CH402174A

CH402174A - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des maximalen Bezuges elektrischen Stromes, bezw. elektrischer Leistung

Info

Publication number: CH402174A
Application number: CH1169562A
Authority: CH
Inventors: Fenner Hans
Original assignee: Zellweger Uster Ag
Priority date: 1962-10-05
Filing date: 1962-10-05
Publication date: 1965-11-15
Also published as: AT241600B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des maximalen Bezuges elektrischen Stromes, bezw. elektrischer Leistung
Elektrische Energie wird im allgemeinen beim Verbraucher mit einem Elektrizitätszähler gemessen und nach Kilowattstunden (kWh) verrechnet. Da die elektrische Energie für die Allgemeinversorgnng nicht gespeichert werden kann, muss sie in der von den Verbrauchern benötigten Menge momentan erzeugt werden. Sowohl die Produktions-, als auch die Verteilanlagen müssen deshalb so bemessen sein, dass die von den Verbrauchern verlangte Leistung jederzeit zur Verfügung gestellt werden kann. Die Investitionskosten für Kraftwerke und Verteilnetze sind hauptsächlich durch die verlangte Spitzenleistung bestimmt.

Elektrizitätswerke haben deshalb aus wirtschaftlichen Gründen alles Interesse daran, möglichst viel Energie bei möglichst kleiner Maximalleistung abzugeben.

Dieses Ziel suchen sie seit langem durch tarifliche Massnahmen zu erreichen. Bei grossen Verbrauchern wird beispielsweise neben der Energie, welche durch Zähler erfasst wird, auch die Maximalleistung mit Hilfe eines speziellen Maximumzählers gemessen und zur Verrechnung herangezogen. Der Preis für die elektrische Energie setzt sich dann aus einem Leistungs- und einem Arbeitsanteil zusammen.

Für die Verwendung bei Haushalt-Abonnenten sind die teuren Maximumzähler zu kostspielig. Man versucht deshalb, an Stelle der Maximumleistung Ersatzparameter für die Ermittlung eines Grundpreises auszuwerten. Es wird beispielsweise die Anzahl der Wohnräume, die Wohnungsgrundfläche oder die totale installierte Verbraucherleistung benützt, um die Grundgebühr zu berechnen. Alle diese Methoden sind jedoch unbefriedigend, weil sie kein zuverlässiges Kriterium für die tatsächlich verlangte Maximalleistung ergeben und deshalb nicht kostenecht sind.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile und bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Bezuges elektrischen Stromes bzw. elektrischer Leistung und zeichnet sich dadurch aus, dass der konsumierte Strom zunächst fortwährend zur Bildung von mehreren ihm proportionalen Messspannungen mit verschiedenen Proportionalitätsfaktoren benützt wird, welche Messspannungen an ihnen individuell zugeordneten Kontakten eines Stufenschalters liegen, worauf die grösste dieser Messspannungen zur Aufladung eines Speicherkondensators benützt wird, und wobei die in den genannten Speicherkondensator eingeführte Ladung beim Erreichen eines festen Spannungswertes jeweils über ein Element mit elektrischer Durchbruchcharakteristik eine elektromagnetische Vorrichtung betätigt,

welche ihrerseits den Speicherkondensator zu erneuter Aufladung an den Kontakt mit der nächst tieferen Messspannung legt usw., das Ganze derart, dass derjenige Kontakt mit der Messspannung, welche den Speicherkondensator gerade nicht mehr genügend aufzuladen vermag, um die elektromagnetische Vorrichtung nochmals zu betätigen, ein Mass für den in der Vergangenheit maximal bezogenen Strom bildet.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und umfasst Mittel zur Bildung von mehreren dem bezogenen Strom proportionalen Messspannungen, sowie Kontakte eines elektromagnetisch betätigten Stufenschalters, an denen die genannten Messspannungen liegen, ferner mindestens einen Speicherkondensator, welcher einerseits jeweils mit einem der genannten Kontakte des elektromagnetisch betätigten Stufenschalters zu seiner Aufladung mit einer genannten Messspannung mindestens mittelbar verbunden ist und welcher an der seits über ein Element mit elektrischer Durchbruchcharakteristik mit der elektromagnetischen Vorrich tung und mindestens indirekt mit dem Stufen schalter verbunden ist, das Ganze derart, dass der elektromagnetisch betätigte Stufenschalter so lange in Rich- tung kleiner werdender Messspannungen fortgeschaltet wird,

bis die entsprechende Messspannung auch beim grössten bezogenen Strom den Speicherkondensator nicht mehr genügend aufladen kann, so dass das Element mit Durchbruchcharakteristik nicht mehr anspricht und der elektromagnetische Stufenschalter nicht mehr betätigt wird.

