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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und
ein Verfahren zum kunden- bzw. verbraucherseitigen Steuern/Managen
des Verbrauchs der von einem Elektrizitäts- bzw. Stromversorgungsunternehmen
zur Verfügung
gestellten Energie, und sie bezieht sich insbesondere auf ein System
und Verfahren zum Verringern der Verbraucher-Spitzenenergiebedarf-Belastungen von
einem Stromversorger. Noch spezieller bezieht sich die Erfindung
auf Einrichtung und Verfahren zum Erkunden stochastischen oder anderen
Spitzenbedarfs elektrischer Energie bei einem Energieversorgungs-Verbraucher
und zum Steuern des Betriebes einer Sekundärquelle elektrischer Energie,
die sich auf der Verbraucherseite befindet. Zusätzlich bezieht sich die Erfindung
auf Vorrichtung und Verfahren zum Verschieben von Lasten durch Kaufen
und Speichern elektrischer Energie auf der Abnehmerseite während Zeiträumen des
Energiebedarfs im Nicht-Spitzenbereich und durch Verwenden der gespeicherten
elektrischen Energie während
Zeiten hohen Bedarfs.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Nutzer
großer
Mengen elektrischer Energie verbrauchen solche Energie typischerweise über die Zeit
verteilt ungleichmäßig. Dies
trifft besonders für Verbraucher
mit stark punktuellen Lasten zu, das heißt solchen, die viel Gerät und Ausrüstung mit
häufigen
Unterbrechungen und Starts aufweisen. Bei solchen Verbrauchern kann
man davon ausgehen, dass sie willkürliche bzw. unregelmäßige, also
stochastische und kumulative Spitzen bei ihrem Energiebedarf aufbauen.
Als Beispiel mag der typische Supermarkt mit vielleicht vier oder
mehr verschiedenen Kühlsystemen
gelten, von denen jedes seine eigenen, unabhängige Steuerungen erzeugenden
Elemente der kombinierten Spitzenlast hat.
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Ein
typisches tägliches
Lastprofil für
viele industrielle Produktionseinrichtungen, -anlagen und -betriebsmittel,
Einzelhandelsunternehmen und dergleichen setzt sich aus verschiedenen
beliebig arbeitenden Lasten, wie dies in 1A–1D gezeigt ist,
zusammen. 1A stellt eine gleichbleibende
24 Stunden Beleuchtungslast dar. 1B stellt
eine semistochastische Punkt- oder Unterbrechungslast dar. 1C stellt
semistochastische längere
zyklische Belastungen dar, und 1D stellt
ein zusammengesetztes idealisiertes tägliches Belastungsprofil dar, das
hohe stochastische Spitzen, die wahllos über den Tag verteilt auftreten.
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Trotz
dieses schwankenden Bedarfs an elektrischer Energie müssen Elektrizitätsversorger
eine Erzeugungskapazität
aufrecht erhalten, die den Maximalbedarf an Elektrizität, der für einen
vorgegebenen Zeitraum erwartet wird, übersteigt. Deshalb müssen Elektrizitätsversorger
Erzeugungskapazitäten aufrecht
erhalten, die die durchschnittlichen elektrischen Energieanforderungen
weit übersteigen,
um solchem gelegentlichen und relativ kurzzeitigen Bedarf gerecht
zu werden. Die Bildung und Aufrechterhaltung solcher überschüssiger Kapazität ist recht kostenaufwendig
und steigert die Durchschnittskosten der Bereitstellung elektrischer
Energie dramatisch.
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Um
die Kosten der Bereitstellung überschüssiger Energieerzeugungskapazität solchen
Kunden zuordnen zu können,
die eine solche Kapazität
am meisten benötigen,
und um solche Verbraucher zu ermutigen, ihren elektrischen Energiebedarf
zu verteilen, wird der Verbrauchsratenplan, der für solche Verbraucher
angewendet wird, typischerweise in wenigstens zwei Komponenten aufgeteilt.
Die erste Komponente ist eine Energienutzungsbelastung oder -gebühr, die
die eigenen Energieerzeugungs- und -übermittlungskosten des Versorgers
widerspiegelt. Die Kosten werden typischerweise in Cent pro Kilowattstunde
verbrauchter Energie während
eines bestimmten Abrechnungszeitraums errechnet. Die zweite Komponente
ist eine Spitzenbedarfsbelastung oder -gebühr, die Kapitalkosten des Versorgers
widerspiegelt, und basiert auf der Abweichung von der durchschnittlichen,
vom Kunden während
eines vorbestimmten Bedarfsintervall-Zeitraumes verbrauchten Energie.
