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Verfahren und Einrichtung zur Fernsteuerung von elektrischen Schaltvorrichtungen
In der Elektrotechnik besteht vielfach die Aufgabe, mit kleinen elektrischen Steuerleistungen
Schaltvorrichtungen fernzusteuern, die zu ihrer Betätigung mehr Leistung benötigen,
als die Steuerleistung beträgt. Durch Anwendung der bekannten Elektronenröhrenverstärker
gelingt es z. B., die genannte Aufgabe zu lösen. Da Elektronenröhren jedoch nur
eine beschränkte, verhältnismäßig kleine Lebensdauer besitzen, wird in vielen Fällen
die Anwendung vonElektronenröhrenverstärkern praktisch nicht möglich sein.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Fernsteuerung
von elektrischen Schaltvorrichtungen in elektrischen Energieverteilnetzen nach dem
Impulszahl- oder Impulsintervallverfahren mittels überlagerter tonfrequenter Steuerimpulse,
bei welchem von der Steuerstelle übertragene elektrische Steuerenergie auf der Empfängerseite
in einem elektrischen Kondensator für elektrische Energie gespeichert wird, und
besteht darin, daß die gespeicherte Energie in kürzerer Zeit, als die Aufladung
des Speichers dauerte, aber dafür mit größerer Leistung zur Betätigung eines Steuerorgans
abgegeben wird und anderseits durch einen Hilfskontakt die Wiederaufladung des Speicherkondensators
durch ein und denselben Steuerimpuls für die Dauer eines möglichen Steuerimpulses
verhindert und somit eine zweite
fehlerhafte Betätigung des Steuerorgans
ausgeschlossen wird. Auf diese Weise ist ermöglicht, Schaltvorrichtungen ohne Elektronenröhrenverstärker
mit wesentlich kleinerer Leistung zu steuern, als dieselben sonst zu ihrer Betätigung
benötigen würden. Dieses Verfahren benutzt die Tatsache, daß Schaltvorrichtungen
zu ihrer Betätigung eine gewisse Leistung nur während sehr kurzer Zeit (Bruchteile
von Sekunden) benötigen, während die Steuerleistung in vielen Fällen während bedeutend
längerer Zeit zur Verfügung steht oder zur Verfügung gestellt werden kann. Gelingt
es nun, die Steuerleistung P, während einer gewissen verhältnismäßig langen Zeit
t, wirken zu lassen und die Steuerenergie aufzuspeichern und nachher mit der aufgespeicherten
Arbeit A, = P, - t, die Schaltvorrichtung in der verhältnismäßig kurzen Zeit
tR zu betätigen, so ist die nunmehr zur Betätigung vorhandene Leistung PR theoretisch
um den Quotienten tR größer als die ursprüngliche Steuerleistung P.. Praktisch wird
der Speichervorgang immer gewisse Verluste bedingen, die durch einen Wirkungsgradfaktor
q (immer kleiner als i) erfaßt werden können. Wo eine gleichzeitig mit dem Fernsteuerbefehl
einsetzende Betätigung einer Schaltvorrichtung nicht notwendig ist, ersetzt also
das beschriebene Speieherverfähren einen Verstärker mit dem Leistungsverstärkungsfaktor
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei welcher Einrichtung zur Speicherung elektrischer Steuerenergie eine
Speichervorrichtung dient, die an einen zwecks Abgabe der gespeicherten Energie
vorübergehend sich schließenden Stromkreis angeschlossen ist.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Schaltung sei im folgenden
der Empfänger einer beispielweisen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben. Es zeigt Fig. i das Schaltbild des Empfängers, Fig. 2 das
Schaltbild einer Zusatzeinrichtung dieses Empfängers und Fig. 3 ein Impuls-Zeit-Diagramln.
