DE2657784C2 - Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme aus einem mehrphasigen elektrischen Netz in einem Gebäude - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme aus einem mehrphasigen elektrischen Netz in einem Gebäude, in dem eine elektrische Beheizung einerseits und weitere Stromverbraucher andererseits angeschlossen sind, wobei jede Phase des Netzes einen bestimmten Maximalstrom abgeben kann, enthaltend Meßeinrichtungen für die Stromaufnahme je Phase und Gleichrichter, die dem Phasenstrom proportional Gleichspannungen erzeugen, welche mit einer dem maximal entnehmbaren Phasenstrom entsprechenden Gleichspannung in Beziehung gebracht werden und abhängig vom Ausgang des Vergleichs der beiden Gleichspannungen Steuermittel für die einzelnen Phasen betätigt.

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 zugunsten anderer als vorrangig betrachteter Verwendungen der Anlage reduziert wird.

Es ist bekannt, in einer klassischen elektrischen Heizungsanlage den Strom mit einem temp^raturabhängigen Proportionalregler durch Modulation der Einschaltdauer zu regeln. Hierzu ist eine Temperaturmeßeinrichtung in Form einer Wheatstoneschen Brücke

ίο vorgesehen, die neben drei geeichten Widerständen noch einen temperaturabhängigen Widerstand (z. B. NTC) und ggf. zusätzlich ein einstellbares Potentiometer aufweist In der üblichen Schaltung sind die vier Widerstände der Meßbrücke jeweils zu zweit in zwei Zweigen geschaltet, wobei die Diagonalspannung der Meßbrücke Null ist, wenn die Brücke abgeglichen ist Eine Fehlerspaniiung »L·« tritt im Diagonalzweig der Meßbrücke auf, wenn sich der temperaturabhängige Widerstand verändert oder das Potentiometer verstellt wird.

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, erhält man an der Brücke eine Fehlerspannung, die die Heizleistung reduziert.

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 eine Modulation des Strom-Mittelwertes der Heizung vorgenommen wird.

Die übrigen elektrischen Verbraucher in dem Gebäude entnehmen ihre Leistung je nach Bedarf. Durch die unabhängige Arbeitsweise der Heizung und der übrigen Verbraucher kommt es zu einem häufigen Überschreiten der vorgeschriebenen Netzleistung, was tarifliche Abgaben oder gar zu unpassender Zeit eine Betriebsstilllegung durch Auslösen der Sicherung nach sich ziehen kann. Gegebenenfalls muß die zulässige Entnahmeleistung erhöht werden, was zusätzliche Kosten erfordert. Die eingangs erwähnte Einrichtung ist durch die DE-OS 2150 948 bekannt. Bei dieser Einrichtung werden die Ströme in den drei Phasen der Stromversorgungsanlage transformatorisch abgenommen und gemessen. Im Falle der Überlastung mindestens einer der drei Phasen wird ein Relais betätigt, das die Stromversorgung zu einem Teil der Verbraucher, deren Abschaltung am ehesten akzeptiert werden kann, unterbricht. Nicht unterbrochen wird jedoch die Versorgung von wichtigeren Verbrauchern. Auf diese Weise wird eine Überlastung der Phasen verhindert.

wenn man voraussetzt, daß die größeren Stromverbraucher an die abschaltbaren Phasen angeschlossen sind. Diese Anordnung erfüllt im wesentlichen die Funktion einer Sicherung, wobei die Sicherung insofern selektiv arbeitet, als die wichtigsten Verbraucher von der Abschaltung nicht betroffen sind. Im Falle einer Überlastung müssen daher die weniger wichtigen Verbraucher wieder neu eingeschaltet werden, wie dies auch bei einer Sicherung der Fall ist. Besteht die Überlastung weiter, hat dies ein erneutes Abschalten zur

fe5 Folge. Der Benutzer muß in diesem Fall erst bestimmte Verbraucher selektiv ausschalten, um die Überlastung zu vermindern.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe

