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Selbsttätig arbeitende Vorrichtung zur Überwachung von Stromverbrauchern
In Stromlieferungsverträgen wird vielfach bestimmt, daß erhöhte Gebührensätze in
Kraft treten, wenn die Arbeitsaufnahme des Stromverbrauchers innerhalb eines. bestimmten
Zeitabschnittes, z. B. 1/4 Stunde, einen gewissen Wert (kW/Stdn.) überschreitet
(Maximumtarif). Der Stromabnehmer ist deshalb, daran interessiert, daß der vereinbarte
höchstzulässige' Verbrauch nicht überschritten wird. Es sind bereits Einrichtungen
bekannt, welche ein Signal geben oder entbehrliche Stromverbraucher abschalten,
sobald die Gefahr besteht, daß das vereinbarte Maximum überschritten wird. Bei einer
Anzahl dieser Einrichtungen wird der Arbeitsverbrauch, der bei dauernder gleichmäßiger
Belastung gerade den maximal zulässigen Arbeitsverbrauch ergeben würde, mit dem
tatsächlichen Arbeitsverbrauch verglichen. Sobald der tatsächliche Arbeitsverbrauch
den bei maximaler Belastung entstehenden Arbeitsverbrauch überschreitet, wird ein
Signal gegeben, oder es werden entbehrliche Stromverbraucher abgeschaltet.
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Bei anderen Einrichtungen zur Verhütung des Überschreitens des vereinbarten
Maximums wird der Überverbrauch, d. h. die Differenz zwischen dem tatsächlichen
Arbeitsverbrauch und dem Arbeitsverbrauch, wie er bei maximal zulässiger Belastung
entstehen würde, mit dem Wert verglichen, der durch Abschalten von Stromverbrauchern
noch erspart werden kann. -In vielen Fällen werden die Verhältnisse so liegen, daß
man im Notfall alle Stromverbraucher bis auf wenige unentbehrliche Stromverbraucher,
deren mittlere oder höchste Leistungsaufnahme bekannt ist, abschalten kann. Man
wird z. B. oft alle Stromverbraucher mit Ausnahme der Beleuchtung abschalten können.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, welche in den Fällen,
wo die mittlere oder höchste Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher
bekannt ist, in besonders einfacher Weise die Abgabe eines Warnungssignals oder
die Abschaltung der entbehrlichen Stromverbraucher ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird eine selbsttätig arbeitende Vorrichtung verwendet,
die im Verlauf der Meßperiode einerseits den tatsächlichen Arbeitsverbrauch, anderseits
die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Arbeitsverbrauch und dem jeweils bis
zum Ende der Maximumperiode durch die unentbehrlichen Stromverbraucher entstehenden
mittleren oder höchsten Arbeitsverbrauch ermittelt und bei Gleichheit der ermittelten
Werte anspricht.
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Ist die tatsächliche Leistungsaufnahme der entbehrlichen Stromverbraucher
nicht bekannt, sondern nur ihr Maximalwert, so kann man zunächst auch nur einen
Teil der entbehrlichen Stromverbraucher abschalten und mit der Abschaltung der übrigen
Stromverbraucher zunächst
eine kurze Zeit warten, weil die Möglichkeit
besteht, daß es nicht notwendig ist, noch weitere Stromverbraucher abzuschalten,
weil die Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher genügend gering
ist.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung sei zunächst
an Hand der Fig. i näher erläutert. Diese Abbildung zeigt ein Diagramm, bei dem
der Arbeitsverbrauch in Kilowattstunden (kW/Stdn.) in Abhängigkeit von der Zeit
(T) dargestellt ist. Der Beginn der Maximumperiode ist mit i, das Ende mit 2 bezeichnet.
