DE3046487C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern der Aufladung von Wärmespeicher-Heizgeräten mit Wärmeenergie in Billigzeitperioden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der - der elektromeister + deutsches elektrohandwerk, Heft 5, 1979, Seiten 327-332 - ist eine Aufladeregelung von Elektro-Speicherheizungen bekannt, bei der mehrere Unterstationen durch einen einer Zentralstation zugeordneten Mikroprozessor gesteuert werden. Das Zentralsteuergerät entwickelt zu diesem Zweck Impulspakete von bestimmter Zeitdauer (Impulsdauermodulation), die den Steuerwiderständen in den einzelnen Speichergeräten zugeführt werden. Die Entwicklung eines analogen Hauptsteuersignals ist nicht vorgesehen.

Aus der DE-OS 29 12 245 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung von Speicherheizgeräten bekannt. Im Gegensatz zu der Einrichtung gemäß eingangs genannter Gattung soll diese bekannte Anordnung ohne Zeitglied zur Erzeugung eines zeitabhängigen Hilfssignals und Hauptsteuersignals auskommen. Zu diesem Zweck sind die Eckpunkte einer aus geraden Abschnitten bestehenden Solladekennlinie durch den Zeitwerten und den zugehörigen Ladesollwerten analoge Spannungswerte vorgegeben.

Die entsprechenden Analogwerte werden zyklisch abgetastet, in Digitalwerte umgesetzt und gespeichert, und die zwischen jeweils zwei Eckpunkten befindlichen Punkte der Solladekennlinie werden aus den Werten der Eckpunkte abgeleitet. Unter Berücksichtigung der Außentemperaturwerte ist diese Art der Aufladungssteuerung hardwaremäßig nicht ohne weiteres zu realisieren.

Mit der gattungsgemäßen Einrichtung nach dem Hauptpatent 30 04 821 wird die Aufgabe gelöst, unter Einbeziehung der Zeit als Steuergröße auch außerhalb der Nachtladeperiode in einer Nachladeperiode (während des Tages) eine besonders wirtschaftliche und kostengünstige Ausnutzung der Billigzeittarife zur Deckung des Energiebedarfs von Wärmespeicher-Heizgeräten zu ermöglichen und eine Anpassung der Einrichtung an alle üblichen Anschlußwerte und besondere Betriebskennlinien mit extrem geringem Montage- und Einstellaufwand zu erreichen. Mit Hilfe des von der zweiten Rechenstufe entwickelten Führungssignals wird auch während des Tagbetriebs das erste Steuersignal linear zeitabhängig derart verringert, daß die zu allen möglichen Außentemperaturen gehörigen ersten Steuersignale am Ende der Regelperiode, beispielsweise zwei Stunden vor Beginn der Nachtladeperiode, in einem Wert zusammenlaufen. Dadurch kann die Energiebilanz der Heizanlage dem speziellen Bedarf in optimaler Weise angepaßt werden, indem verhindert wird, daß die freigegebene Nachladezeit kurz vor Beginn der kostengünstigeren Nachtladeperiode über den Bedarf hinaus in Anspruch genommen wird, und andererseits wird der Forderung der EVU's auf anlageninterne Begrenzung der Nachladezeiten entsprochen. Die Zeit wird als Steuergröße bei der Einrichtung gemäß Hauptanmeldung dadurch linear berücksichtigt, daß das zeitabhängige Signal der zweiten Rechenstufe als Führungsgröße in Art eines Multiplikators für das von der Außentemperatur abhängige erste Steuersignal wirkt. Die Entwicklung der beiden zeitabhängigen Steuergrößen für den Tagbetrieb (Nachladeperiode) und den Nachtbetrieb (Hauptladeperiode) ist deswegen besonders zweckmäßig, da die Zeitcharakteristiken und -einflüsse auf das Hauptsteuersignal im Nachtbetrieb und im Tagbetrieb gegenläufig sind. M. a. W. im Nachtbetrieb muß der Zeiteinfluß zum Ende der Nachtladeperiode verstärkt werden, damit die notwendige Aufladung des Wärmespeichers unmittelbar vor Beendigung der Nachtladeperiode gewährleistet ist, während der Zeiteinfluß im Tagbetrieb mit zunehmender Annäherung an das Ende des Tagbetriebs und damit an den Beginn des Nachtbetriebs zur Simulierung eines linear verringerten Wärmebedarfs führt. Die Verarbeitung der Zeitveränderlichen in getrennten Rechenstufen hat überdies den Vorteil, daß eine unabhängige Parametereingabe möglich und damit die Einstellung der Einrichtung auf die vorgesehene Betriebscharakteristik erleichtert wird.

