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Verfahren zum Betrieb mehrerer Regeleinrichtungen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von n Regeleinrichtungen,
deren impul sbreitenno duli erte s Stellsignal jeweils durch Vergleich einer Regelabweichung
nit einen von einez Sägezahngenerator erzeugten Sägezahnsignal gewonnen ist und
deren Regeistrecken aus einer gemeinsamen Energiequelle gespeiste Verbraucher aufweisen,
unter Beeinflussung der zeitlichen Lage der Sägezahnsignale zueinander. Sie hat
zum Ziel, die Belastung der gemeinsamen Energiequelle möglichst gleichnißig und
niedrig zu halten. Diese Aufgabe stellt sich besonders bei größeren verstellten
Leistungen, beispielsweise bei Temperatur-Regeleinrichtungen, und bei in ihrer Leistung
begrenzten Netzen.
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Die gemeinsame Energiequelle kann ein elektrisches Gleichstromnetz
oder Wechselstromnetz beliebiger Phasenzahl sein. Insbesondere
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den Fall eines Wechselstrom-Speisenetzes besteht ein wichtiger Anwendungsfall für
Regeleinrichtungen mit impulsbreitenmodulierten Stellsignalen, wenn aufgrund hoher
Anforderungen an die Funkstörfreiheit einer Anlage die sonst oft angewandte Verstellung
durch Spannungsanschnittsteuerung unzulässig ist. Gerade in diesem Anwendungsfall
ist aber auch zu fordern, daß das Speisenetz möglichst selten mit möglichst geringen
Stroispringen belastet wird.
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Eine Bedingung, die für die Betriebssicherheit der Regeleinrichtungen
in Jedem Pall zu erfüllen ist, besteht darin, daß bei einem Ausfall der zur Beeinflussung
der zeitlichen &age der Sägezahnsignale vorgesehenen Mittel die einzelnen Regeleinrichtungen
ohne Unterbrechung und Störung weiterarbeiten müssen.
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Es ist eine die Sägezahngeneratoren mehrerer Regeleinrichtungen enthaltende
Schaltungsanordnung bekannt, bei der für alle Regeleinrichtungen frequenzgleiche,
aber gegeneinander phasenverschobene Sägezahnsignale erzeugt werden, und die die
für die Betriebssicherheit gestellte Bedingung erfüllt (deutsche Patentschrift 1
262 343). Dabei ißt eine gleichmäßigere Belastung des speisenden Netzes gegenüber
dem Fall erreicht, daß keine Beeinflussung der zeitlichen Lage der Sägezahnsignale
zueinander vorgenommen wird. Jedoch hat dieser Betrieb noch Unvollkommenheiten.
Die Anfänge der Säge zähne der Sägezahnsignale und damit die Anfänge der Arbeitspulse
der Stellsignale sind zwar gleichiäßig über die Zeit verteilt; da aber die Länge
der Ärbeitspulse bei den verschiedenen Regeleinrichtungen vollkommen verschieden
sein kann, liegt zwischen aufeinanderfolgenden Arbeitspulsen zweier hinsichtlich
ihrer Sägezahnsignale aufeinanderfolgender
Regeleinrichtungen entweder
eine Lücke, oder diese Arbeitspulse überlappen sich zeitlich. In beiden Fällen ergeben
sich zwei Stronsprünge, so daß bei n vorhandenen Regeleinrichtungen während der
Periodendauer der Sägezahnspannungen bis zu 2n Stromsprunge auftreten können.
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Hinzu kommt, daß die Frequenz der Signale, das heißt die Frequenz
der Sägezabusignale und die Impulsfolgefrequenz der Stellsignale aller Regeleinrichtungen
gleich sein müssen, was einer optimalen Anpassung dieser Frequenzen an die jeweiligen
Verhältnisse einzelner Regeleinrichtungen entgegensteht und größenordnungsmäßig
gleiche Zeitkonstanten aller Regelstrecken voraussetzt.