Anhand der Beschreibung und von Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltungsschema einer Ausführungsform der Erfindung
Fig. 2 eine mögliche Variante des Schaltungsschemas gemäss Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltungsschema für die drei-phasige Messung des Stromes.

In die Zuleitung zu einem Verbrauchernetz 1 wird gemäss Fig. 1 ein Stromwandler 2 zwischenge schaltet, dessen Sekundärseite mit einer Bürde in der Form eines Stufenwiderstandes 4 verbunden ist. Ein spannungsabhängiger Widerstand 3 verhindert, dass über den Stromwandler 2 übertragene Überspannun- gen an den Stufenwiderstand 4 gelangen. Der Stufenwiderstand 4 weist eine Reihe von Anzapfungen a, b, c, d, e, J g, h auf, an welchen verschiedene dem Messstrom J,ness proportionale Wechselspannungen auftre ten, wobei die Anzapfung a die höchste und die Anzapfung h die niedrigste Spannung aufweist.

Da der Messstrom Lie dem Netzstrom Netz proportional ist, tritt an jeder der Anzapfungen a bis h eine dem Netzstrom ebenfalls proportionale Messspannung auf.

Die Anzapfungen a-h am Stufenwiderstand 4 sind mit den Kontakten A bis H eines Stufenschalters 5 verbunden. Der Kantaktarm des Stufenschalters 5 kann mit Hilfe einer elektromagnetischen Vorrichtung 14 elektromagnetisch über die Kontakte A-H bewegt werden, so dass die jeweils an den Anzapfungen a-h herrschende Messspannung abgegriffen und auf die nachfolgende Schaltung übertragen wird.

Diese Messspannung gelangt zunächst an einen Gleichrichter 7, welcher die Messwechselspannung gleichrichtet. Ein Siebkondensator 8 vermindert die noch vorhandene Welligkeit der erhaltenen Messgleichspannung.

In einer nachfolgenden Begrenzerstufe mit einem B egrenzerwi derstand 9 und einem Begrenzerelement, beispielsweise einer Zenerdiode 10, wird die gleichgerichtete Messspannung zunächst begrenzt. In der nachfolgenden Ladestufe lädt die gleichgerichtete Messspannung einen Ladekondensator 12 mit der Kapazität C über einen Ladewiderstand 11 mit dem Widerstandswert R allmählich auf. Die Zeitkonstante R.C dieser Ladestufe ist so bemessen, dass die maximale Ladespannung Uc innerhalb der Zeit erreicht wird, in der der maximale Strombezug bestimmt werden soll.

Parallel zum Ladewiderstand 12 liegt eine Entladeschaltung, bestehend aus einem Element mit Durchbruchcharakteristik, beispielsweise einer Vierschichtdiode 13 und einer elektromagnetischen Vorrichtung 14. Sobald die Ladespannung Uc die charakteristische Durchbruchspannung der Vierschichtdiode 13 erreicht, spricht die elektromagnetische Vorrichtung 14 an.

Die elektromagnetische Vorrichtung 14 betätigt bei jedem Anzug den Kontaktarm 6 des Stufenschalters 5 und schaltet diesen in Pfeilrichtung um einen Kontakt weiter. Die Ausgangsstellung des Kontaktarmes 6 befindet sich zunächs auf Kontakt A und die erste Betätigung der elektromagnetischen Vorrichtung verbringt ihn auf den Kontakt B, die nächste auf den Kontakt C und so fort.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist nun folgende: Fliesst ein bestimmter Strom J,,,, im Netz 1, so erzeugt dieser einen proportionalen Strom Jmess auf der Sekundärseite des Stromwandlers 2, wodurch am Stufenwidersand 4 eine diesem Strom proportionale Messspannung Uless auftritt. Zunächst gelangt nun die volle an der Anzapfung a liegende Spannung über den Kontakt A, und den Kontaktarm 6 an den Gleichrichter 7. Die gleichgerichtete Messspannung lädt den Ladekondensator 12 auf. Erreicht dessen Ladespannung Uc die Durchbruchspannung der Vierschichtdiode 13, so fliesst die Ladung des Ladekondensators 12 schlagartig über die Erregerwicklung der elektromagnetischen Vorrichtung 14 ab.