Als Zeitglieder für Aufladesteuereinrichtungen von Wärmespeicher-Heizgeräten finden üblicherweise linear mit der Zeit von einem Synchronmotor über ein Getriebe verstellte Potentiometer Verwendung. Derartige mechanische Zeitglieder haben einen relativ hohen Verschleiß und bedingen einen erheblichen Wartungsaufwand. Zudem ist die Abgriffsgenauigkeit als Folge unterschiedlicher Übergangswiderstände und Nicht-Linearitäten im Stellbereich verbesserungsbedürftig, zumal die Zeit als veränderliche Größe bei der den Ausgangspunkt der Erfindung darstellenden Einrichtung gemäß Hauptanmeldung sowohl im Nachtladebetrieb als auch im Tagladebetrieb in die Entwicklung des Hauptsteuersignals eingeht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Einrichtung mit einem verschleißfrei arbeitenden Zeitglied zu versehen, das die zeitabhängige Hilfsspannung mit hoher Genauigkeit sowohl über die Nachtladeperiode als auch über einen vorgegebenen Teil der Tagladeperiode in solcher Weise entwickelt, daß die zeitabhängige Hilfsspannung im Steuergerät unmittelbar verarbeitet werden kann und am Ausgang des Zeitglieds mit einfachen und verfügbaren Meßgeräten kontrolliert und gemessen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Zeitglied eine von einem Taktgeber über einen Frequenzteiler mit einer Folge von Impulsen angesteuerte digitale Zähleranordnung und einen Digital/Analog-Wandler zur Erzeugung der Hilfsspannung in linear zeitabhängig gestuften Spannungswerten aufweist, daß eine von der EVU-Spannung in jeder Billigzeitperiode getastete Tor- und Halteschaltung zur Auslösung und Aufrechterhaltung der die Zähleranordnung ansteuernden Impulsfolge in den Leitungsweg zwischen Tastgeber und Zähleranordnung eingeschaltet ist, daß die Folgefrequenz der die Zähleranordnung ansteuernden Impulse und die Anzahl der Stufen der digitalen Zähleranordnung so gewählt sind, daß der Zählerendwert mit anschließender Zählerrückstellung eine vorgegebene Zeit nach Beginn der Tagladeperiode, vorzugsweise etwa 22 Stunden nach der Zählauslösung erreicht ist, und daß die zeitabhängige Hilfsspannung vom Ausgang des Digital/Analog-Wandlers rückgekoppelt ist zu einer Selbsthalteschaltung, die die Ansteuerimpulsefolge am Eingang der Zähleranordnung über die Tastzeit der EVU-Steuerspannung hinaus unter der Bedingung aufrechterhält, daß die zeitabhängige Hilfsspannung einen vorgegebenen Spannungspegel übersteigt. Der Zähler ist als 8-Bit-Zähler ausgebildet, der mit Impulsen einer Periode von 5,12 Minuten angesteuert ist, und der Digital/Analog-Wandler ist so ausgebildet und mit einer geeigneten Konstantspannung vorgespannt, daß er als zeitabhängige Hilfsspannung eine Ausgangsspannung zwischen 6 und 2,184 V, entsprechend der Zeit ab Beginn der Zählung bis zum Zählerendstand nach 21,84 Stunden erzeugt. Aufgrund dieser Ausbildung des Zeitglieds sind die zeitlichen Betriebsparameter für das Steuergerät in überraschend einfacher Weise und direkt verständlich mit einem Digitalvoltmeter erfaßbar und zur Abstimmung der Zeitkennlinie des Steuergeräts korrigierbar. Jede ab Zählbeginn abgelaufene Betriebsstunde erhöht die Spannung am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers um 0,1 V, und die für den Betrieb des Steuergeräts maßgeblichen Parameter können äußerst einfach unter Verwendung eindeutig erfaßbarer Konstantspannungen vorgegeben und eingestellt werden.

Ein digitales Zeitglied für Aufladesteuereinrichtungen von Wärmespeicher-Heizgeräten ist aus der DE-OS 25 04 896 an sich bekannt. Bei diesem bekannten Zeitglied ist ein astabiler Multivibrator als Taktgeber, ein Frequenzteiler, ein mit 12 Zählstufen versehener Binärkodierer, ein 12-Bit-Digital/Analog-Wandler und ein ausgangsseitiger Operationsverstärker vorgesehen. Dieses bekannte Zeitglied dient der Entwicklung der zeitabhängigen Hilfsspannung als Signalfunktion nur für die Zeitverschiebung des Ladebeginns während der Niedertarifzeit. Bei Fortfall der EVU-Steuerspannung, d. h. außerhalb der Nachtaufladezeit, ist das bekannte Zeitglied funktionslos. Darüber hinaus gibt es bei dem bekannten Zeitglied auch nicht die unmittelbar verständliche Beziehung zwischen dem Wert der zeitabhängigen Hilfsspannung und der ab Beginn der Zählerauslösung verstrichenen Zeit. Diese Beziehung muß erst durch geeignete Eichmaßnahmen über spezielle Anzeigegeräte hergestellt werden.

Um den Zählerstand der Zähleranordnung und damit die zeitabhängige Hilfsspannung bei Netzspannungsausfall zu erhalten, sieht die Erfindung eine Netzabtrennschaltung vor, die einen einen Ladungsspeicher enthaltenden Betriebsspannungskreis und den Signaleingang der Zähleranordnung sofort bei Spannungsausfall von den Netzzuleitungen entkoppelt. Aufgrund der vollständigen Entkopplung vor allem des Betriebsspannungskreises der Zähleranordnung werden die in letzterer bei Netzausfall gespeicherten Daten, d. h. der Zählerstand, erhalten, so daß nach Wiederherstellung der Netzspannung die Zähleranordnung von dem unmittelbar vor Netzspannungsausfall bestehenden Zählerstand weiterzählt. Damit wird bei dem erfindungsgemäßen Zeitglied die Zeitspeichereigenschaft erreicht, die bisher nur bei den herkömmlichen mechanischen Zeitgliedern mit Schleiferabnahme möglich erschien.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung, in welchem das Hauptsteuersignal U _A bei unterschiedlichen Außentemperaturen im Verlauf eines Tages (24 Stunden) als Funktion der durch das Zeitglied entwickelten Zeit aufgetragen ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus des Steuergeräts mit zugehörigem Zeitglied; und