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Die Erfindung will unter Einhaltung der genannten Bedingung für die
Betriebssicherheit die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnung vermeiden. Es
wird dazu für ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß zumindest
den n-1 auf die erste Regeleinrichtung folgenden Regeleinrichtungen eine Schaltungsanordnung
zugeordnet ist, die jeweils durch ein des Sägezalingenerator dieser Regeleinrichtung
zugeführtes Folge signal den Beginn eines Sägezahnes dann auslöst, wenn nach dem
Ende eines Sägezahnes des Sägezahnsignals einer vorangehenden Regeleinrichtung deren
Stellsignal während einer gegenüber der Dauer des Sägezahnes kurzen Wartezeit unverändert
bleibt oder wenn ein Arbeitspuls des Stellsignals endet. Dieses Verfahren hat zur
Folge, daß sich die Arbeitspulse der Regeleinrichtungen, von gelegentlich auftretenden,
jedoch gegenüber den Zeitkonstanten des Speisenetzes vernachlässigbar kurzen Wartezeiten
abgesehen, lückenlos aneinander anschließt, so daß die Belastung des Speisenetzes
sehr gleichmäßig ist.
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Die Erfindung läßt im wesentlichen zwei verschiedene Ausgestaltungen
eu. Als erste Möglichkeit werden lediglich die
zweite bis n-te Regeleinrichtung
Jeweils mit Folgesignalen in Abhängigkeit von den Signalen der vorangehenden Regeleinrichtung
gesteuert. Damit bilden die Regeleinrichtungen eine Steuerkette, in der ausgehend
von den Signalen der ersten Regeleinrichtung Folgesignale weitergegeben werden,
so daß dem Sägezahngenerator der ersten Regeleinrichtung bei bestimmten Betriebzuständen
eine Taktgebereigenschaft zukommt. Die zweite Möglichkeit besteht darin, daß alle
Regeleinrichtungen Jeweils mit Folgesignalen in Abh « igkeit von den Signalen einer
vorangehenden gesteuert werden.
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Hier ist die Bezeichnung der ersten Regeleinrichtung willkürlich.
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Dementsprechend wird als erste Möglichkeit der Ausführung einer Schaltungseinrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Kette vorgeschlagen, daß Sä
ezahngeneratoren der zweiten bis n-ten Regeleinrichtung jeweils durch einen von
der zugeordneten Folgesignal-Schaltungsanordnung erzeugten Triggerimpuls als Folgesignal
triggerbar sind, und als zweite Möglichkeit als Kreis, daß die Sägezahngeneratoren
aller Regeleinrichtungen jeweils durch einen von der zugeordneten Folgesignal-Schaltungsanordnung
erzeugten Triggerimpuls als Folgesignal triggerbar sind, wobei der Sägez enerator
der ersten Regeleinrichtung in Abhängigkeit von Signalen n r letzten Regeleinrichtung
getriggert ist.
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Im Falle der Kette kann es wegen der erwähnten Taktgebereigenschaft
der ersten Regeleinrichtung günstig sein, als solche diejenige zu wählen, deren
Sägezahnsignal die höchste Frequenz aufweist.
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Die Jeweiligen Vorteile der Ausführungen als Kette d eis
sowie
weitere Ausgestaltungen der Erfindung seien ii Folgenen anhand der Zeichnung erläutert
Sie zeigt ausschnittsweise eine Anlage ait mehreren erfindungsgemäß betriebenen
Temperatur-Regeleinrichtungen, von denen die drei ersten Regeleinrichtungen 10,
20, 30 dargestellt sind. Jede weist einen Sägezahngenerator 11, 21, 31 und einen
Regler 12, 22, 32 auf, in den durch Vergleich der ihm zugeführten Regelabweichung
oder Regel differenz mit dei Sägezahnsignal ein impulsbreitenmoduliertes Stellsignal
erzeugt wird. Dieses entsprechend wird mittels eines Thyristorschalters 13, 23,
33 die volle Leistung eines mit Drehstrom gespeisten Reizregisters 149 24i 34 ein-
und ausgeschaltet. Dieses Schalten kann von zusätzlichen Bedingungen abhängig gemacht
sein.