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Soll das Klinkenrad 18 des in Fig. i dargestellten Schrittschaltwerkes
um einen Schritt vorwärts geschaltet werden, so wird über die Steuerleitung i während
einer bestimmten Zeit t, eine Steuerspannung an die Klemmen 2 und 3 der Empfangseinrichtung
angelegt. Im Gleichrichter .I erfolgt eine Gleichrichtung der Steuerspannung, worauf
dieselbe über einen Widerstand 5 zu einem Kondensator 6 geleitet wird. Der Kondensator
6 wird von der (gleichgerichteten) Steuerspannung geladen, da der Kontakt 1.4 des
Hilfsrelais 12 normalerweise geöffnet ist und da das vom Licht- oder Kraftnetz 7,
8 über den Gleichrichter g gespeiste Hilfsrelais 12 den Kontakt 14. nur periodisch
für kurze Zeit schließt. Die Zeitdauer einer solchen Periode sei th, die Schließungsdauer
des Kontakts t,14, die Öffnungsdauer t"4' Das. periodische Schließen der Kontakte
13, 14 des Relais 12 kommt dadurch zustande, daß seine Erregerwicklung vom netzgespeisten
Gleichrichter 9 über den Hilfskontakt 13 nur Strom erhält, wenn der Anker des Relais
12 abgefallen ist. Gleichzeitig erfolgt bei abgefallenem Anker eine Aufladung des
Kondensators i i. Ist dieser genügend aufgeladen, so zieht das Relais 12 an und
unterbricht mit seinem Kontakt 13 seine Erregung vom Gleichrichter g. Über seine
Erregerwicklung entlädt sich aber noch der Kondensator i i. Das hat zur Folge, daß
der Anker des Relais 12 erst abfällt, wenn der Entladestrom so klein geworden ist,
daß er nicht mehr genügt, den Anker zu halten. Fällt der Anker ab, so beginnt das
Spiel von neuem. Ist nun während der Öffnungszeit to 14 des Kontaktes 14 der Kondensator
6 durch eine Steuerspannung aufgeladen worden, so entlädt. sich der Kondensator
6 während der nächsten Schließungszeit t,14 des Kontaktes 14 über die Erregerspule
15 eines Schrittschaltwerkes. Der mit dem drehbar gelagerten Hebel 16 verbundene
Anker 16" zieht auf, Die an den Hebel 16 angelenkte Klinke 17 wirkt bei ihrer Bewegung
auf das Klinlcenra.d 18 ein und dreht dasselbe um eine Zahnteilung vorwärts. Beim
Wiederabfallen des Ankers 16" und beim gleichzeitigen Zurückgleiten der Klinke 17
verhindert eine aus einem Sperrhebel 2o, seiner Lagerung 21 und einer Feder 22 bestehende
Sperrvorrichtung -ein Zurückdrehen des Klinkenrades 18.
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Auf der Welle i9, die fest mit dem Klinkenrad 18 verbunden ist, sitzt
ferner ein Nockenrad 23, das einen Federsatz, bestehend aus Kontaktfedern 24, 25
und 26, nach einem bestimmten, der Nockenform entsprechenden Programm betätigt.
An den Klemmen 27, 28 und a9 können die letzten Endes zu steuernden Schalteinrichtungen
angeschlossen werden. Es ist selbstverständlich möglich, auf die Welle i9 eine größere
Anzahl von Nockenrädern zu montieren und jedem Nockenrad mehrere Kontaktfedersätze
zuzuordnen, so daß ohne weiteres auch die kompliziertesten Schaltprogramme ausgeführt
werden können.
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Ferner können an Stelle der Nockenräder mit Federsätzen irgendwelche
andere Formen von Drehschaltern benutzt werden.
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Damit jeder Steuerimpuls, wie erforderlich, eine und nur eine Betätigung
des Relais 15 zur Folge hat, sind die im folgenden aufgeführten Bedingungen in bezug
auf die Impulsdauer t" die Schließungsdauer t,14 und die Öffnungszeit to14
zu er-
füllen. Das in Fig. 3 dargestellte Impuls-Zeit-Diagramm läßt diese
Bedingungen leichter erkennen. Die schraffierten Flächen im oberen Diagramm 14 Stellen
die Schließungszeiten t,14 des Kontaktes 14 dar, während die leeren Zwischenräume
dessen Öffnungszeiten t,14 veranschaulichen. Im zweiten Diagramm t, sind einige
Steuerimpulse durch schraffierte Flächen dargestellt, wobei deren Beginn in bezug
auf die zeitliche Lage der Schließungs-und
Öffnungszeiten t514
und t114, wie dies iin praktischen Betrieb der Fall sein wird, ganz willkürlich
gewählt ist.
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Die Öffnungszeit t114 des Bontaktes 14 ist .so gewählt, daß während
dieser Zeit der Speicherkondensator 6 bei minimal zulässiger Steuerspannung gerade
noch .genügend aufgeladen wird, um währ°nd der folgenden Entladung in der Zeit t'
14 das Relais 15 zu betätigen. Damit nun jeder Steuerimpu:lis tatsächlich eine Betätigung
des Relais 15 auslösen kann, muß die Impulsdauer t, mindestens so groß gewählt werden,
daß ganz unabhängig vom Impulsbeginn mindestens während einer vollen Öffnungszeit
t114 die Steuerspannung an den Kl.emmen 2 und 3 liegt.
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Wie aus dem Impuls-Zeit-Diagramm in Fi-g.3 ersichtlich ist, ist diese
Bedingung nur erfüllt, wenn .t5@2to14+ts14 ist.