Durch das damit verbundene Arbeiten der elektromagnetischen Vorrichtung 14 wird der Kontaktarm 6 auf den Kontakt B weitergeschaltet. Hier wiederholt sich dasselbe, sofern die Teilspannung am Kontakt B immer noch so gross ist, dass die Durchbruchspannung der Vierschichtdiode 13 erreicht wird, und der Kontaktarm 6 auf den Kontakt C weiterrückt.

Sobald nun der Kontaktarm 6 auf einen Kontakt gelangt, dessen Teilspannung den Ladekondensator 12 nicht mehr bis zu einer Ladespannung Ue aufzuladen vermag, welche die Durchbruchspannung der Vierschichtdiode 13 erreicht, bleibt der Kontaktarm 6 auf diesem Kontakt ruhen. Er wird erst dann auf den nächsten Kontakt weitergeschaltet, wenn ein noch höherer Netzstrom Netz eine ebenfalls höhere Messspannung Umess erzeugt, von der die nun abgegriffene Teilspannung die Zündspannung der Vierschichtdiode 13 erneut erreicht.

Jeder kleinere Netzstrom J/etw wird aber den Kontaktarm 6 nicht mehr weiterschalten, so dass die von ihm eingenommene Stellung ein Mass für den in der Vergangenheit maximal bezogenen Strom resp. die maximal bezogene Leistung seit der letztmals erfolgten Rückstellung des Kontaktarmes 6 in die Ausgangsstellung auf Kontakt A abgibt.

Diese Rückstellung des Kontaktarmes 6 kann periodisch, beispielsweise anlässlich der Zählerablesung erfolgen, so dass bei jeder Zählerablesung gleichzeitig der Maximalwert des in der vergangenen Messperiode bezogenen Stromes, bzw. der bezogenen Leistung ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke besitzt der Kontaktarm beispielsweise ein Schloss, dessen Schlüssel nur im Besitz der mit der Zählerablesung beauftragten Person ist, und mit welchem der Kontaktarm 6 in die Ausgangsstellung auf Kontakt A zurückgelegt werden kann.

Damit die jeweilige Stellung des Kontaktarmes 6 direkt den Maximalwert der bezogenen Energie angibt, wird jeder Kontakt zweckmässigerweise mit dem ihm zukommenden Strom- resp. Leistungswert be zeichnet, wobei diese Bezeichnung von aussen beispielsweise durch ein Fenster jederzeit abgelesen werden kann. So kann beispielsweise
Kontakt A mit 5 A oder 1 kW (bei 220 V Netz spannung und cos ç = 0,9)
B 10 2
C 15 3
D 20 4
E 25 5
F 30 6
G 35 7
H 40 8 geeicht werden; steht der Kontaktarm bei der Able sung auf Kontakt E, so besagt dies, dass dem Netz im Maximum 25 A oder 5 kW entnommen worden sind.

Zur Verhinderung von Missbräuchen, die bei der Ablesung denkbar sind, kann zusätzlich zum Stufenschalter 5 beispielsweise ein kumulatives Zählwerk 15 vorgesehen werden, welches mit jedem Impuls der elektromagnetischen Vorrichtung 14 eine Stelle weiterzählt. Dieses kumulative Zählwerk 15 ist in diesem Falle nicht rückstellbar, so dass eine willkürliche Ver änderung des Zählerstandes unmöglich ist. Die Differenz der Zählerstände dieses Zählwerkes 15 zwischen zwei Ablesungen gibt die Zahl der Schritte wieder, die der Kontaktarm 6 ausgeführt hat.

Mit Vorteil wird die Zeitkonstante R.C der Lade stufe einstellbar gemacht, indem beispielsweise vermittels eines geräteinternen Schalters 17 verschie- dene Ladekondensatoren 12', 12", 12"' wahlweise eingeschaltet werden können (Fig. 2).

Die Grösse dieser Zeitkonstanten ist im wesentlichen durch die Art der im Netz 1 auftretenden überströmte gegeben. Es muss natürlich vermieden werden, dass der Kontaktarm 6 auch dann weiterschaltet, wenn beim Verbraucher lediglich sehr kurzzeitige Stromspitzen, beispielsweise hervorgerufen durch Kurzschluss oder durch Zuschaltung von Motoren, auftreten. Anderseits liegt es im Interesse des Lieferwerkes, wenn auch relativ kurzzeitige Belastungsspitzen durch entsprechendes Weiterrücken des Schaltarmes 6 vermerkt werden.