zugrunde, einen Schutz vor Überlastungen zu schaffen, der eine einfachere Handhabung erlaubt und sich mit einfachen, teilweise in einer Heizungsanlage bereits vorhandenen Mitteln realisieren läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangsspannung des Vergleichers Null ist, solange die entnommene Stromstärke unterhalb der maximal entnehmbaren ist und bei Überschreitung letzterer eine dem Überlastgrenzwert proportionale Reduzierspannung erzeugt wird, daß für jede Phase ein mit der bei Überlastung erzeugten Reduziersparinung beaufschlagte Optokoppler vorhanden ist, der den Abgleich einer Meßbrücke eines Temperaturreglers durch Einschaiten des Empfängers des Optokopplers in den Meßbrückenkreis verstimmt, wodurch die Phasenstromaufnahme durch die Regelanordnung in Richtung auf niedrigere Stromwerte gesteuert wird.

Erfindungsgemäß wird der Überlastungsschutz dadurch realisiert, daß ein potentialmäßig von den Versorgungsleitungen und von der Regeleinrichtung getrennter Steuerkreis vorhanden ist der in die bereits vorhandene Temperaturregeleinrichtung, im allgemeinen in Form einer Wheatstoneschen Brücke, eingreift. Die Potentialtrennung erfolgt wie bei Optokoppler. Die Überlastsicherung wird durch eine proportionale Regelung gewährleistet die die Stromzufuhr zu den Heizeinrichtungen in dem Maße herabsetzt wie die Phasen überlastet sind. Demzufolge arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung nicht nach Art -einer Sicherung, die die überlasteten Phasen abschaltet, sondern nach Art einer im wesentlichen analogen Regelung. Um zusätzliche Regeleinrichtungen zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, das gemessene Signal bei Überlastung einer Phase in ein Reduziemngssignal umzuwandeln, das mit Hilfe eines Optokopplers in das Temperaturregelelement eingekoppelt wird. Die Einkopplung erfolgt in der Weise, daß das Signal parallel zu dem temperaturempfindlichen Element in die Brücke eingespeist wird, so daß die Fehlerspannung im Sinne der Reduzierung des Stroms in der zugehörigen Phase vergrößert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform gelangt die Diagonalspannung der Meßbrücke als Fehlerspannung auf einen Operationsverstärker, der die Modulationszyklen eines Triacs impulsweise steuert.

In einer schaltungstechnisch vorteilhaften Ausführungsform werden die Nieder-Gleichspannungen durch Spitzendetektoren erzeugt die die Wechselströme gleichrichten und Gleichspannungen erzeugen, die proportional zu den Spitzenwerten sind, wobei den Spitzendetektoren Optokoppler nachgeschaltet sind, die die Ausgangssignale der Spitzendetektoren auf die Vergleicher übertragen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Regelvorrichtung für die Phasen einer elektrischen Heizung;

Fig.2 ein Prinzipschaltbild einer regelbaren Heizungsanlage;

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines proportionalen Reglers.

Ein Gebäude soll z. B. neun mittels elektrischer Apparate /Vl bis H 9 (Fig. 2) zu heizende Räume aufweisen, von denen jeder mit Wechselstrom beliefert wird, der zwischen eineiii Null-Leiter Mp und einer Phase R, S, T einer dreiphasigen Versorgung A entnommen wird. In der Darstellung der F i g. 2 werden die Apparate Hi, H4 und Hl durch die Phase R versorgt die Apparate H 2, H 5 und H 8 durch die Phase S und die Apparate H3.H6 und H 9 durch die Phase T.

Die Regelung jedes Apparates erfolgt durch eine bekannte Triac-Schaltung TR I bis TR 9, die in einem proportionalen Schaltungsmodul Mi bis M 9 enthalten ist der jeweils von einer Umgebungssonde SA 1 bis SA 9 beaufschlagt wird, die ihrerseits als Wheatstonesche Brücke in bekannter Weise geschaltet ist Für jede

m Phase ist ein Nulldetektor DZR, DZS und DZT vorgesehen.