Fig. 3A und 3B ein teilweise vereinfachtes Schaltbild des Zeitglieds.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaubild zeigt das Hauptsteuersignal U _A als Funktion der Zeit bei unterschiedlichen Außentemperaturen, die an den Kurven in % angegeben sind. Auf der Abszisse sind die Zeit in Stunden sowie die Absolutwerte der U _H vom Zeitglied entwickelten, zeitbestimmenden Hilfsspannung dargestellt. Die Zeit in Stunden und die Spannungswerte der Hilfsspannung in 0,1 V stimmen numerisch überein. Der zeitliche Nullpunkt t = 0 liegt zu Beginn der Nachtladezeit, wenn das Zeitglied den Freigabeimpuls von dem EVU erhält. Zu diesem Zeitpunkt t = 0 wird eine wirksame Hauptsteuerspannung U _A nur bei einer Außentemperatur von 100%, das ist der tiefste, von dem Regelverhalten des Steuergeräts zu berücksichtigende AT-Wert entwickelt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist ein variables Regelverhalten des Steuergeräts zwischen den Außentemperaturgrenzen von +20°C = 0% bis -20°C = 100% vorgesehen. Die Kennlinie für AT = 100% fällt linear mit der Zeit von 0 bis 8 Stunden ab, was einer entsprechend linearen Zunahme der Hauptsteuerspannung U _A von 0 auf 100% entspricht. Bei Erreichen einer Steuerspannung U _A = 100% wird der Zeiteinfluß auf die Steuerspannung U _A unterbrochen und die Kennlinie für U _A allein in Abhängigkeit von AT bis zu Beginn der Tagladeperiode t₃ weitergeführt. Bei Beginn der Tagladeperiode (10 h) wird die Hauptsteuerspannung U _A in entgegengesetzter Richtung in Abhängigkeit von der Außentemperatur AT und der Zeit, d. h. der zeitabhängigen Hilfsspannung, geändert und erreicht am Ende der Tagladeperiode t₃ den der Ausgangsspannung U _A = 0% zu Beginn der Nachtladeperiode entsprechenden Wert. Bei U _A = 0% ist eine Nachladung ausgeschlossen, da die auf die Restwärme bezogene Vergleichsspannung im Laderegler den Wert von U _A = 0% nicht unterschreiten kann.

Die anderen Außentemperaturen zugeordneten Kurven, so z. B. die Kurve entsprechend AT = 50%, führen zu einer zeitverzögerten Entwicklung von U _A , sind im Nachtladezeitraum (t₁ und t₂) bei gleicher Zeitsteigung parallel geführt und werden im Tagladezeitraum t₃ in Abhängigkeit von der Zeit so geändert, daß sie alle am Ende der Tagladeperiode t₃ in einem Punkt bei der Hauptsteuerspannung U _A = 0% zusammenlaufen. Dieser Punkt liegt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus den weiter unten angegebenen Gründen 21,84 h nach Beginn der Nachtladeperiode t₁ + t₂.

Der in Fig. 1 dargestellte Verlauf der Hauptsteuerspannung U _A läßt sich in den zeitveränderlichen Abschnitten der Nachtladezeit und der Tagladezeit mathematisch wie folgt ausdrücken:

• 1. Nachtladung (NL): Hierin bedeuten:AT= Außentemperaturt= Istwert mit 0 ≦ t ≦ t₁S₁= voreingestellte Außentemperatursteilheit S₂= voreingestellte Zeitsteilheit ATA= AT-Anfang ATE= AT-Ende U _K = Konstantspannung
• 2. Tagladung (TL): mit (t₁ + t₂) ≦ t ≦ t₃

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel des zentralen Steuergeräts, mit dem der in Fig. 1 dargestellte Verlauf des Hauptsteuersignals U _A = f (AT, t) realisiert werden kann.

Von dem im Block 1 dargestellten Zeitglied wird eine linear zeitabhängige Hilfsspannung U _H erzeugt, die von dem zeitlichen Nullpunkt (Beginn der Freigabe für die Nachtaufladung bei Tasten der EVU-Steuerspannung) bis zum Ende der Tagladezeit (t _3max = 21,84 h) linear von 0 auf 2,184 V geändert wird.

Das Zeitglied 1 weist einen Taktgeber, bestehend aus einem Netzteil 10 und einer diesem nachgeschalteten Impulsformerschaltung 11 auf. In der Impulsformerschaltung 11 wird die sinusförmige Netzspannung zu Rechteckimpulsen mit einer Folgefrequenz von 50 Hz umgeformt. Die Impulse werden über eine Leitung 12 zu einer Tor- und Halteschaltung 13 übertragen. Letztere läßt die Impulse von der Leitung 12 nur dann zur Leitung 14 durch, wenn sie von einem Optokoppler 15 über eine Steuerleitung 16 und/oder von einem Vergleicher 17 über eine andere Steuerleitung 18 angesteuert ist. Der Optokoppler 15 gibt ein digitales Signal über die Leitung 16 an die Tor- und Halteschaltung 13, wenn und solange die EVU-Steuerspannung an der Klemme LF ansteht, d. h. während der von dem EVU bestimmten Freigabezeiten.

Das Taktimpulssignal wird über die Leitung 14 zu einem Frequenzteiler 19 übertragen, der im Normalbetrieb des Zeitgliedes 1 die Frequenz soweit herunterteilt, daß am Teilerausgang Rechteckimpulse einer Periode von 5,12 Minuten erscheinen. Diese Rechteckimpulse werden über ein UND-Verknüpfungsglied 20 zu einer digitalen Zähleranordnung 21 übertragen. Die Zähleranordnung 21 ist als 8-Bit-Zähler ausgebildet, dessen acht Zählstufen die über das UND-Verknüpfungsglied zugeführten 5,12-Minuten-Ansteuerimpulse von 0 bis 255 zählen. Nach Erreichen des Zählerendwerts, d. h. mit dem 256. Impuls, wird der Zähler 21 auf Null zurückgesetzt. Die acht Zählerstufen sind über acht Leitungen 22 mit einem Digital/Analog-Wandler 23 verbunden. Dieser entwickelt an seinem Ausgang 24 eine im folgenden als zeitabhängige Hilfsspannung U _H bezeichnete Spannung, die einen treppenförmigen Verlauf mit 256 dem Zählerstand jeweils proportionalen Spannungsstufen hat. Mit Hilfe einer Konstantspannung U _{K 2,184} = 2,184 V wird die Maximalamplitude der Spannung U _H (erreicht beim Zählerendstand mit dem 255. Zählimpuls) auf 2,184 V eingestellt. Bei einer Periode von 5,12 Minuten der Ansteuerimpulse des Zählers 21 wird der Zählerendstand 255 genau 21,84 Stunden nach Zählbeginn erreicht. Auf einem Digitalmultimeter ist daher auf der Leitung 24 bzw. an der Ausgangsklemme i₂ die Zeit ohne Umrechnung quantitativ ablesbar (unter Berücksichtigung einer Dezimalverschiebung um eine Stelle).