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Je nachdem der Kontakt 14 sich nun nach Beginn eines Steuerimpulses
t, erstmals zu einer Zeit schließt, während welcher bereits eilte genügende Ladung
des Speicherkondensators 6 stattgefunden hat oder nicht, schaltet das Schrittschaltwerk
bereits beim .ersten Schließen des Kontaktes 14 oder aber erst beim zweiten Schließen
des Kontaktes 14. Selbst bei minimaler noch zulässiger Steuerspannung ist mindestens
ein einmaliges Arbeiten des Relais 15 durch einen Steuerimpuls von der Dauer ts
= 2 to 14 +t514 gewährleistet, da j a immer mindestens .eine Öffnungszeit
t114 vom Steuerimpuls t, voll überdeckt wird. Ist die effektive Steuerspannung größer
als die minimal notwendige, so wird der Speicherkondensator bereits in einer kürzeren
Zeit als t114 genügend aufgeladen, um bei seiner Entladung das Relais 15 betätigen
zu können. Das hätte zur Folge, daß ein Steuerimpuls genügender Spannung unzulässigerweise
mehr als eine Betätigung des Relais 15 auslösen könnte.
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Um solche Fehlschaltungen zu vermeiden, dient die folgende, ebenfalls
in Fig. i dargestellte Hilfsvorrichtung: Auf der Welle i9 sitzt noch das N ockenrad
3o, das zwei Umschaltfedersätze 3 i, 32, 33 und 34, 35 und 36 betätigt. Das Nockenrad
ist so ausgebildet, daß bei jedem Schritt des Klinkenrades 18 die Kontaktfedern
3i und 34 umgelegt werden. In. der gezeichneten Stellung wird der Kondensator 37
vom netzgespeisten Hi.lfsgleichri.chter 9 über die Kontaktfedern 31 und 32 aufgeladen.
Schaltet nun unter der Einwirkung eines Steuerimpulses das Schrittschaltwerk um
einen Schritt, so wird der Kondensator 37 über die nunmehr geschlossenen Kontaktfedern
31 und 33 auf die Erregerwicklung des Relais 39 geschaltet. Der Kondensator 37 entlädt
sich über diese Erregerwicklung, das Relais 39 zieht auf und schließt mit seinem
Kontakt 40 den Kondensator 6 kurz. Dimensioniert man den Kondensator 37 und die
Erregerwicklung des Relais 39 so, daß das Relais 39 durch den Kondensatoren rladestrom
mindestens so lange oder länger als die Steuerzeit t, aufgezogen bleibt, so kann
die vorstehend beschriebene Fehlschaltung nicht mehr auftreten, da eine zweite Rufladung
des Kondensators 6 durch den geschlossenen Kontakt 4o verhindert wird. In dieser
neuen Stellung des Schrittschaltwerkes wird über die Kontaktfedern 34 und 35 der
Kondensator 38 geladen, der sich dann nach dem nächsten Schritt über die Kontakf.edern
34 und 36 über die Erregerwicklung des Relais 39 entlädt, dessen Kontakt
10 wiederum während der gewünschten Zeit den Kondensator 6 kurzschließt.
Die Kondensatoren 37 und 38 werden also bei jedem Schritt des Schaltwerkes abwechslungsweise
entweder geladen oder über das Relais 39 'entladen.
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Die Anwendung dieser Hilfsvorrichtung zur Vermeidung von Fehlschaltungen
bedingt selbstverständlich, diaß bei der gewollten Durchgabe von zwei. oder mehreren
Steuerimpulsen zwischen den einzelnen Impulsen mindestens so lange gewartet wird,
his das vom vorhergehenden Impuls betätigte Relais 39 wieder abgefallen und damit
die Kurzschließung des Kondensators 6 wieder aufgehoben ist.
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In vielen praktischen Fällen, besonders dann, wenn sehr wenig Steuerleistung
zur Verfügung steht, ist es zweckmäßig, den Kondensator 6 nicht direkt über die
Erregerspule 15 des Schrittschaltwerkes zu entladen, sondern mit dem Entladestrom
des Kond@ensators.6 ein hochempfindlicb-es Relais zu betätigen., das seinerseits
mit Hilfe seiner Kontakte und, eines netzgespeisten Hilfsgleichrichters das eigentliche
Schrittschaltwerk antreibt.
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In Fig. 2 ist eine weitere Hilfsvorrichtung der Einrichtung dargestellt,
die es ermöglicht, von einer zentralen Steuerstelle aus durch eine Reihe von Steuerimpulsen
.eine ;größere Zahl von Schrittschaltwerken in eine bestimmte Nullstellung zu befördern,
selbst dann, wenn die ursprünglichen Stellungen der einzelnen Sclrrittschaltwerke
der zentralen Stelle unbekannt und voneinander verschieden sind. Diese Möglichkeit
ist deshalb von Bedeutung, weil sie es der zentralen Stelle erlaubt, voll Zeit zu
Zeit alle von ihr gesteuerten Schrittschaltwerke sicher in eine Nullstellung zu
bringen, womit eventuell vorgekommene Schaltfehler auskorrigiert werden.