Die Module und Abschaltvorrichtungen werden über eine zusätzliche Gleichstromversorgung DC mit Schwachstrom versorgt der von dem Strom einer der ürei Phasen, beispielsweise der Phase R, herrührt.

Die Schalttafel der Anlage kann eine Vorrichtung B (Fig. 1) für den evtl. Abzweig eines Zählers für die durch die Heizung aufgenommene elektrische Energie aufweisen.

Am Beginn jeder Phase R, S, T werden vor den Abzweigungen für den Haushaltsstrom ED Shunts SH oder entsprechende Meßeinrichtungen zwischengeschaltet deren Klemmen jeweils die Bezugszeichen SÄ 1 -SRZSSi- SS 2, ST1 — ST2 tragen.

Die an den Klemmen der Shunts auftretenden Wechsdspannungen sind proportional zu den Phasenströmen und werden jeweils an drei Spitzenwertdetektoren AR, AS und AT angelegt, die die ankommende Wechselspannung in eine Gleichspannung entspre-

JO chend den Spitzenwerten gleichrichten und mittels Optokopplern PCR, PCS und PCT übertragen. Die Optokoppler PCR, PCS und PCT gewährleisten die galvanische Trennung zwischen der Starkstromanlage des Gebäudes und der Schwachstrom-Regeleinrichtung.

Die an den Fototransistoren der Optokoppler auftretenden Gleichspannungen sind proportional zur Lumineszenz der Fotodioden und demzufolge auch zu den Spannungen an den Klemmen der Shunts bzw. zu den Phasenströmen.

Diese drei Spannungen werden über jeweils eine Diode D iR,D2Sund D37auf jeweils einen der beiden Eingänge eines Komparators CR, CS, CT geleitet, der durch einen Differenzverstärker gebildet ist. Eine Referenzgleichspannung UR, US, UT wird an den anderen Eingang des Komparators CR, CS, CT angelegt, dessen Ausgang von einem Spannungsteiler gebildet wird, der jeweils aus der Serienschaltung eines Widerstandes RCR, RCS, RCT mit einer Diode DAR, DAS, DA Γ besteht. Die Anode der jeweiligen Dioden

so DAR, DAS, DAT liegt an Masse. Der Verbindungspunkt FR, FS, FTder Elemente des Spannungsteilers ist der Ausgang für die proportionalen Schaltungsmodule. Die Referenzspannung UR, US, UT wird am Abgriff eines Potentiometers RDR, RDS, RDT abgenommen, das Teil eines Spannungsteilers ist, der mit den Klemmen der Gleichstrom-Zusatzversor.gung DC verbunden ist. Die Referenzspannungen UR, US, UT, die durch die jeweiligen Potentiometer einstellbar sind, werden so ausgewählt, daß sie den jeweiligen

t>o Phasenstrom repräsentieren, der unter Berücksichtigung der vorgeschriebenen Netzleistung zulässig ist.

Die Komparatoren CR, CS, CT sind so angeordnet, Jaß ihre Ausgangsspannungen so langen egativ sind, wie die Referenzspannungen UR, US, UT über der zugehörigen über die Optokoppler PCR, PCS, PCT übertragenen Spannungen liegen, die die Eingangsspannungen der Komparatoren bilden. In diesem Zustand ist die Spannung auf der Ausgangsleitung LR, LS, LT zu

den proportionalen Schaltungsmodulen wegen der Dioden DAR, DAS, DA T gleich dem Massepotential. Somit wird auf die Regelmodule kein Einfluß ausgeübt, so daß sie in üblicher Weise arbeiten und nur von dem Signal der Umgebungssonden SA beaufschlagt werden.