Die Hilfsspannung U _H wird sowohl einer optischen Anzeigevorrichtung 26, die beispielsweise als herkömmliches Leuchtdiodenband ausgebildet sein kann, als auch einem Eingang des Vergleichers 17 zugeführt. Über den anderen Eingang des Vergleichers wird eine Konstantspannung U _{K 0,6} = 0,6 Volt als Referenzspannung angelegt. Sobald die zeitabhängige Hilfsspannung U _H die Amplitude von 0,6 V erreicht hat, d. h. 6 Stunden nach Zählbeginn, entwickelt der Vergleicher 17 ein Digitalsignal auf der Leitung 18, das die Tor- und Halteschaltung 13 auch dann für die 50 Hz Taktimpulse durchlässig macht, wenn die EVU-Steuerspannung am Ende der NL-Periode abgeschaltet wird und das Signal auf der Leitung 16 zusammenbricht. Über den Vergleicher 17 geht das Zeitglied 1 nach der NL-Periode in Selbsthaltung, so daß der Zähler bis zum Erreichen seines Endstandes unabhängig von der EVU-Steuerspannung weiterzählen kann. Mit dem 256. Zählimpuls erfolgt die Zählerrückstellung sowie die Aufhebung der Selbsthaltung über den Vergleicher 17, nachdem die Hilfsspannung U _H auf der Leitung 24 auf Null, also unter den Vergleichswert von U _{K 0,6}, zusammengebrochen ist.

Eine besondere Netzabtrennschaltung 27 sorgt im Zusammenwirken mit den UND-Verknüpfungsglied 20 für die Erhaltung des Zählerstandes der Zähleranordnung 21. Eine solche Datenspeicherung bei Netzspannungsausfall ist mit der im einzelnen anhand der Fig. 3 gezeigten Netzabtrennschaltung über mehrere Stunden möglich.

Mit Hilfe einer Prüftaste 28, auf die ebenfalls in Verbindung mit der Beschreibung von Fig. 3 noch genauer eingegangen werden wird, können die Frequenzteilerstufen zumindest teilweise derart überbrückt werden, daß der Zähler seinen Endstand (255. Impuls) bereits nach wenigen Sekunden erreicht.

Die zeitabhängige Hilfsspannung U _H , die an der Klemme i₂ abgreifbar ist, wird im Steuergerät an einen Vergleicher 30 sowie an zwei Rechenstufen 31 und 32 angelegt. Der Vergleicher erhält die Konstantspannung U _{K 1,0} von 1 V als Vergleichsspannung und entwickelt an seinem Ausgang ein Umschaltsignal, sobald die Hilfsspannung U _H (10 Stunden nach Ablauf des Zählers 21) den Vergleichsspannungspegel von 1,0 V erreicht hat. Dieses Umschaltsignal dient zur Umschaltung des Steuergeräts von Nacht- auf Tagladebetrieb.

In der Rechenstufe 31 wird die voreingestellte Zeitsteilheit S₂ gemäß Gleichung (1.2) mit der als Hilfsspannung U _H über die Leitung 24 zugeführten Zeit t multipliziert und als im Nachtladebetrieb wirksame Steuerspannung U _Z über einen Umschalter 33 und einen Inverter 34 an eine Summierstufe 35 angelegt.

In einer weiteren Rechenstufe 36, der ein außentemperaturabhängiges elektrisches Signal AT über eine Leitung 37 zugeführt wird, wird ein von der Außentemperatur abhängiges Steuersignal U _AT = S₁ (ATA-AT) erzeugt. Die voreingestellte Außentemperatursteilheit S₁ kann im Nachtladebetrieb - Gleichung (1.1) - anders eingestellt sein als für den Tagladebetrieb - Gleichung (2.1). Die am Ausgang der Rechenstufe 36 entwickelte Steuerspannung U _AT wird in einem Inverter 38 invertiert und an die Summierstufe 35 angelegt.