Das Maß 3 zeigt den innerhalb der Maximumperiode höchstzulässigen Arbeitsverbrauch
an. Die Linie q. stellt den Verlauf des Arbeits= verbrauches dar, wie er bei gleichmäßiger
höchstzulässiger Belastung entstehen würde. Die gestrichelte Linie 5 stellt den
Arbeitsverbrauch dar, der bei der mittleren oder höchsten Leistungsaufnahme der
unentbehrlichen Stromverbraucher entstehen würde. Das Maß 6 gibt den höchsten Arbeitsverbrauch
der unentbehrlichen Stromverbraucher am Ende der Maximumperiode an. Führt man durch
den mit 7 bezeichneten Punkt eine Horizontale, die in Fig. i mit 8 bezeichnet ist,
so ist der in einem beliebigen Zeitpunkt gewählte. Abstand zwischen dem diesem Zeitpunkt
zugeordneten Punkt der Linie 5 und dem darüberliegenden Punkt der Linie 8 gleich
dem Arbeitsverbrauch, der bis zum Ablauf der Maximumperiode durch die unentbehrlichen
Stromverbraucher noch entstehen würde; denn dieser Betrag, der beispielsweise in
der Fig. i durch das Maß 9 dargestellt wird, entspricht der Differenz zwischen dem
schon aufgelaufenen Arbeitsverbrauch (Maß 9') und dem maximal entstehenden Arbeitsverbrauch
(Maß 6), der durch die unentbehrlichen Stromverbraucher verursacht wird. Bildet
man die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Arbeitsverbrauch, der durch das
Maß 3 dargestellt ist, und dem Arbeitsverbrauch, der bis zum Ende der Maximumperiode
durch die unentbehrlichen Stromverbraucher noch verursacht wird (Ordinaten der senkrecht
schraffierten Fläche, Fig. i), so erhält man die Linie io. Diese Linie stellt also
die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Arbeitsverbrauch und dem Arbeitsverbrauch
dar, der durch die unentbehrlichen Stromverbraucher bis zum Ende der Maximumperiode
noch verursacht wird. Es sei angenommen, daß der tatsächliche Arbeitsverbrauch den
durch die Linie ii dargestellten Verlauf zeigt. In dem mit 12 bezeichneten Schnittpunkt
wird dann ein Signal gegeben, oder es werden die entbehrlichen Stromverbraucher
abgeschaltet. Es ist leicht einzusehen, daß nach dem Abschalten der entbehrlichen
Stromverbraucher der noch entstehende Arbeitsverbrauch nicht zur Überschreitung
des Maximums führt; weil die Differenz zwischen dem bereits aufgelaufenen Arbeitsverbrauch
und dem maximalen Arbeitsverbrauch, die in Fig. i durch das Maß 13 bezeichnet ist,
nur der Arbeit entspricht, die von dem Zeitpunkt, an welchem sich die Linie io und
die Kurve ii schneiden, bis zum Ende der Maximumperiode noch verbraucht wird.
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Der Schnittpunkt der Linie io und der Kurve ii läßt sich in der Weise
ermitteln, daß man zwei Kontakte verwendet, von welchen der eine entsprechend den
Ordinaten der Linie io und der andere entsprechend den Ordinaten der Kurve ii bewegt
wird. Dem Schnittpunkt der beiden Linien entspricht dann eine Berührung der beiden
Kontakte, durch die dann ein Signal ausgelöst oder die Abschaltung der entbehrlichen
Stromverbraucher v eranlaßt werden kann.
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Fig. 2 zeigt im Zusammenhang mit Fig. i eine solche Kontaktanordnung.