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Im Fall der Ausführung als Kette sind nun erfindungsgemäß der zweiten
und dritten Regeleinrichtung 20, 30 sowie einer nicht gezeigten vierten Regeleinrichtung
und so fort Folgesignal-Schaltungsanordnungen 25, 35, 45 zugeordnet, die Jeweils
durch ein dei Sägezahngenerator 21, 31 usw. dieser Regeleinrichtungen 20, 30 usw.
zugeführtes Folgesignal den Beginn eines Säge zahnes in £bhängigkeit von den Signalen
der vorangehenden Regeleinrichtung 10, 20, 30 auslösen.
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Die Ausführung der Folgesignal-Schaltungsanordnung 25, 35, 45, die
beispielsweise einen Triggerimpuls als Folgesignal erzeugt, wenn nach dem Ende eines
Sägezahnes des Sägezahnsignals einer vorangehenden Regeleinrichtung deren Stellsignal
unverändert bleibt oder wenn ein Arbeitspuls dieses Stellsignals endet, ist auf
verschiedene Weis möglich.
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Für die Wartezeit gelten folgende, an einen Beispiel zu zeigende Überlegungen.
Nach den Ende eines Arbeitspulses des
Stellsignals der ersten Regeleinrichtung
10 soll durch ein Folgsignal im Normalfall ein Arbeitsimpuls bei der zweiten Regeleinrichtung
20 ausgelöst werden. Ändert sich deren Stellsignal daraufhin nicht, weil entweder
infolge eines zu niedrigen Istwertes der von ihr geregelten Temperatur ohnehin ein
Dauer-Arbeitssignal als Stellsignal ansteht, oder weil infolge eines zu hohen Istwertes
von dem Regler 22 kein Arbeitspuls erzeugt wird und somit das Heizregister 24 abgeschaltet
bleibt, dann soll ein weiteres Folgesignal einen Arbeitspuls bei der dritten Regeleinrichtung
30 auslösen, damit sich nun dieser Arbeitspuls - abgesehen von der Wartezeit - an
den Arbeitspuls der ersten Regeleinrichtung 10 anschließt. Die für die Folgesignal-Schaltungseinrichtung
35 maßgebliche Wartezeit muß also etwas länger sein als diejenige Zeit, die im Normalfall
nach den Ende eines Sägezahnes des vom Sägezahngenerator 21 erzeugten Sägezahnsignals
vergeht, bis der Regler 22 einen Arbeitspuls erzeugt. Dieser beginnt während des
Abklingens der hinteren steilen Flanko des Sägezahns, also innerhalb der Abklingzeit
- im allgemeinen in einer Zeit, die wesentlicher kürzer als die dreifache Zeitkonstante
dieses Abklingvorganges ist. Diese Zeit ist ihrerseits klein gegenüber der Dauer
eines Sägezahns. Demnach kann die Wartezeit mit der Abklingzeit gleichgesetzt werden.
Spätestens mit dem Ende eines Sägezahnes des Sägezahnsignals, von dem ausgehend
ein Signal "Wartezeit zu Ende" gewonnen ist, muß dieses Signal dann wieder verschwinden.
Entsprechendes gilt für die Bemessung der von der Folgesignal-Schaltungsanordnung
25 einzuhaltenden Wartezeit.
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Der Sägezahngenerator 11 kann von der üblichen Bauart sein, bei der
die an einem Kondensator ansteigende Spannung bei
Erreichen eines
Höchstwertes mittels eines Unijunction-Transistors abgeleitet wird, woraufhin dieser
wieder seinen nichtleitenden Zustand einnimmt, so daß ein neues Ansteigen der Spannung
am Kondensator, das heißt ein neuer Sägezahn, beginnt. Während des Entlade- oder
Abklingvorganges fließt dabei ein Basisstrom über den UniJunctioS2ransistor, wodurch
an einem Äusgangswiderstand Jeweils wahrend des Abklingvorganges ein Spannungsimpuls
hervorgerufen wird.