In der Rechenstufe 31 wird ein zeitveränderliches Steuersignal U _Z = S₂t erzeugt, das im NL-Betrieb beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem Anfangswert U _Z = 0 bis zu einem Endwert von 0,75 V linear mit der Zeit geändert wird. Durch Einstellung der Zeitsteilheit S₂ kann der Bereich t₁ innerhalb der Nachtladezeit zwischen 4 und 10 Stunden geändert werden. Die Spannung U _Z am Ausgang der Rechenstufe 31 wird einem Vergleich 39 zugeführt, der über eine Leitung 40 die Bezugsspannung U _{K 0,75} erhält. Der Vergleicher sorgt dafür, daß das am Ausgang des Umschalters 33 anstehende und nach Invertierung an die Summierstufe 35 angelegte Steuersignal U _Z = 0,75 V nicht übersteigt. Sobald das von der Rechenstufe 31 kommende Signal den eingestellten Endwert von 0,75 V erreicht, gibt der Vergleicher 39 ein H-Signal an eine in einem Block 41 schematisch dargestellte digitale Logikschaltung, wodurch der Umschalter 33 auf die auf der Leitung 40 anstehende Konstantspannung U _{K 0,75} umschaltet und U _Z für die Summierstufe 35 konstant hält. Die Umschaltung von NL- auf TL-Betrieb erfolgt, wie oben gesagt, mit Hilfe des Vergleichers 30 zehn Stunden nach Beginn der Zählung des Zählers 21 bzw. bei U _H = 1 V. Das dabei vom Vergleicher 30 über die Ausgangsleitung 42 abgegebene digitale Signal sorgt spätestens für die Umschaltung des Umschalters 33 in die gestrichelt dargestellte TL-Stellung und außerdem für die Umschaltung eines weiteren Umschalters 43 in die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte TL-Stellung. In dieser Stellung des Umschalters 43 wird das in der Rechenstufe 32 entsprechend der Gleichung (2.2) entwickelte, zeitabhängig geänderte Führungssignal S₃ zur Rechenstufe 36 übertragen und in dieser mit dem Steuersignal U _AT = S₁ (ATA-AT) entsprechend Gleichung (2.1) multipliziert. Das zeitabhängige Führungssignal wird von einem Anfangswert 1 bis zu einem Endwert 0 linear mit der Zeit geändert, so daß das am Ausgang der Rechenstufe 36 während des TL-Betriebs erscheinende und der Summierstufe 35 nach Inversion zugeführte Signal S₃U _AT linear mit der Zeit zwischen den Grenzwerten U _AT und Null geändert wird. Im NL-Betrieb (ausgezogene Stellung der Umschalter 43 und 33) ist der Wert des Führungssignals S₃ konstant und gleich 1, da der entsprechende Pol des Umschalters dann an der Konstantspannung U _{K 1,0} liegt. Gleichzeitig mit der Umschaltung des Umschalters 43 auf TL-Betrieb wird von dem Vergleicher 30 ein Signal auf die Leitung 42 gegeben, mit dem die Rechenstufe 36 auf den für die Tagladung voreingestellten ATE-Wert umgeschaltet, eine LD-Anzeige 45 zur Kenntlichmachung des NL- bzw. TL-Betriebs betätigt und ein Transistorschalter 46 zur Umschaltung der Kennlinie des Ladereglers angesteuert wird.

In der Summierstufe 35 werden die über die beiden Inverter 34 und 38 zugeführten Signale -U _Z und -U _AT S₃ zu einer Konstantspannung U _{K 4,35} von 4,35 V addiert. Das am Ausgang der Summierstufe 35 auf der Leitung 47 entwickelte Signal U _A erfüllt daher bei NL-Betrieb die Gleichung (1.1) und bei TL-Betrieb die Gleichung (2.1) und läßt sich in jedem Falle wie folgt ausdrücken:

U _A = U _{K 4,35} - U _Z - S₃U _AT .

Das Hauptsteuersignal U _A wird über die Ausgangsklemme Z₂ des zentralen Steuergeräts zum Laderegler übertragen.

Anhand der Fig. 3A und 3B, die in teilweiser Blockdarstellung den schaltungsgemäßen Aufbau des Zeitglieds zeigen, wird im folgenden die Netzabtrennung bei Netzspannungsausfall zur Erhaltung der im Zähler 21 gespeicherten Daten (Zählerstand) über eine längere Periode erläutert.

In der Fig. 3 weist der Netzteil 10 des Zeitglieds 1 einen Transformator 101 zum Herunterspannen der Netzspannung auf 24 V, einen Vollwellengleichrichter 102 und einen als Diode ausgebildeten Halbwellengleichrichter 103 auf. Von dem positiven Anschluß des Vollwellengleichrichters 102 ist die Betriebsspannungsversorgung für die elektronischen Bauelemente des Zeitglieds 1 über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 104 und einen Regler 105 abgeleitet. Der Regler 105 entwickelt auf seiner Ausgangsleitung 106 eine stabilisierte Betriebsspannung von +12 V für die Tor- und Halteschaltung 13, den D/A-Wandler 23, den Vergleicher 17, die optische Anzeigevorrichtung 26 und den Frequenzteiler 19. Über eine ebenfalls in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 107, die an der Kathode mit einem Speicherkondensator 108 verbunden ist, wird eine Betriebsspannungsleitung 109 gespeist, von der die Betriebsspannungsversorgung für einen Schmitt-Trigger 110, das UND-Verknüpfungsglied 20 und den 8-Bit-Zähler 21 abgeleitet ist.

Der Schmitt-Trigger 110 ist eingangsseitig mit einer Spannungsteilerschaltung aus einem niederohmigen Widerstand 111 und einer Parallelschaltung aus einer Zenerdiode 112, einem relativ hochohmigen Widerstand 113 und einem Kondensator 114 relativ geringer Kapazität angeschaltet. Am Ausgang des Schmitt-Triggers 110 wird bei Anliegen der Netzspannung ein Dauerimpuls entwickelt, der über die Leitung 115 an einen Eingang des UND-Verknüpfungsgliedes 20 angelegt wird. Der Schmitt-Trigger ist so ausgebildet, daß er praktisch zum Zeitpunkt t = 0 bei Anstehen der Netzspannung das volle Dauersignal von ca. 11 V entwickelt und ebenfalls ohne Zeitverzögerung auf 0 V abfällt, sobald die Netzspannung zusammenbricht. Die Zenerdiode 112 hält die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers konstant auf ca. 12 V. Zwischen der Kathode der Diode 104 und dem negativen Pol des Vollwellengleichrichters 102 ist ein Siebkondensator 116 angeordnet.