Wird die Eingangsspannung VR, VS, VT des !Comparators CR, CS, CT höher als die Referenzspannung UR, US, UT, wird die Ausgangsspannung des !Comparators positiv und auf der Ausgangsleitung LR, LS, LT entsteht eine positive Spannung WR, WS, WT für den zugehörigen Modulator. In jedem Modulator hat die Korrekturspannung die Wirkung, den Arbeitspunkt des Modulators in Richtung einer Erhöhung des Zeitraumes »außer Betrieb« des Heizungszyklus zu verschieben. Dies geschieht wie folgt:

Der proportionale Schaltungsmodul (F i g. 3) besteht aus einer Wheatstoneschen Brücke, die vier Anschlußpunkte 11,12,13,14 und vier Zweige 11-13,13-12,12-14 und 14-11 aufweist, sowie aus einem Nulldetektor DZR, DZS, DZT, der als »Zeitgeber« dient, um genau die Null-Durchgänge des Netz-Wechselstroms zu markieren, sowie aus einem Operationsverstärker AO, der die Rolle eines von der Fehlerspannung fder Wheatstoneschen Brücke beeinflußten Modulators spielt. Die Null-Durchgänge bestimmen die Impuisbildung für den Triggereingang G eines weiter unten erläuterten Triacs 77?.

In den vier Zweigen der Wheatstoneschen Brücke weisen ein Potentiometer Pi,die Reihenschaltungeines Potentiometers P 2 mit einem temperaturabhängigen Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten CTjV, sowie jeweils einen Festwiderstand R 1 und R 2 auf. Die Anschlußpunkte 11, 12 der Brücke sind mit einer Gleichspannung U_1x nach Art eines klassischen Thermostaten geschaltet. Die Fehlerspannung ist zwischen den Anschlußpunkten 13, 14 abnehmbar. Die Fußpunkte des Potentiometers P 2 sowie des Festwiderstandes R 2 liegen mit dem Anschlußpunkt 12 der Brücke an Masse.

Die Regelspannung W wird über einen Optokoppler 16 an die Meßbrücke gelegt. Hierzu wird die Regelspannung W(WR, WS. WT) an eine Fotodiode PD des Optokopplers 16 gelegt, die die Spannungsinformation optisch auf einen Fototransistor PTdes Optokopplers 16 überträgt. Der Fototransistor PT liegt parallel zum Widerstand R1 der Meßbrücke. Solange der jeweilige Strom in den Phasen R, S, T das zugelassene Maximun nicht überschreitet, ist die Steuerspannung WR, WS. HTNuIl. Der Widerstand des Fototransistors PT" ist demzufolge praktisch unendlich groß, so daß die so Brücke durch den Fototransistor PT nicht beeinflußt wird. 1st der Widerstand R1 gleich groß wie der Widerstand R 2, beträgt das Potential am Anschlußpunkt 14 der Brücke die Hälfte der Versorgungsspannung Ucc- .

Die einsteilbaren Widerstände Pl, P 2 der übrigen beiden Brückenzweige sind vorzugsweise so eingestellt, daß das Potential am Anschlußpunkt 13 dem des Punktes 14 entspricht, wenn die Brücke abgeglichen ist. Der Regel widerstand P 2 entspricht der vorgegebenen Temperatur für den zu heizenden Raum.

Die Brücke wird im Gleichgewicht gestört, wenn die Einstellung der Potentiometer Pl, P2 geändert wird. Wird der Widerstandswert des Potentiometers P2 erhöht, entspricht dies einer Erhöhung der Soll-Temperatur gegenüber der Ist-Temperatur, bei der die Brücke vorher abgeglichen war. Wenn sich nun die Temperatur des Raumes erhöht, nimmt der Widerstand des CTN ständig ab, bis die Abnahme des CTN die Erhöhung von P 2 kompensiert und die Brücke wieder im Gleichgewicht ist.

Will man in umgekehrter Weise die Heizung verringern, genügt es, den Widerstand von P 2 zu verringern, also dem Thermostaten eine Temperatur aufzugeben, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Die Fehlerspannung wird dann negativ oder Null (E < 0), d. h. die Heizung bleibt ausgeschaltet, solange die Erhöhung des Widerstandes des CTN bei der Abkühlung des Raumes die Absenkung des Widerstandes von P 2 nicht kompensiert hat.