Wird beispielsweise eine Zeitkonstante von 1 Minute eingestellt und hat die Netzbelastung einen Wert, der einer Stellung G des Schaltarmes 6 entspricht, so wird der Ladevorgang 6 mal wiederholt, d. h. der Kontakt G wird nach 6 Minuten erreicht. Hat die Überlastung aber nur 3 Minuten gedauert, so konnte der Kontaktarm nur bis zum Kontakt D gelangen und die Anzeige ist noch unrichtig. Aus diesem Grunde ist eine einstellbare Zeitkonstante, die sich verschie- denen Bedürfnissen anpassen lässt, vorteilhaft.

Als Element mit Durchbruchcharakteristik, welches in Fig. 1 als Vierschichtdiode 13 gezeigt ist, können auch andere Bauteile mit ähnlichem Verhalten verwendet werden. Als solches ist beispielsweise eine Glimmröhre 18 anzusehen, welche ebenfalls unterhalb einer vorgegebenen Durchbruchspannung als Isolator, oberhalb derselben als Leiter wirkt.

Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf die Messung des maximal bezogenen Stromes in jeder Phase eines Dreiphasennetzes 16. In jeder Phase r, s, t liegt ein Stromwandler 21, 22, 23. Die sekundären Ausgänge dieser Stromwandler sind über je einen spannungsabhängigen Widerstand 31, 32, 33 sowie Parallelwiderständel 34, 35, 36 als Bürde einerseits an einen Sternpunkt 30, anderseits über je einen Gleichrichter 71, 72, 73 an einen Speisepunkt 70 geführt, wo die gleichgerichteten Sekundärströme addiert werden. Es ist zu vermerken, dass - im gensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 - die Gleichrichtung bereits vor dem Stufenwiderstand 4 erfolgt. Der Kondensator 74 dient zur Glättung der durch den Summenstrom erzeugten Messspannung am Stufenwiderstand 4.

Die an den Anzapfungen a-h des Stufenwiderstandes 4 auftretenden und vom Kontaktarm 6 an den Kontakten A-H abgegriffenen Spannungen sind also bereits Gleichspannungen. Diese Gleichspannungen werden in der Folge in gleicher Weise wie im Schema der Fig. 1 zur schnttweisen Betätigung des Kontaktarmes 6 ausgewertet.

Wenn die Netzspannung der Nennspannung entspricht, gibt die Bildung der Messspannung aus dem in dem Leiter fliessenden Strom den wirklichen Scheinleistungsbezug wieder. Die normalen Netz spannungsschwankungen n sind praktisch ohne wesent- liche Bedeutung, da sich die Anwendung der erfindungsgemässenVorrichtungen hauptsächlich auf zahlreiche Kleinverbraucher mit mehrheitlich ohmscher Belastung beschränkt.

Da die Dimensionierung der Erzeugungs- und Verteilanlagen durch die Grösse des bezogenen Stromes bestimmt wird, entspricht auch die Heranziehung des Verbraucherstromes als Messgrösse durchaus dem beabsichtigten Zweck.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Bestimmung des maximalen Bezuges elektrischen Stromes, bzw. elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass der konsumierte Strom (Jnets) zunächst fortwährend zur Bildung von mehreren ihm proportionalen Messspannungen (Umess) mit verschiedenen Proportionalitätsfaktoren benützt wird, welche Messspannungen (Urnes8) an ihnen individuell zugeordneten Kontakten (A, B, C.

. H) eines Stufenschalters (5) liegen, worauf die grösste dieser Messspannungen (Umess) zur Aufladung eines Spei cherkondensators (12) benützt wird und wobei die in den genannten Speicherkondensator (12) eingeführte Ladung beim Erreichen eines festen Spannungswertes jeweils über ein Element mit elektrischer Durchbruchcharakteristik (13) eine elektromagnetischeVor- richtung (14) betätigt, welche ihrerseits den Speicherkondensator (12) zu erneuter Aufladung an den Kontakt (A-H) mit der nächst tieferen Messspannung legt usw., das Ganze derart, dass derjenige Kontakt mit der Messspannung, welche den Speicherkondensator (12) gerade nicht mehr genügend aufzuladen vermag, um die elektromagnetische Vorrichtung (14) nochmals zu betätigen, ein Mass für den in der Vergangenheit maximal bezogenen Strom (netz)

bildet II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung von mehreren dem bezogenen Strom (Jnetz) proportionalen Messspannungen (Umess) sowie Kontakte (A-H) eines elektromagnetisch betätigten Stufenschalters (5, 6), an denen die genannten Messspannungen liegen, ferner durch mindestens einen Speicherkondensator (12), welcher einerseits jeweils mit einem der genannten Kontakte (A-H) des elektromagnetisch betätigten Stufenschalters (5, 6) zu seiner Aufladung mit einer der genannten Messspannungen mindestens mittelbar verbunden ist und welcher anderseits über ein Element mit elektrischer Durchbruchcharakteristik (13) mit der elektromagne- tischen Vorrichtung (14) und mindestens indirekt mit dem Stufenschalter (5, 6) verbunden ist,