Der 50 Hz Taktimpuls wird aus dem Netzteil 10 über den Halbwellengleichrichter 103 abgeleitet und über eine im dargestellten Ausführungsbeispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Impulsformerschaltung 11 zu Rechteckimpulsen geformt. Die Rechteckimpulse von der Leitung 12 werden in die Tor- und Halteschaltung 13 gegeben und an einen Eingang eines UND-Verknüpfungsgliedes 130 angelegt. Diese Taktimpulse werden von dem UND-Verknüpfungsglied 130 nur dann über die Leitung 14 zum Frequenzteiler 19 ausgeblendet, wenn der andere Eingang des UND-Gliedes über eine ODER-Schaltung 131 entweder vom Optokoppler 15 oder vom (6 h) Vergleicher 17 angesteuert ist.

Der Optokoppler ist ausgangsseitig mit einem Schmitt-Trigger 117 verbunden, der auf der Ausgangsleitung 16 sofort bei Ansteuerung der Klemme LF mit der EVU-Steuerspannung einen Dauerimpuls entwickelt. Dieser Dauerimpuls wird an ein UND-Verknüpfungsglied 132 in der Tor- und Halteschaltung 13 übertragen und von dort bei Anstehen der Betriebsspannung auf der Leitung 106 über die ODER-Schaltung 131 zum UND-Verknüpfungsglied 130 durchgelassen.

Über die Leitung 14 laufen die 50 Hz Taktimpulse zum Frequenzteiler 19 und werden in diesem in Impulse einer Periode von 5,12 Minuten umgesetzt. Über eine Logikschaltung 120 und eine Leitung 121 werden diese 5,12 Minuten Impulse an einen zweiten Eingang des UND-Verknüpfungsglieds 20 angelegt, das aufgrund des Netzbetätigungssignals auf der Leitung 115 auf Durchlaß gesteuert ist. Der Zähler 21 zählt die einlaufenden Impulse bis zum 255. Impuls und wird beim 256. Impuls zurückgesetzt. Über die Ausgangsleitungen 22 wird der D/A-Wandler 23 angesteuert und entwickelt auf der Ausgangsleitung 24 die gewünschte Hilfsspannung U _H in Form einer treppenförmigen Spannung, die sich genau proportional zum Zählerstand, also genau zeitproportional erhöht. Die Leitung 24 ist über einen Impedanzwandler 118 mit dem Ausgang des D/A-Wandlers verbunden. Um gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung die Hilfsspannung U _H auf der Leitung 24 numerisch mit jeweils 10 Stunden der vom Zählerablauf verflossenen Zeit in Übereinstimmung zu bringen, erhält der D/A-Wandler 23 über eine Stabilisierungsschaltung 119 eine konstante Spannung U _{K 2,184} = 2,184 V. Dadurch ergibt sich auf der Leitung 24 eine zeitproportional geänderte Spannung zwischen 0 und 2,184 V, wobei die Spannung 0 dem Beginn der Zählung im Zähler 21 und die Spannung 2,184 dem Zählerendstand nach 21,84 Stunden entspricht. Der Vergleicher 17 entwickelt 6 Stunden nach Zählbeginn ein Selbsthaltesignal auf der Leitung 18, das über das UND-Verknüpfungsglied 130 die Taktimpulse auch dann über die Leitung 14 zum Frequenzteiler 19 durchsteuert, wenn die EVU-Steuerspannung abgeschaltet ist. Nach dem Rücksetzen des Zählers 21 und dem dadurch erfolgenden Absinken von U _H auf 0 V wird auch das Ausgangssignal des Vergleichers 17 unterbrochen, da dieser ein Ausgangssignal nur dann entwickelt, wenn die an seinem mit der Leitung 24 verbundenen Meßeingang anstehende Spannung gleich oder größer als die Referenzspannung von 0,6 V ist. Die Anordnung geht also aufgrund der Referenzspannung des Vergleichers 17 sechs Stunden nach Zählbeginn in Selbsthaltung.

Bei Betätigung der Prüftaste 28 kann zumindest ein Teil der Frequenzteilerstufen mit Hilfe der Logikschaltung 120 überbrückt werden und das UND-Verknüpfungsglied 3 mit einer wesentlich kürzeren Impulsfolge angesteuert werden. Dadurch ist es möglich, zum Prüfen der Funktion des Zeitglieds den Zählerstand innerhalb von wenigen Sekunden zu erreichen. Über eine Leitung 123 kann der Zähler auch mit Einzelimpulsen getastet werden.

Die für die zählerstanderhaltende Netzabtrennung bei einer Netzspannungsausfallbedingung sowie für die Zuschaltung der Zeitgliedkomponenten an die Netzspannungsversorgung bei Wiedereintritt der Spannung maßgeblichen Komponenten der Netzabtrennschaltung sind in Fig. 3A im Schaltungsblock 27 gezeigt. Bei Netzspannungsausfall folgt der Eingang 125 dem Netzspannungsabfall praktisch zeitgleich, so daß ebenfalls praktisch totzeitfrei das auf der Leitung 115 am Ausgang des Schmitt-Triggers 110 anstehende Netzspannungsbestätigungssignal auf Null abfällt. Dadurch wird das UND-Verknüpfungsglied 20 gesperrt und ein Weiterzählen des Zählers 21 unterbrochen. Der Versorgungsstromkreis, insbesondere die Versorgungsleitung 109, ist jedoch über die bei Netzspannungsausfall in Sperrichtung geschaltete Diode 107 entkoppelt. Der Speicherkondensator 108 hat eine ausreichend große Kapazität um die Betriebsspannung für den Schmitt-Trigger 110, das UND-Verknüpfungsglied 20 und den Zähler 21 über mehrere Stunden Netzspannungsausfall ausreichend aufrechtzuerhalten. Neben der Entkoppelung über die Diode 107 zur Leitung 106 müssen die genannten Schaltungskomponenten aus Bauelementen möglichst niedriger Leistungsaufnahme bestehen, und hierfür kommen CMOS-Bauelemente in Betracht. Außerdem ist über hochohmige Eingänge des D/A-Wandlers 23 dafür gesorgt, daß der Zähler 21 auch ausgangsseitig entkoppelt ist und seinen Zählerstand zuverlässig beibehält. Der Siebkondensator 116, der eine im Vergleich zum Kondensator 114 im Eingangskreis des Schmitt-Triggers 110 große Kapazität hat, sorgt im Zusammenwirken mit der Diode 104 dafür, daß die Spannung an der Leitung 125 bei Netzausfall schneller zusammenbricht als die Spannung von 12 V am Ausgang des Reglers 105.