Der Kontakt 1q wird so bewegt, daß der Abstand von seiner Ausgangslage, die durch
den Anschlag 15 festgelegt ist, dem jeweiligen Arbeitsverbrauch, d. h. den Ordinaten
der Kurve ii entspricht. Die Bewegungsgeschwindigkeit muß dann der tatsächlichen
Leistungsaufnahme proportional sein. In Fig.2 ist dies durch die Gleichung v = K
. L angedeutet, wobei v die Geschwindigkeit, L die tatsächliche Leistungsaufnahme
und K eine Konstante bedeuten, über die weiter unten Näheres ausgesagt wird. Der
Kontakt 16 wird entsprechend dem Verlauf der Linie io bewegt. Der Anfangspunkt der
Bewegung muß entsprechend dem Diagramm nach Fig. i in der Bewegungsrichtung des
Kontaktes 1q. örtlich versetzt sein. Seine Geschwindigkeit wird so gewählt, daß
sie der mittleren oder höchsten Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher
entspricht. Seine Geschwindigkeitv ist durch die Gleichung v = K # L, gegeben, wobei
L, die mittlere oder höchste Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher
und K die gleiche Konstante bedeuten wie für die Bewegung des Kontaktes 1q.. Der
Abstand der Kontakte sowie die Konstante werden entsprechend den Maßen 3, 6 des
Diagramms nach Fig. i so gewählt, daß sich die Kontakte am Ende der Maximumperiode
eben berühren würden, wenn die höchstzulässige Belastung eingeschaltet ist. Aus
Sicherheitsgründen wird man eine Berührung der Kontakte etwas früher herbeiführen,
um sicher zu vermeiden, daß das Maximum überschritten wird.
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Bei praktischen Ausführungen wird man die Kontakte nicht längs einer
geraden Linie bewegen, sondern auf einer Kreisbahn.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art der Erfindung zeigt die Fig. 3.
Die bereits in Fig. 2 gezeichneten Kontakte 1q. und 16 tragen die gleichen Zahlen.
Der Kontakt 1q. wird über die magnetische Kupplung 17 von dem Wattstundenzähler
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angetrieben, der den gesamten Leistungsverbrauch der Anlage mißt. Das Übersetzungsverhältnis
wird mit Rücksicht auf den Abstand der Nullagen der Kontakte 14 und 16 nach den
bei der Beschreibung der Fig, i und z gegebenen Gesichtspunkten gewählt. Der Kontakt
16 wird über die magnetische Kupplung 18 von einem Zeitwerk mit konstanter Geschwindigkeit
angetrieben. Zu diesem Zweck dient bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung der
Ferrarismotor 1g. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kontaktes 16 entspricht der mittleren
oder höchsten Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher. Die Bewegungsrichtung
der Kontakte ist durch die Pfeile 2o angedeutet. Die magnetischen Kupplungen 17,
18 erhalten Strom über die von einem Zeitwerk angetriebene Kontaktscheibe 21, durch
die am Ende der Maximumperiode der Strom zu den magnetischen Kupplungen unterbrochen
wird. In diesem Augenblick gehen die Kontakte 14 und 16 unter dem Einfluß der Federn
22 und 23 in ihre Ruhelage zurück. Der Kontakt 16 legt sich an den zweckmäßig einstellbaren
Anschlag 24, dessen_ Lage entsprechend dem mittleren oder höchsen Arbeitsverbrauch
der unentbehrlichen Stromverbraucher eingestellt wird. Bei einer Verstellung dieses
Anschlages muß auch gleichzeitig die Umlaufsgeschwindigkeit des Motors 1g so geändert
werden, daß der Kontakt 16 am Ende der Meßperiode die dem maximalen Arbeitsverbrauch
entsprechende Lage einnimmt.
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Bei der in Fig.3 dargestellten Anordnung entspricht der Widerstand
25 den unentbehrlichen Stromverbrauchern. Die Größe des Widerstandes kann veränderlich
sein, jedoch ist die mittlere Größe des Widerstandes oder der kleinste Wert (maximale
Leistungsaufnahme) bekannt. Mit einem mittleren Werte dieses Widerstandes wird man
natürlich nur rechnen können, wenn mit einiger Sicherheit zu erwarten ist, daß größere
Abweichungen von diesem Mittelwert nicht auftreten. Die Leistungsaufnahme dieses
Widerstandes entspricht dem Wert La. Die entbehrlichen Stromverbraucher sind mit
26 und 27 bezeichnet. Die Summe ihrer Leistungsaufnahmen entspricht dem Werte L..