das Ganze derart, dass der elektromagnetisch betätigte Stufenschalter (5, 6) so lange in Richtung kleiner werdender Messspannungen fortgeschaltet wird, bis die entsprechende Messspannung auch beim grössten bezogenen Strom den Speicherkondensator (12) nicht mehr genügend aufladen kann, so dass das Element mit Durchbruchcharakteristik (13) nicht mehr anspricht und der elektromagnetische Stufenschalter (5, 6) nicht mehr betätigt wird.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannungen Wechselspannungen sind, welche vor dem Aufladen des Speicherkondensators (12) gleichgerichtet werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung des Speicherkondensators (12) über mindestens einen Widerstand (11) erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Speicherkondensator (12) und vorgeschalteter Widerstand (11) so dimensioniert werden, dass die Zeitkonstante des entsprechenden RC-Gliedes mit der Zeit übereinstimmt, während welcher der gemittelte maximale Strombezug bestimmt werden soll.

4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenschalter (5) nur durch besondere Mittel auf diejenige Stufe mit der grössten Messspannung zurückgestellt wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Vorrichtung ein kumulatives Zählwerk (15) aufweist, in welchem alle auftretenden Schaltschntte aufsummiert werden.

6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktarm (6) des Stufenschalters (5) erst nach mindestens zweimaliger Betätigung der elektromagnetischen Vorrichtung (14) um einen Kontakt weiter geschaltet wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehstromsystem (16) die Ströme von mindestens zwei Phasen (r, s..) zur Bildung von Messspannungen benützt werden.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch einen Gleichrichter (7), welcher dem aufzuladenden Speicherkondensator (12) vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch mindestnes einen Widerstand (11), welcher dem aufzuladenden Speicherkondensator (12) vorgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch den Maximalbezügen entsprechend geeichte Stellungen der Kontakte (A, B... H) des Stufenschalters (5).

11. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stellung des Stufenschalters (5, 6) und seine Eichung von aussen ablesbar sind.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch Mittel zur Zurückstellung des Stufenschalters (5) auf diejenige Stufe mit der grössten Messspannung.

13. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch ein mit dem elektromagnetisch betätigten Stufenschalter (5) kombiniertes Zählwerk (15) zur fortlaufenden Registrierung der Zahl der ausgeführten Schaltschritte.

14. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenschalter (5, 6) direkt durch die elektromagnetische Vorrichtung (14) weitergeschaltet wird.

15. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zurückstellung des Stufenschalters auf die Stellung mit der grössten Messspannung eine Feder gespannt wird, welche die Tendenz hat, den Stufenschalter aus dieser Stellung zu bewegen, an dieser Bewegung aber durch eine Verklinkung gehindert wird, das Ganze derart, dass diese Verklinkung bei jedem Ansprechen der elektromagnetischen Vorrichtung (14) so weit aufgehoben wird, dass der Stufenschalter unter dem Einfluss der gespannten Feder einen Schritt in Richtung zu den Stellungen mit kleineren Messspannungen macht.

16. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch einen Stufenschalter (5), dessen Anzahl der möglichen Stellungen des Kontaktarmes (6) mindestens doppelt so gross ist als die Anzahl der mit den Anzapfungen (a-h) des Stufenwiderstandes (4) verbundenen Kontakte (A-H), wodurch der Kontaktarm (6) für das Erreichen des nächsten Kontaktes mindestens zwei Schaltschritte benötigt.

17. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel, mit deren Hilfe die Zeitkonstante, welche durch den Speicherkondensator (12) und die ihm vorgeschalteten Widerstände (11) gebildet wird, auf verschiedene Werte umschaltbar ist.

18. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine Vierschichtdiode (13) als Ele ment mit elektrischer Durchbruchcharakteristik.

19. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine Ghmmröhre (18) als Element mit elektrischer Durchbruchcharakteristik.

20. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch mindestens einen spannungsabhängigen Widerstand (3), welcher allfällige in der Messspannung (Umess) auftretende Überspannungen ableitet.

21. Vorrichtung nach Patentanspruch II, ausge- bildet zur Bestimmung des maximalen Bezuges elektrischen Stromes, bzw. elektrischer Leistung in mindestens zwei Phasen (r, s...) eines Mehrphasennetzes (16).