Bei Wiedereintritt der Netzspannung werden die Betriebsspannungsleitungen 106 und 109 dagegen vor der Leitung 125 am Eingang des Schmitt-Triggers 110 auf die Sollspannungspegel gebracht. Während die dabei in Durchlaßrichtung angeordneten Dioden 104 und 107 sowie auch der Regler 105 nahezu widerstandslos sind, so daß sie bei Wiedereintritt der Spannung auch in Verbindung mit den relativ großen Kondensatoren 116 und 108 eine extrem kleine Zeitkonstante haben, reicht ein Widerstand 111 von beispielsweise 2 kOhm im Eingangskreis des Schmitt-Triggers 125 aus, um im Zusammenwirken mit der niedrigen Kapazität des Kondensators 114 eine größere Zeitkonstante für den Anstieg der Netzspannung zu entfalten. Dementsprechend wird der Netzspannungsbetätigungsimpuls auf der Leitung 115 und am Eingang des UND-Verknüpfungsglieds 20 erst dann vom Schmitt-Trigger 110 entwickelt, wenn die Betriebsspannung auf den Leitungen 106 und 109 über die Netzspannungsversorgung ansteht. Es wird dadurch gewährleistet, daß der Zähler 21 von dem Zählerstand aus weiterzählt, der bei Beginn des Netzspannungsausfalls vorgelegen hat und über die Netzspannungsausfallperiode durch Aufrechterhaltung der Betriebsspannung (Betriebsspannungsabfall auf der Leitung 109 bis auf etwa 5 V möglich) gespeichert worden ist. Sowohl der Zähler 21 als auch der D/A-Wandler 23 können ihre vorher unterbrochenen Funktionen danach unbeschadet wiederaufnehmen, wobei auch gewährleistet ist, daß im Falle der zwischenzeitlichen Abschaltung des EVU-Steuersignals über die Leitung 16 die Selbsthaltung vom Vergleicher 17 über die Leitung 18, die ODER-Schaltung 131 und das UND-Verknüpfungsglied 130 wirksam ist.