Es sei angenommen, daß man- die dem Widerstand 26 entsprechenden Stromverbraucher
möglichst lange in Betrieb halten will und man daran interessiert ist, zunächst
zu versuchen, eine Überschreitung des vereinbarten Maximums durch Abschalten der
dem Widerstand 27 entsprechenden Stromverbraucher -zu vermeiden. Um die Abschaltung
der Widerstände 26, 27 zu erreichen, sind mit den Kontakten 14 und 16 die Spulen
des Relais 28 und des Verzögerungsrelais 29 in Reihe geschaltet. Bei der Erregung
der Wicklung des Relais 28 wird die Sperrung des Schalters 3o ausgelöst, so daß
der Stromverbraucher 27 abgeschaltet wird. Da die Relais 28, 29 in Reihe geschaltet
sind, so wird nach einer bestimmten, zweckmäßig einstellbaren Zeit auch das Relais
29 seine Kontakte schließen und dadurch den Magnetschalter 31 auslösen, so daß auch
der Stromverbraucher 26 abgeschaltet wird. Man kann den Schalter 31 ebenso ausbilden
wie den Schalter 30, so daß der Schalter nach seiner Auslösung so lange geöffnet
bleibt, bis er von Hand oder durch eine besondere Vorrichtung wieder geschlossen
wird. An Stelle des Schalters 30 kann auch ein Schalter treten, der nach
dem Öffnen der Kontakte 14 und 16 den Stromkreis ebenso wie der Schalter 31 wieder
schließt.
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Die Anordnung arbeitet in folgender Weise: Zu Beginn der Maximumperiode
erhalten die magnetischen Kupplungen 17 und 18 Strom. Dadurch wird der Kontakt 14
mit einer der tatsächlichen Leistungsaufnahme entsprechenden Geschwindigkeit in
Bewegung gesetzt. Gleichzeitig setzt sich auch der Kontakt 16 in Bewegung mit einer
Geschwindigkeit, die der mittleren oder höchsten Leistungsaufnahme der unentbehrlichen
Stromverbraucher 25 entspricht. Sobald sich die Kurven 1o und 1i (Fig. i) schneiden,
kommen die Kontakte aus den bereits erläuterten Gründen in Berührung. Dadurch wird
zunächst der Schalter 3o unter dem Einfluß der Spule 28 geöffnet und der Stromverbraucher
27 abgeschaltet. Wenn nun die Leistungsaufnahme des Stromverbrauchers 25 kleiner
ist als der Mittelwert oder kleiner als der Höchstwert und die Überlastung nicht
allzu groß war, so wird dies nach kurzer Zeit dazu führen, daß sich die Kontakte
14 und 16 öffnen, weil der Kontakt 14 zurückbleibt. Findet eine genügende Entlastung
jedoch nicht statt, so spricht das Zeitrelais ,-;>9 an und schaltet auch den Stromverbraucher
26 ab. Die Verzögerung, mit der die Abschaltung des Stromverbrauchers 26 stattfindet,
muß natürlich bei der Bemessung der Umlaufsgeschwindigkeiten der Kontakte 14 und
16 in der Weise berücksichtigt werden, daß wegen der dadurch bedingten Verzögerung
der Abschaltung noch keine Überschreitung des Maximums stattfindet.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig.2 und 3 wurde als Ausgangspunkt
für die Bewegung der Kontakte die Abszissenachse des Diagramms nach Fig. i gewählt.
Man kann die Bewegung der Kontakte auch auf eine beliebig andere Linie des Diagramms
nach Fig. i beziehen. Man kann beispielsweise als Bezugslinie die Linie 4 verwenden.
Die sich dabei ergebenden Verhältnisse sind aus den Diagrammen nach Fig. 4 und 5
zu ersehen. Die mit Fig. i übereinstimmenden Linien tragen die gleichen Bezugszeichen.