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Dieser Spannungsimpuls kann als Signal "Wartezeit" und sein Ende kann
als der Beginn eines Signals "Ende der Wartezeit" gedeutet werden. Diese Verhältnisse
sind für die Ausgangssignale des Sägezahngenerators 11 in der Figur angedeutet,
wobei die Länge der Abklingzeit und damit der Wartezeit gegenüber der Länge eines
Sägezahnes übertrieben groß dargestellt ist.
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Andere Möglichkeiten der Gewinnung eines Signals "Wartezeit zu Ende"
liegen darin, in Abhängigkeit von d¢m-Sägezahnsignal einen Schmitt-Trigger zu steuern,
der Jeweils nach dem Ende eines Sägezahnes und des Beginn eines neuen Sägezahnes
erst dann kippt, wenn der neue Sägezahn eine bestimmte geringe Höhe erreicht hat,
oder darin, durch das Ende eines Sägezahnes ein monostabiles Kippglied auszulösen,
dessen Arbeitszeit die Länge der Wartezeit bestimmt.
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Beginnt im Beispiel während der Wartezeit ein Arbeitspuls des Stellsignals
der ersten Regeleinrichtung 10, so soll verhindert werden, daß von der Folgesignal-Schaltung
25 ein Folgesignal erzeugt wird. Zur Feststellung, ob ein Arbeitspuls begonnen hat,
ist das Ausgangssignal einer von dem Stellsignal beaufschlagten monostabilen Schaltungsanordnung
oder eines R-C-Gliedes geeignet, wobei die Dauer
dieses Signals
zumindest etwa gleich der Dauer der Wartezeit sein muB, wenn es mit dem Signal "Wartezeit
zu Ende" verglichen werden soll. Dementsprechend ist in der Zeichnung ein differenzierend
wirkendes R-C-Glied 251 vorgesehen, dem zur Unterscheidung des Beginns oder Anstieg
eines Arbeitspulses von dessen Ende ein Gleichrichter 252 nachgeschaltet ist. Das
so erzeugte Signal "Arbeitspuls hat begonnen" wird nach seiner Negation in der gewunschten
Weise mittels eines UND-Gliedes 253 mit dem Signal wartezeit zu Ende" verknüpft.
Kann aufgrund der Bauart des Reglers 12 der Fall, daß während der Wartezeit ein
Arbeitspuls des Stellsignals endet, als zumindest unwahrscheinlich ausgeschlossen
werden, so ist der Gleichrichter 252 entbehrlich.
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Zur Erzeugung eines Signals "Ende eines Arbeitspulses" ist wieder
das R-C-Glied 251, Jetzt Jedoch mit einem weiteren Gleichrichter 254 verwendet.
Die Signale "Wartezeit zu Ende" A, "Arbeitspuls hat begonnen" B, und "Ende eines
Arbeitgpulses" C, sind demnach im dargestellten Fall mit dem Folgesignal B entspreehend
folgender logischer Gleichung verknüpft: F n (A & B) V C.
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Entsprechend dieser Gleichung und ihren möglichen Usformungen lassen
sich weitere aus logischen Schaltelementen aufgebaute Folgesignal-Schaltungsanordnungen
angeben. Weitere Bauwesen ergeben sich, wenn statt des Signals A ein Signal "Wartezeit"
verwendet ist.
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Der Aufbau der triggerbaren Sägezahngeneratoren 21, 31 ist an sich
bekannt. Ein solcher Sägezahngenerator wird beispielsweise erhalten, wenn in dem
erwähnten üblichen Schaltungsaufbau des Sägezahngenerators 11 die Spannung an dem
autgeladenen Kondensator nicht direkt, sondern über eine Diode
auf
den Unijunciton-Transistor wirkt und wenn Triggerimpuls über eine weitere, parallele
Diode zugeführt werden.