Die Spitzenbedarfsbelastung wird in Cent oder Dollar pro Kilowatt
aktuellen Spitzenbedarfs berechnet. Solche Spitzenbedarfskosten
können
als Prozentsatz der Gesamtversorgerkosten über einen bestimmten Abrechnungszeitraum
hinweg ziemlich hoch sein.
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Aufgrund
des gesteigerten Einsatzes höherer
Spitzenbedarfskosten durch elektrische Versorgungsunternehmen haben
große
gewerbliche Elektrizitätsverbraucher
damit begonnen, Verfahren zum Reduzieren der Spitzenenergieabforderungen
vom Elektrizitätsversorger
zu erkunden. Ein Ansatz ist die Spitzenbedarfsentlastung. Spitzenedarfsentlastung ist
die Praxis einer Reihenfolgeplanung für den Betriebsmitteleinsatz,
sodass nur eine annehmbare Anzahl Lastträger gleichzeitig arbeiten darf.
Dieses Verfahren ist hinsichtlich der Steuerung teuer und für die Kunden
restriktiv.
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Ein
weiterer Ansatz besteht darin, den Wirkungsgrad der elektrischen
Lasten, die von dem Verbraucher benutzt werden, zu steigern. Obwohl
dieser Ansatz in eine positive Richtung zielt, ergibt er relativ geringe
Gewinne bei der Reduzierung von Spitzenanforderungen, und es ist
gerade der Spitzenbedarf, der die größte Auswirkung auf den Anteil
hat, den der Verbraucher für
seine Energie bezahlt.
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Ein
dritter Gedankenweg ist die Verwendung von Spitzengeneratoren. Spitzengeneratoren
sind Generatoren, die von dem Energieunternehmen bereitgestellt
werden, um während
Spitzenbedarfsabschnitten des Tages benutzt zu werden. Sie können in
größerer Nähe zum Standort
des Kunden des Versorgers angeordnet werden.
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Probleme,
die mit Spitzen- oder Anhebeanlagen (Generatoren) verbunden sind,
verursachen hohe Kapitalinvestitionen, einen niedrigen Leistungszyklus,
ernsthafte Umweltrücksichten
und -erwägungen
sowie eine relativ lange Zeitdauer bis zur Fertigstellung.
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US 4731547 beschreibt eine
Verteilertafel, die Energie von einem Versorgernetzwerk und optional
von einem Generator über
einen Schalter empfängt,
der den Generator parallel mit dem Versorgernetzwerk schaltet. Der
Schalter arbeitet in Reaktion auf ein Bedarfs- oder Abforderungssignal,
das bestätigt
wird, wenn ein Bedarfssensor anzeigt, dass der Energiebedarf von
dem Versorgernetzwerk einen Sollwert überschritten hat.
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ZIELE UND
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System und Verfahren
zum Steuern bzw. Managen elektrischer Energie auf der Kunden- bzw.
Verbraucherseite bereit zu stellen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zur Reduzierung der Spitzenenergienachfrage eines Kunden von einem
elektrischen Energieversorger bereit zu stellen, indem Energie steuerbar
von einer Akkumulator auf eine bestimmte, relativ gleichbleibende
und wesentliche Last des Kunden ausgerichtet wird, wie z.B. auf
fluoreszierende oder Neonbeleuchtung, wodurch Spitzenenergiebedarf,
der normalerweise von dem elektrischen Versorger abgenommen wird,
umgeleitet wird.
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Diese
Reduzierung des Spitzenenergiebedarfs eines Kunden von einer elektrischen
Energieanlage durch steuerbares Ausrichten von Energie von einem
Akkumulator auf eine bestimmte Last wie Neonbeleuchtung, um dadurch
Spitzenenergieabforderung, die normalerweise von dem elektrischen
Versorger abgenommen wird, umzulenken, ist von enormer Bedeutung
und stellt ein starkes Abrücken
vom Stand der Technik beim Handhaben der schnell auftauchenden Anforderungen
wesentlicher Verbraucherlasten dar, die durch Gleitstromenergie
getrennt und deutlich verschieden von elektrischer Wechselstromenergie
oder von in Gleichstrom gewandelter elektrischer Wechselstromenergie
bedient werden können.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zur Verfügung
zu stellen, die in einem Energiemanagement- oder -steuersystem zum
Wandeln von Wechselstromenergie in Gleichstrom-regulierte Energie
benutzt werden, basierend auf einer Energieversorgungstopologie
mit einem Schaltmodus hohen Wirkungsgrads, wobei ein Akkumulator
als Teil ihrer intrinsischen Schaltung verwendet werden kann.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
zur proportionalen Ausrichtung von Energie von einer Batteriespeichereinrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die in einem Energiesteuersystem verwendet wird, und
zwar als Reaktion auf die Höhe
des Bedarfs nach Spitzenenergie, die von dem Energiesteuersystem
festgestellt wird.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kundenseitiges
Energiesteuersystem und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die automatisch
und wesentlich relativ zu anderen Ansätzen den Wirkungsgrad des Energieverbrauchs
durch den Verbraucher in Hauptbelastungsbereichen steigern, wie z.B.
bei der Beleuchtung und anderen elektronischen Lasten.