Den Schnittpunkt der Linien io und 1i kann man beispielsweise ermitteln, wenn man
den senkrechten Abstand der Linien 4 und
ii mit dem senkrechten
Abstand der Linien 4 und io im gleichen Zeitpunkt vergleicht. Sobald die beiden
Abstände übereinstimmen, müssen in der gleichen Weise wie bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 2 und 3 die entbehrlichen Stromverbraucher abgeschaltet werden. In Fig.
5 sind die Abstände der Linien 4 und ii bzw., 4 und io in einem rechtwinkligen Koordinatensystem
dargestellt. Der senkrechte Abstand zwischen der Linie 4 und der Linie io entspricht,
wie ein Vergleich der schräg schraffierten Fläche Fig. 4 mit der durch Punkte bezeichneten
Fläche zeigt, dem Arbeitsverbrauch, der durch eine der Differenz zwischen der maximal
zulässigen Leistung und der mittleren oder höchsten Leistungsaufnahme der unentbehrlichen
Stromverbraucher entsprechende Leistung entstehen würde. Dagegen entspricht der
senkrechte Abstand zwischen den Linien 4 und ii dem Arbeitsverbrauch, der den Arbeitsverbrauch
übersteigt, der bei höchstzulässiger Belastung entsteht. Der Verlauf dieses Arbeitsverbrauches
ist in Fig. 5 durch die Kurve ii' dargestellt, während die Linie io' den Arbeitsverbrauch
darstellt; der verursacht wird durch die um die Leistung der unentbehrlichen Stromverbraucher
verminderte Maximalleistung. Der Schnittpunkt der Linien ii' und io', der zeitlich
mit dem Schnittpunkt der Linien io und ii (Fig. 4) zusammenfällt, kann mit Hilfe
von gegenläufigen Kontakten ermittelt werden.
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Fig. 6 zeigt in ähnlicher Weise wie Fig. 2 eine derartige Kontaktanordnung
in bezug zu dem Diagramm nach Fig. 5. Der Kontakt 34 wird mit einer Geschwindigkeit
bewegt, die der Differenz zwischen der tatsächlichen Leistung und der maximal zulässigen
Leistung entspricht. Diese Leistung wird im folgenden mit Lü bezeichnet. Die Geschwindigkeit
v des Kontaktes 34 ist also gleich v = K, Lü, wobei Kl eine Konstante ist.
Der Abstand des Kontaktes 34 von seiner Ausgangslage entspricht daher stets den
Ordinaten der Kurve ii'. Der Kontakt 36 wird gegen den Kontakt 34 mit einer Geschwindigkeit
bewegt, die gleich ist v = K; (L"Z L,), wobei L," die zulässige maximale Leistung
und Lo die mittlere oder maximale Leistungsaufnahme der unentbehrlichen Stromverbraucher
bedeutet. Der Abstand der Nullagekontakte entspricht unter Berücksichtigung der
Konstanten K1 der Differenz zwischen dem maximal zulässigen Arbeitsverbrauch und
dem mittleren oder maximalen Arbeitsverbrauch der unentbehrlichen Stromverbraucher
innerhalb der Maximumperiode. Eine Berührung der beiden Kontakte findet in dem dem
Schnittpunkt der Kurven io' -und ii' entsprechenden Zeitpunkt statt.
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Ebenso wie bereits bei der -Beschreibung der Fig. 2 erwähnt, wird
man bei praktischen Ausführungen die Kontakte 34 und 36 nicht auf einer geraden
Bahn, sondern auf einer Kreisbahn bewegen.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art zeigt Fig. 7. Die Überwachungskontakte
sind mit 34 und 36 bezeichnet. Der Kontakt 34 wird über die magnetische Kupplung
17 von dem Planetenrad des Differentialgetriebes 35 angetrieben. Das eine Sonnenrad
dieses Planetengetriebes wird mit konstanter Geschwindigkeit durch das Triebwerk
37 angetrieben, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die der maximal zulässigen Leistungsaufnahme
entspricht. Das andere Planetenrad wird von dem Fortschaltwerk 38 mit einer Geschwindigkeit
angetrieben, die der tatsächlichen Leistungsaufnahme entspricht. Das Fortschaltwerk
erhält die Impulse von dem umlaufenden Anker des Wattstundenzählers 39, der
in an sich bekannter Weise als Fernmeßsender ausgebildet ist. Die Umlaufgeschwindigkeit
des Ankers dieses Zählers ist der tatsächlichen Leistungsaufnahme proportional.