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Bei einem Versuch Mit fünf in einer Kette arbeitenden Temperatur-Regel
einrichtungen mit gleichen Stell-Leistungen von Je 18 kW, von denen die erste eine
Periodendauer des Sägezahnsignals'von 4 sec. und die übrigen eine solche von Je
8 sec. aufwiesen, wurde gefunden, daß die Netzbelastung in eingeschwungenem Zustand
im allgemeinen gleich der vierfachen Einzelleistung war und etwa alle 4 sec. für
eine Je nach Außenbedingungen mehr oder minder lange Zeit der fünffachen Einzelleistung
entsprach und daß die Arbeitspulse aller Stellsignale zeitlich sehr gleichmäßig
verteilt waren.
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Die zweite wesentliche Ausgestaltung der Erfindung als Kreis ergibt
sich aus der in der Figur dargestellten Anlage, wenn auch der Sägezahngenerator
11 der ersten Regeleinrichtung 10 als triggerbarer Sägezahngenerator ausgeführt
und auch dieser Regel einrichtung eine Folgesignal-Schaltungsanordnung zugeordnet
ist, die dann in Abhängigkeit von den Signalen der letzten Regel einrichtung arbeitet
und im Sinne des gestrichelt dargestellten Pfeils auf den Sägezahngenerator 11 einwirkt.
Im Fall nur dreier vorhandener Regeleinrichtungen 10, 20, 30 wäre die Folgesignal-Schaltungsanordnung
45 der Regeleinrichtung 10 zuzuordnen.
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Bei einem Versuch Mit den bereits erwähnten, Jetzt Jedoch in einem
Kreis arbeitenden fünf Regeleinrichtungen wurde gefunden, daß die Netzbelastung
in eingeschwungenen Zustand wiederum im allgemeinen gleich der vierfachen Einzelleistung
war und nur noch etwa alle 13 sec. für eine je nach Außenbediniungen mehr oder minder
lange Zeit der fünffachen Einzelleistung entsprach und daß die Arbeitspulse aller
Stellsignale gegenüber der Schaltung als Kette seitlich etwas
ungleichmäßiger
verteilt waren. Durch die Schaltung im Kreis kann also gegenüber der Kette eine
noch gleichmäßigere Netzbelastung ersielt werden. Die Regelwirkung der Regeleinrichtungen
wird dabei auch bei blockweiser Verteilung der Arbeitspulse kaum beeinträchtigt,
da die jeweiligen Sägezahngeneratoren in Abwesenheit eines Folgesignals mit ihrer
eigenen Frequenz weiterarbeiten, so daß der Abstand zwischen zwei Arbeitspulsen
bei einer Regeleinrichtung im eingeschwungenen Zustand nicht größer als die Dauer
eines Säge zahnes wird.
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Wird von den Regeleinrichtungen Jeweils ein Wechselstrom verstellt,
mit dem im Falle eines Temperaturreglers ein Heizregister, sonst beispielsweise
eine Pumpe oder ein Lüfter gespeist ist, dann ist es sowohl hinsichtlich der-Funkstörungsfreiheit
der Anlage wie auch hinsichtlich der Oberwellenfreiheit des Speisenetzes güngstig,
wenn das Einschalten solcher Verbraucher im Nulldurchgang der Speisespannung erfolgt.
Zwar können die zumeist als Schaltelemente verwendeten Thyristoren nicht bei der
Spannung Null, aber doch in unmittelbarer Folge auf einen Spannungsnulldurchgang
zünden. Dementsprechend wird in weiterer Außgestaltung vorgeschlagen, daß die Einschaltung
des von dem Stellsignal gesteuerten Stellgliedes zu Beginn eines Arbeitspulses des
Stellsignals jeweils solange verzögert ist, bis dem Stellglied zusätzlich ein Nullsignal
als Anzeige des Nulldurchganges der an ihm anliegenden Wechselspannung zugeführt
ist. Das Nullsignal kann beispielsweise aittels eines in Phasengleichheit mit der
zu schaltenden Spannung gespeisten Schmitt-Triggers gewonnen werden, an dessen im
Ruhezustand leitenden Ausgang das Nullsignal abgenommen ist und dessen Eingangsspannung
durch eine Begrenzungsschaltung Mit steilen Flanken versehen ist.
