhung des Widerstandes von P 2 auswirkt. Während sich die Temperatur des Raumes erhöht, nimmt der Widerstand des Elementes NTC ständig ab bis zu dem Momenb, wo die Abnahme des NTC genau die Erhöhung von P2 kompensiert und die Brücke wieder im Gleichgewicht ist.

Will man in umgekehrter Weise die Heizung verringern, genügt es, dem Thermostaten eine Temperatur aufzugeben, die unter der Umgebungstemperatur liegt; der Widerstand von P2 wird also verringert. Die Fehlerspannung bleibt positiv oder Null, (E -el. = Null), d.h. es gibt keine Heizung, solange die Erhöhung des Widerstandes des Elementes NTC in Abhängigkeit von der Abkühlung des Raumes die Absenkung des Widerstandes von P2 nicht überschritten hat.

Das Auslösen der Heizung wird bestimmt von der Polarität der Fehlerspannung E der Meßbrücke, der von einem Operationsverstärker A.O. erfassten Spannung. Entsprechend der schematischen Darstellung in der Zeichnung kann der von der Linie 17 versorgte Verstärker, der mit Widerständen R3, R4, R5 und einem an die elektrische Masse ME der Vorrichtung gelegten Kondensator CD bestückt ist, an seinem Ausgang 18 Impulse abgeben, die die Leitdauer des Triac verändern können und davon ausgehend den Zustand der Heizung.

Die hier wieder aufgeführten Begriffe haben auch Gültigkeit für die Abschalteinrichtungen, insbesondere für die Hauptschaltung. Die Abfallspannung, die auf die überlasteten Phasen der Regler aufgebracht wird, beaufschlagt die Module, als ob der Widerstand von P2 abgesenkt worden wäre.

Gemäß der geänderten Schaltung ist, wenn der Hauptphasenstrom das zulässige Maximum überschreitet, die Abfallspannung W (Figur 8) vorhanden und kann einen Abfallstrom I_T_ hervorrufen, der die

- 25 -

709828/OeU

Fotodiode PD von 19 bis 20 durchläuft. Die Fotodiode überträgt Lichtenergie auf den Fototransistor PT und macht diesen leitend: Ein Strom I , proportional zum Abfallstrom I , kann also PT von

11 nach 14 durchfließen.

Es ist leicht erkennbar, daß dann, wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben, die Fehlerspannung E um den Wert R2 χ I^ zunimmt. Die Abfallspannung übt also eine ähnliche Wirkung aus als wenn P2 im Sinne einer Verringerung des Verhältnisses der Modulation des Reglers beaufschlagt würde. Der Ablauf ist also so, als ob die vorschriftsmäßige Temperatur abgesenkt worden sei und demzufolge die Dauer der Entriegelung des Triac im Verhältnis zur Periode der Nichtheizung reduziert ist. Der besondere Vorteil der abgeänderten Schaltung liegt darin, daß man die Module vollständig trennen kann, da sie von der Abfallspannung galvanisch isoliert sind; in die Meßbrücken wird eine Abfallspannung eingebracht, die den Schaltungen gemeinsam ist, deren elektronische Massen auf das Potential der verschiedenen Phasen gebracht sind. Die Schaltungsmodule haben also weder eine gemeinsame Masse noch einen gemeinsamen Punkt.

Dieses Prinzip läßt sich mit großem Erfolg beim Bau von Gebäuden mit integrierter Heizung anwenden. Die Vereinfachung der durch den Optokoppler gelieferten Schaltung ermöglicht die Verwendung identischer Schaltungsmodule, wodurch die Verbindung sowie die Serienfabrikation vereinfacht werden.

Vorteilnafterweise ist die Abschaltung (Figur 1) gemeinsam ausgeführt; alle Schaltungsmodule sind parallel an zwei Prüfleitungen 19,20 (Figur 8) angeschlossen, so daß alle Fotodioden gleichzeitig alle Brücken beeinflussen.

709828/06U

Als Abwandlung wurde auf Bauebene sowohl die selektive Abschaltung (Figur 4) sowie die Abschaltung pro Phase (Figur 6) geprüft. Abgesehen von den unterschiedlichen Abfallspannungen gemäß diesen Abschaltarten, die getrennte Drähte verlangen, ist die elektrische Schaltung die gleiche wie für die gemeinsame Abschaltung, und auch die Arbeitsweise stimmt überein.

Dipl.-Ing. Werner Gramm

Patentanwalt

Gr/Gru.

70982 8/0614

Claims

Patentanwalt Dipl.-lng. Werner Gramm

MASSER S.A. 33 Braunschweig, den 2 O. Dez. 1976

. ... Theodor-Heuss-Straße 1

Rue de Birmingham 104 Telefon: 0531-80079

Brüssel /Belgien Telex 952623

Patentansprüche: Anwaltsakte ^{3654 Pt}'

Einrichtung zum Abschalten einer Phase zur Änderung der Modulationszyklen klassischer proportionaler Schaltungsmodule im Sinne der Verminderung eines Strom-Mittelwertes zur Beheizung der Räume eines vollelektrifizierten Gebäudes mit Mehrphasenversorgung, wobei der Hauptphasenstrom gegen eventuelle gemeinsame oder selektive oder getrennte und gleichzeitige Überlastungen geschützt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Schwachstrom-Gleichspannungen durch Gleichrichtung und Optokopplung von Wechselspannungen, die proportional zu den StarkströmenderVersorgungsphasen sind, wobei diese charakteristischen Gleichspannungen der Starkströme entweder der am meisten belasteten Phase der Anlage oder aber jeder der Phasen entsprechen;

b) entweder eine ODER-Schaltung mit einem Komparator oder Komparatoren, wobei jeder Komparator, der als Differenziator wirkt, jede charakteristische Spannung der Starkströme mit einer Bezugsspannung proportional zum maximal zulässigen Hauptstrom auf einer Phase ohne Überschreiten der vorgeschriebenen Stärke vergleichen kann, wobei die Ausgangsspannung des Komparators von einem Polaritätstyp ist, solange