Eine einfache Überlegung zeigt, daß die Umlaufsgeschwindigkeit des Planetenrades
des Differentialgetriebes 35 der Differenz der maximalen Leistung und der tatsächlichen
Leistung entspricht, so daß die vom Beginn der Maximumperiode vom Kontakt 34 zurückgelegte
Wegstrecke dem Arbeitsverbrauch L=j entspricht, der den Arbeitsverbrauch übersteigt,
der bei der höchstzulässigen Maximalbelastung entstehen würde. Der Kontakt 36 wird
über die magnetische Kupplung 18 von dem als Ferrarismotor ausgebildeten Triebwerk
40 mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die der Differenz zwischen der Maximalleistung
L"1 und der mittleren oder höchsten Leistungsaufnahme L, der unentbehrlichen Stromverbraucher
entspricht. Die magnetischen Kupplungen 17, 18 werden in der gleichen Weise durch
ein Zeitwerk und die Kontaktscheibe 21 gesteuert wie bei der Einrichtung nach Fig.3.
Nach dem Lüften der Kupplungen 17 und 18 gehen die Kontakte 34 und 36 in
die Nullage zurück. Um Beschädigungen zu vermeiden, werden diese Kontakte zweckmäßig
nachgiebig, z. B. an Federn, befestigt. Der Abstand der Kontakte in ihrer Ruhelage
wird entsprechend dem Diagramm nach Fig. 5 gewählt und kann ebenso wie bei der Einrichtung
nach Fig. 3 einstellbar sein. Wenn die Kontakte 34, 36 in Berührung kommen, wird
der Schalter 41 geöffnet, durch den die entbehrlichen Stromverbraucher, die der
Übersichtlichkeit halber durch den Widerstand 4 ersetzt sind, abgeschaltet werden.
An Stelle der unentbehrlichen Verbraucher ist in der Fig. 7 der Widerstand 43 an
die Stromquelle angeschlossen. Ebenso wie bei der Einrichtung nach Fig. 3 können
mit Hilfe von Zeitrelais auch nacheinander mehrere entbehrliche Stromverbraucher
abgeschaltet werden. Die
Einrichtung nach Fig. 7 arbeitet in folgender
Weise Beim Beginn der Maximumperiode werden die magnetischen Kupplungen 17, 18 erregt.
Dadurch wird der Kontakt 34 mit dem Differentialgetriebe 35 und der Kontakt 36 mit
dem Triebwerk 40 gekuppelt. Die Umlaufgeschwindigkeit und Umlaufrichtung des Kontaktes
34 hängt von der Größe und Richtung der Differenz der höchstzulässigen Leistungsaufnahme
und dem Istwert L. -L ab. Wenn der tatsächliche Leistungsverbrauch L größer ist
als die zulässige Maximalleistung Lm, so bewegt sich der Kontakt 34 entgegen
dem Uhrzeigersinn. Der Kontakt 36 bewegt sich im Uhrzeigersinn entsprechend der
Linie io' der Fig. 5. Sobald sich die Kontakte 34 und 36 berühren, wird der Schalter
41 ausgelöst und die entbehrlichen Stromverbraucher abgeschaltet.
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Im allgemeinen wird die Linie io (Fig. i, 4 und 5) eine gerade Linie
sein. In Sonderfällen ist es auch denkbar, daß die Leistungsaufnahme der unentbehrlichen
Stromverbraucher eine bestimmte Abhängigkeit von der Zeit besitzt. In diesem Fall
kann an Stelle der Linie io auch eine gekrümmte Linie treten. Der Einfachheit halber
wird man aber möglichst versuchen, mit einer geraden Linie auszukommen.