Die Heizungssteuerung wird von der Polarität der Fehlerspannung E der Meßbrücke bestimmt. Diese Spannung gelangt auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers AO. Entsprechend der schematischen Darstellung in F i g. 3 kann der über die Leitung 17 versorgte Operationsverstärker AO, der mit Widerständen RX R4, R5 und einem an Masse ME gelegten Kondensator CD bestücktes, an seinem Ausgang 18 Impulse abgeben, die die Leitungsdauer des Triac TR verändern, und somit die Steuerspannung für die Heizung.

Wenn der Strom in einer Phase das zulässige Maximum überschreitet, entsteht eine Regelspannung W zwischen den Leitungen 19,20, die einen Regelstrom Iw hervorruft, der durch die Fotodiode PD fließt. Die Fotodiode PD überträgt Lichtenergie auf den Fototransistor PT und macht diesen leitend. Dadurch fließt ein Strom /,, der proportional zum Regelstrom Iw ist, durch den Fototransistor PT vom Anschlußpunkt 11 zum Anschlußpunkt 14 der Brücke.

Wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben, nimmt die Fehlerspannung E um den Wert R 2 · /, zu. Die Regelspannung IVübt daher eine ähnliche Wirkung aus, wie die Veränderung von P 2. Die Regelspannung erzeugt in der Schaltung den gleichen Effekt, als ob die vorschriftsmäßige Temperatur abgesenkt worden sei, so daß demzufolge die Dauer der Einschaltung des Triac im Verhältnis zu seiner Ausschaltzeit reduziert ist.

Die proportionalen Regelmodule sind völlig selbständig, da sie von der Steuerspannung W galvanisch isoliert sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme aus einem mehrphasigen elektrischen Netz in einem Gebäude, in dem eine elektrische Beheizung einerseits und weitere Stromverbraucher andererseits angeschlossen sind, wobei jede Phase des Netzes einen bestimmten Maximalstrom abgeben kann, enthaltend Meßeinrichtungen für die Stromaufnahme je Phase und Gleichrichter, die dem Phasenstrom proportionale Gleichspannungen erzeugen, welche mit einer dem maximal entnehmbaren Phasenstrom entsprechenden Gleichspannung in Beziehung gebracht werden und abhängig vom Ausgang des Vergleichs der beiden Gleichspannungen Steuermittel für die einzelnen Phasen betätigt, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangsspannung des Vergleichers (CR, CS, CT) Null ist, solange die entnommene Stromstärke unterhalb der maximal entnehmbaren ist und bei Überschreitung letzterer eine dem Überlastgrenzwert proportionale Reduzierspannung (WR, WS, P) erzeugt wird,

daß für jede Phase (R, S, T) ein mit der bei Überlastung erzeugten Reduzierspannung (WR, WS, P) beaufschlagte Optokoppler (16) vorhanden ist, der den Abgleich einer Meßbrücke (11,12,13,14) eines Temperaturreglers durch Einschalten des Empfängers (PT) des Optokopplers (16) in den Meßbrückenkreis (11,12,13,14) verstimmt, wodurch die Phasenstromaufnahme durch die Regelanordnung in Richtung auf niedrigere Stromwerte gesteuert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung der Meßbrücke (11, 12,13, 14) auf einen Operationsverstärker (AO) gelangt, der die Modulationszyklen eines Triacs (TR) impulsweise steuert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nieder-Gleichspannungen durch Spitzendetektoren (AR, AS, AT) erzeugt werden, die die Wechselströme gleichrichten und Gleichspannungen erzeugen, die proportional zu den Spitzenwerten sind, und daß den Spitzendetektoren (AR, AS, AT) Optokoppler (TCR, PCS, PCT) nachgeschaltet sind, die die Ausgangssignale der Spitzendetektoren (AR, AS, AT) auf die Vergleicher (CR, CS, CT) übertragen.