709828/OeU

die Bezugsspannung über der charakteristischen Gleichspannung liegt und entweder Null oder von umgekehrter Polarität im gegenteiligen Fall ist;

c)ein Spannungsteiler mit in Reihe geschaltetem Widerstand und Diode, deren Anode Masseschluß hat, wobei die Verbindungsstelle zwischen diesen Elementen an den Ausgang des Komparators angeschlossen ist, so daß die Verbindungsstelle sich mit der Masse verbindet oder durchlässig ist, und zwar je nach dem ob die Bezugsspannung über der für den Hauptstrom charakteristischen Gleichspannung liegt oder nicht, wobei die Ausgangsspannung des Komparators die besagte Abfallspannung im letzteren Falle ist;

d) in jedem Raum des Gebäudes ist ein klassischer proportional Regulierungsmodul vorgesehen, dessen Wert der Fehlerspannung der Meßbrücke beeinflußt werden kann durch die Wirkung der im Falle einer überlastung vorhandenen Abfallspannung, so daß die Dauer der Nichtheizung verlängert wird, wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungen proportional zu den Starkströmen der Phasen der Versorgung an den Klemmen von Intensitätsmeßeinrichtungen wie zwxschengeschaltete Shunts an jedem allgemeinen Phasenanfang vor dem Abzweigen für elektrische Haushaltszwecke des Gebäudes vorhanden sind.

— 3 —

709828/06U
3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Spitzenwertdetektor-Verstärker, die die Wechselspannungen proportional zu den Spitzenwerten in Gleichspannungen gleichrichten und an Optokoppler anschließbar sind, die die Übertragung des Stromes gewährleisten, immer unter Verwirklichung der unumgänglichen galvanischen Isolierung zwischen der elektrischen Starkstrom-Anlage des Gebäudes und der Schwachstrom-Abschalteinrichtung.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen gemeinsamen Schutz der Phasen gegen eventuelle Überlastungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungen proportional zu den Höchstwerten, die auf dem Transistorkollektor jedes Optokopplers vorhanden sind, und proportional zu den Phasenströmen sind, jede an parallele Dioden einer ODER-Schaltung angelegt werden, so daß die Ausgangsspannung dieses Schaltkreises proportional zum Starkstrom der am meisten belasteten Phase ist und am Ausgang des Differenziator-Komparators eine Abfallgleichspannung liefert, die sich zusammen auf alle Regler des Gebäudes auswirken kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 4 zum selektiven Schutz der Phasen gegen eventuelle Überlastungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Spannungsteilers am Ausgang des !Comparators ersetzt wird durch einen Mischspannungsteiler mit so vielen Widerständen, als es einzelne Gruppen von Räumen gibt, die zusammen vom Grad des gewünschten *Komforts abhängen, wobei der Wert der auf die Modulatoren der Gruppen ausgeübten Abfallspannung umgekehrt zum Grad des gewünschten Komforts variiert.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 zum getrennten und gleichzeitigen Schutz der Phasen der Versorgung gegen eventuelle Überlastungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung proportional zu den charakteristischen Höchstwerten jeder Phase, vor-

709828/06U

handen auf dem Kollektor des Transistors des entsprechenden Optokopplers, quer durch eine Diode an einem anderen Differenziator-Komparator angelegt wird, wobei jede vom Komparator erzeugte Abfallgleichspannung sich zusammen auf die Modulatoren auswirkt, die den Heizstrom-Mittelwert der entsprechenden Phase regeln.
7. Schaltung eines klassischen Reglers mit proportionaler Wirkung durch Modulation für die Abschaltung der Phasen mittels einer Abfallspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweig der Temperaturmeßbrücke, der einen Fixwiderstand und die Umgebungssonde enthält, in an sich bekannter Weise elektronischen Masseschluß hat, während der andere Zweig von der Masse gelöst und an der Verbindungsstelle des Spannungsteilers angeschlossen ist, wo die Abfallspannung bei Überschreiten des Hauptstromes auftritt, wobei die Erhöhung der Fehlerspannung der Brücke eine Veränderung des Modulationszyklus im Sinne einer Verringerung des Strom-Mittelwertes der Heizung bewirkt.
8. Schaltung eines klassischen Reglers mit proportionaler Wirkung durch Modulation für die Abschaltung der Phasen mittels einer Abfallspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die beiden Zweige der Temperaturmeßbrücke in klassischer Weise unter demselben Spannungsabfall geschaltet sind, die Abfallspannung an die Diode eines Optokopplers angelegt wird, dessen Transistor im Nebenschluß auf einen Zweig der Brücke geschaltet ist, um so eine Erhöhung der Fehlerspannung der Brücke im Falle eines Überschreitens des Hauptstromes hervorzurufen.

709828/0614
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Aufbringen der Abfallspannung auf die Temperaturmeßbrücke bestimmte Transistor des Optokopplers im Nebenschluß auf den Zweig der Brücke geschaltet ist, der keine Umgebungssonde aufweist.
10.Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Modulatoren an eine gemeinsame elektronische Masse lediglich wahlweise ist aufgrund der galvanischen Isolierung, die durch das Aufbringen der Abfallspannung durch Optokopplung gewährleistet ist, wohingegen dieser Anschluß an die Masse zwingend ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.

709828/06H-