Das zuvor erläuterte Zeitglied 1 wird in der Regel von dem in Fig. 2 schematisch dargestellten zentralen Steuergerät, das die Hauptsteuerspannung U _A entwickelt, getrennt, beispielsweise als gesonderte Steckeinheit angeordnet. Es ist jedoch grundsätzlich möglich, das Zeitglied 1 auch baulich in das zentrale Steuergerät zu integrieren, wobei eine Außenbeschaltung über die Klemme i₂ (Fig. 2) möglich sein sollte.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Steuern der Aufladung von Wärmespeicher-Heizgeräten mit Wärmeenergie in Billigzeitperioden, mit einem Zeitglied zur Erzeugung einer zeitabhängigen Hilfsspannung, einem in bestimmten Zeitabschnitten ein von der Außentemperatur und der zeitabhängigen Hilfsspannung abhängiges Hauptsteuersignal erzeugenden elektrischen Steuergerät, das eine über eine digitale Logikschaltung gesteuerte Umschaltanordnung zur zeitabhängigen Umschaltung des Steuergeräts auf unterschiedliche Betriebsparameter, mehrere mit der Umschaltanordnung gekoppelte, analog arbeitende Rechenstufen zur Entwicklung eines von der Außentemperatur abhängigen ersten Steuersignals, eines in der Tagladeperiode zeitabhängig geänderten Führungssignals für das erste Steuersignal und eines in der Nachtladeperiode vorzugsweise linear mit der Zeit geänderten zweiten Steuersignals und eine den Rechenstufen nachgeschaltete Summierstufe aufweist, welche die Summe aus den ersten und zweiten Steuersignalen von einem voreingestellten Korrektursignal subtrahiert, und mit einem mit dem Ausgang des Steuergeräts verbundenen Laderegler, der ein den Zutritt des Energieträgers zum Wärmespeicher freigebendes Stellglied aufgrund eines Vergleichs des Hauptsteuersignals mit einem der im Wärmespeicher von der vorangegangenen Lade-Entladeperiode verbleibenden Restwärme entsprechenden elektrischen Signal betätigt, nach Patent 30 04 821, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (1) eine von einem Taktgeber (10, 11) über einen Frequenzteiler (19) mit einer Folge von Impulsen angesteuerte digitale Zähleranordnung (21) und einen Digital/Analog-Wandler (23) zur Erzeugung der Hilfsspannung (U _H ) in linear zeitabhängig gestuften Spannungswerten aufweist, daß eine von der EVU-Steuerspannung (LF) in jeder Billigzeitperiode getastete Tor- und Halteschaltung (13) zur Auslösung und Aufrechterhaltung der die Zähleranordnung (21) ansteuernden Impulsfolge in den Leitungsweg zwischen Taktgeber (10, 11) und Zähleranordnung (21) eingeschaltet ist, daß die Folgefrequenz der die Zähleranordnung (21) ansteuernden Impulse und die Anzahl der Stufen der digitalen Zähleranordnung so gewählt sind, daß der Zählerendwert mit anschließender Zählerrückstellung eine vorgegebene Zeit (t _3max ) nach Beginn der Tagladeperiode, vorzugsweise etwa 22 Stunden nach Zählauslösung erreicht ist, und daß die zeitabhängige Hilfsspannung (U _H ) vom Ausgang (24) des Digital/Analog-Wandlers rückgekoppelt ist zu einer Selbsthalteschaltung (17, 18, 131, 130), die die Ansteuerimpulsfolge am Eingang der Zählanordnung (21) über die Tastzeit der EVU-Steuerspannung hinaus unter der Bedingung aufrechterhält, daß die zeitabhängige Hilfsspannung (U _H ) einen vorgegebenen Spannungspegel (z. B. 0,6 V) übersteigt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleranordnung als 8-Bit-Zähler (21) ausgebildet ist, der mit Impulsen einer Periode von 5,12 Minuten angesteuert ist, und daß der Digital/Analog-Wandler (23) so ausgebildet und mit einer Konstantspannung (U _K2,184) vorgespannt ist, daß er als zeitabhängige Hilfsspannung (U _H ) eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 2,184 V entsprechend der Zeit von 21,84 Stunden ab Beginn der Zählung bis zum Zählerendstand erzeugt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsthalteschaltung einen die Ausgangsspannung (U _H ) des Digital/Analog-Wandlers (23) mit einer voreingestellten Bezugsspannung (U _K0,6) vergleichenden Vergleicher (17) aufweist, der an einem Ausgang (18) ein Haltesignal entwickelt, sobald die Ausgangsspannung (U _H ) des Digital/Analog-Wandlers die Bezugsspannung (U _K0,6) erreicht oder überschreitet, und daß der Vergleicher (17) ausgangsseitig mit der Tor- und Halteschaltung (13) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor- und Halteschaltung (13) als digitale Logikschaltung ausgebildet ist, die bei Ansteuerung durch einen von der EVU-Steuerspannung getasteten Optokoppler (15) und/oder durch ein Ausgangssignal des Vergleichers (17) Taktsignale des Taktgebers (10, 11) zum Frequenzteiler (19) durchläßt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor- und Halteschaltung (13) ein UND-Verknüpfungsglied (130) aufweist, das mit einem Eingang an den Ausgang (12) des Taktgebers (10, 11) und mit einem zweiten Eingang an eine vom Optokoppler (15) und/oder vom Vergleicher (17) ansteuerbare ODER-Schaltung (131) angeschaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähleranordnung (21) ein UND-Verknüpfungsglied (20) vorgeschaltet ist, das Ausgangssignale zur Weiterschaltung der Zähleranordnung nur dann erzeugt, wenn an seinen Eingängen (121, 115) sowohl die vom Taktgeber (10, 11) abgeleitete Impulsfolge als auch ein Netzspannungsbestätigungssignal anstehen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (115) des UND-Verknüpfungsgliedes (20) mit dem Ausgang eines Schmitt-Triggers (110) verbunden ist, der zur Entwicklung des Netzspannungsbestätigungssignals eingangsseitig mit der Gleichspannungsseite eines aus dem Netz gespeisten Vollweggleichrichters (102) beaufschlagt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüftastenschalter (28) mit der Tor- und Halteschaltung (13) und dem Frequenzteiler (19) derart gekoppelt ist, daß bei seiner Betätigung die Tor- und Halteschaltung auf Durchlaß gesteuert und die Frequenzteilerstufen wenigstens teilweise überbrückt sind, so daß die Folgefrequenz der die Zähleranordnung (21) erreichenden Ansteuerimpulse mehrfach erhöht ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhaltung des Zählerstandes der Zähleranordnung (21) bei Netzspannungsausfall eine Netzabtrennschaltung (27) vorgesehen ist, die einen einen Ladungsspeicher (108) enthaltenden Betriebsspannungskreis (107, 108, 109) und den Signaleingang der Zähleranordnung (21) sofort bei Spannungsausfall von den Netzzuleitungen entkoppelt.

10. Einrichtung nach Ansprüchen 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsspannungskreis einen Speicherkondensator (108) aufweist, der über eine bei Netzbetrieb in Durchlaßrichtung geschaltete Entkopplungsdiode (107) von der Gleichspannungsseite des Vollweggleichrichters (102) aufladbar ist und bei Netzspannungsabfall durch die dann gesperrte Entkopplungsdiode (107) vom Netzkreis entkoppelt ist und die Betriebsspannung für die Zähleranordnung (21), das UND-Verknüpfungsglied (20) und den Schmitt-Trigger (110) aufrechterhält, und daß der Eingang des Schmitt-Triggers (110) über einen ohmschen Widerstand (111) mit dem einen Anschluß (+) des Vollweggleichrichters (102) und über ein Spannungsstabilisierglied (112) und einen zu diesem parallelgeschalteten Kondensator (114) relativ geringer Kapazität mit dem anderen Gleichrichteranschluß (-) verbunden ist, wobei die Zeitkonstanten der Netzspannungszuleitungswege zum Eingang des Schmitt-Triggers (110) und zum Betriebsspannungskreis (108, 109) derart unterschiedlich ausgelegt sind, daß sich ein Netzspannungsausfall zuerst am Signaleingang (125) des Schmitt-Triggers (110) und eine Netzspannungswiederherstellung zuerst im Betriebsspannungskreis (108, 109) auswirkt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmitt-Trigger (110), das UND-Verknüpfungsglied (20) und die Zähleranordnung (21) aus Bauelementen, z. B. CMOS-Bauelementen, geringer Leistungsaufnahme aufgebaut sind und daß der Digital/Analog-Wandler hochohmige Eingänge hat.