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Bei Verwendung von Thyristoren als Stellglieder ergibt sich dabei
vorteilhafterweise auch eine ähnliche Verzögerung der Ausschaltung am Ende eines
Arbeitspulses der Jeweils vorhergehenden Regeleinrichtung, da die Thyristoren erst
etwa im Spannung snulldurchgang nichtiitend werden, so daß wiederum zwei aufeinanderfolgende
Arbeitspulse aneinander anschliessen. Zusätzlich kann sich dabei ein Wegfall der
Auswirkung der Wartezeit auf den Verlauf der Gesamtleistung aller Regeleinrichtungen
ergeben, wenn die Verzögerung bis über das Ende der Wartezeit hinaus andauert.
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Eine so gleichmäßige Netzbelastung - allgemein: Eine so gleichmäßige
Leistungsentnahme aus der gemeinsamen Energiequelle - wie bei den angeführten Versuchen
setzt voraus, daß die verstellten Leistungen aller Regeleinrichtungen untereinander
gleich sind. Dieses kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch bei Regeleinrichtungen
mit Regel strecken verschieden großen maximalen Leistungsbedarf dadurch erreicht
werden, daß die Jeweils in Abhängigkeit von dem impulsbreitenmodulierten Stellsignal
verstellte Leistung aller Regeleinrichtungen gleich und größenordnungsmäßig gleich
dem Leistungsbedarf der Regeleinrichtung mit dem geringsten maximalen Leistungsbedarf
ist und daß gegebenenfalls mindestens eine den gegenüber dieser verstellten Leistung
verbleibenden Leistungsbedarf deckende Grund-Leistungsstufe der Regelstrecke mittels
eines weiteren Stellgliedes bei einem Dauer-Arbeitssignal des Stellsignals zugeschaltet
und bei fehlenden Arbeitepulsen des Stellsignals abgeschaltet wird. Dabei werden
der durch aneinander anschließende Arbeitspulse aller Regeleinrichtungen gebildeten
Gesaetleistung Leistungsblöcke überlagert, die sich nur in großen Zeitabständen
verändern. Damit auch die dabei auftretenden Stromsprünge klein bleiben, wird vorteilhaft
so vorgegangen,
daß bei gegenüber der in Abhängigkeit von dem impulsbreitenmodulierten
Stellsignal verstellten Leistung etwa gleichem oder größerem verbleibenden Leistimgsbedarf
mehrere untereinander gleiche Grund-Leistungsetufen von geringerer Leistung als
diese verstellte Leistung zeitgestaffelt zu- und abgeschaltet werden.
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Beispielsweise ist in einer Anlage mit einer Anzahl von Temperatur-Regeleinrichtungen,
deren maximaler Leistungsbedarf im einzelnen von 6 kW bis 100 kW beträgt, vorgesehen,
daß die jeweils in Abhängigkeit von dem impulsbreitenmodulierten Stellsignal verstellte
Leistung (mindestens installierte Leistung) 18 kW beträgt und daß bei Regeleinrichtungen,
deren Dauer-Leistungsbedarf etwa 12 kW übersteigt, der verbleibende Leistungsbedarf
durch Grund-Leistungsstufen von je 12 kW gedeckt wird.
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In übrigen sei noch betont, daß die Wahl der ersten Regeleinrichtung
mit dem Säezahnsignal der höchsten Frequenz auch in der Weise erfolgen kann, daß
Willkürlich die Frequenz des Sägezahnsignals der zur ersten Regeleinrichtung bestimmten
Regeleinrichtung über die Frequenz der übrigen Sägezahnsignale hinaus erhöht wird.