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Auf der Welle i9 sitzt ein weiteres Nockenrad, das nur einen einzigen
Nocken an einer mit einem Strich und einer Null bezeichneten, Nullstellung des Schrittschaltwerkes
aufweist. Befindet sich das Schrittschaltwerk nicht in der Nullstellung, so wird
der Kondensator 45 vom netzgespeisten Hilfsgleichrichter 48 über Kontaktfedern 43
und 44 .aufgeladen. Sobald aber das S-chrittschaltwerk den letzten Schritt zur Erreichung
seiner Nullstellung getan hat, wird der geladene Kondensator 45 mittels der Schaltfeder
.43 auf die Kontaktfeder 42 umgeschaltet, so daß er sich über die Erregerwicklung
des Relais 46 entlädt. Das Relais 46 zieht auf und schließt mit seinem Kontakt 47
den Kondensator 6 so lange kurz, bis der ständig kleiner werdende Entladestrom des
Kondensators 45 das Relais 46 nicht mehr halten kann. Solange der Kondensator 6
kurzgeschlossen ist, kann somit das Schrittschaltwerk
auch beim
Vorhandensein von, Steuersignalen nicht weiterschalten. Hat nun das Schrittschaltwerk
einschließlich seiner Nullstellung n Stellungen und dimensioniert man den Kondensator
46 so, daß er mit seinem Entladestrom das Relais 4.7 mindestens so lange halten
kann, bis von einer Steuerstelle aus tt-i Steuerimpulse ordnungsgemäß durchgegeben
sind, so können von dieser Steuerzentrale aus durch die ordnungsgemäße, unimittelbar
hintereinanderfolgende Durchgabe von n Steuerimpulsen alle angeschlossenen Schrittschaitwerke
in die Nal:lstellung gebracht werden. Die ursprünglichen Stellungen der Schrittschaltwerke
sind dabei ohne Bedeutung und müssen auch der Steuerzentrale nicht bekannt sein,
da jedes Sc hrittschaltwerk nach Erreichung der Nullstellung durch .die Kurzschließung
seines Konidenis.ators 6 mindestens für die Zeit der noch folgenden Impulse unempfindlich
ist.
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Die Anwendung dieser Hilfsvorrichtung bedingt allerdings, daß nach
jeder Durchgabe eines Steu.ersignal,s, das die Schritüschaltwerke im die Nullstellung
gebracht hat, bis zur Durchgabe eines weiteren Signals, das die Schaltwerke wieder
betätigen soll, mindestens so lange gewartet wird, bis das Relais 46 wieder abgefallen
ist und damit den Kurzschluß des Kondensators 6 aufgehoben hat.
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Inder praktischen Ausführung der beschriebenen Einrichtung können
an Stelle der Relais 39 und 46, der Kontakte .4o und: 4.7 oder der Hilfsgleichrichter
9 und 48 ohne weiteres ein gemeinsames Relais, ein gemeinsamer Kontakt oder ein
gemeinsamer Hilfsgleichrichter verwendet werden.
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Eine vielseitige praktische Anwendung der beschriebenen Einrichtung
isst in Verteilernetzen von Elektrizitätswerken. die Fernsteuerung von Sperrschaltern
sowie von Zählertarifumschaltern, aber auch die ferngesteuerte Schaltung von Straßenlampen,
Treppenhausbeleuchtungen und anderen mehr.
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Durch Anwendung von -elektrischen Frequenzweichen .auf .der Sende-
und Empfangsseite können hierbei die Steuerspannungen als ton- oder hochfrequente
Wechselspannungen über das Verteilernetz selbstgeleitet werden, womit separate Steuerleitungen
überflüssig werden.
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Ferner könnte der Kontakt 14 statt durch das Relais 12 durch einen
Elektromotor periodisch kurzzeitig .geschlossen werden.
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In den beschriebenen Hilfseinrichtungen zur Vermeidung von zwei Schaltungen
durch einen Steuerimpuls und zum Rückstellen in die Nullstellung wird -ein unerwünschtes
Weifierschalten Mets durch ein Kurzschließen der Speicherkondensators 6 bewerkstelligt.
Selbstverständlich kann die Verhinderung dieses Weiterschaltens auch durch einen
anderen geeigneten- Kurzschluß, durch .eine zweckdienliche Unterbrechung oder durch
eine geeignete Veränderung irgendeines Schaltelementes oder Stromkreises der zum
Weiterschalten' notwendigen Vorrichtung erreicht werden.