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Die
Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche bestimmt.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind durch die abhängigen
Ansprüche
definiert.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein kunden- bzw. verbraucherseitiges
Energiesteuersystem einen Energieumsetzer mit einem oder mehreren
Sensoren, verbunden mit den Energieleitungen des Versorgers, die
in die Anlage des Verbrauchers laufen. Der Energieumsetzer misst
die von der Anlage des Kunden abgenommene Energie und stellt ein
Signal proportional der abgenommenen Energie bereit.
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Das
System kann weiter einen Integrator umfassen, der mit dem Ausgang
des Energieumsetzers verbunden ist. Der Integrator mittelt das Signal
von dem Umsetzer über
einen vorbestimmten Integrationszeitraum hinweg im Wesentlichen
in der gleichen Weise, wie ein Versorger den Spitzenenergieverbrauch
misst. Das Ausgangssignal von dem Integrator wird einem Eingang
einer Komparatorschaltung (oder einer Differenzialverstärkerschaltung,
die faktisch als Komparator arbeitet) zugeführt, die ebenfalls in dem System
enthalten ist.
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Der
weitere Eingang der Komparatorschaltung ist entweder mit einer automatisch
einstellbaren Sollwertschaltung oder einer manuell einstellbaren Sollwertschaltung
verbunden, von denen jede mit der Komparatorschaltung über eine
geeignete Vermittlerschaltung verknüpft werden kann. Die Sollwertschaltungen
stellen für
die Komparatorschaltung ein Schwellenwertsignal zur Verfügung.
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Die
Komparatorschaltung vergleicht das Signal von dem Integrator mit
dem Schwellenwertsignal der Sollwertschaltung und stellt ein Ausgangssignal mindestens
eines Wertes bzw. Betrages, wenn das Ausgangssignal des Integrators
größer als
das oder gleich dem Schwellenwertsignal ist, und mindestens eines
anderen Wertes bzw. Betrages zur Verfügung, wenn das Ausgangssignal
des Integrators niedriger als das Schwellenwertsignal ist.
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Das
Energiemanagementsystem der vorliegenden Erfindung umfasst weiter
einen Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter, der vorzugsweise ein Stromversorgungsgerät vom Typ
der Schaltbetriebsart ist. Das Stromversorgungsgerät hat einen
Steuereingang, der mit dem Ausgangssignal von der Komparator-(oder
Differenzialverstärker-)Schaltung
beaufschlagt wird. Das schaltende Stromversorgungsgerät empfängt wenigstens
einen Anteil der Wechselstromenergie, die von dem Versorger an die
Verbraucheranlage abgegeben wird, und wandelt diesen Teil an ihrem
Ausgang in Gleichstromenergie um.
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Die
Gleichstromenergie von dem Stromversorgungsgerät des Typs der Schaltbetriebsart
wird einer Isolations- und Verteilungsschaltung sowie einer Speichereinrichtung
wie einer Batterie zugeführt. Die
Isolations- und Verteilungsschaltung steuert und leitet Energie
entweder von dem Gleichstrom-Stromversorgungsgerät oder von dem Akkumulator
oder proportional von beiden in Übereinstimmung
mit der Menge der von der Anlage verbrauchten Energie sowie der
von dem Energieumsetzer des Systems ermittelten Energie an eine
Last weiter.
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Diese
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellter Ausführungsformen
derselben offenbar, wobei diese Beschreibung in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit für eine konstante
Beleuchtungslast einer hypothetischen Kunden-, Abnehmer- oder Verbraucheranlage.
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1B ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit für semistochastische, hervorgehobene
Lasten einer hypothetischen Verbraucheranlage.
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1C ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit für semistochastische Lasten
eines längeren
Zyklus' einer hypothetischen Verbraucheranlage.
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1D ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit für eine hypothetische Verbraucheranlage
und zeigt das zusammengesetzte idealisierte Tageslastprofil für eine solche
Anlage.
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2 ist
ein Blockschaltbild eines verbraucherseitigen Energiesteuersystems,
das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist und seine Schnittstelle
mit vorhandenen elektrischen Versorgerenergieleitungen der Verbraucheranlage
darstellt.
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines anderen Energiesteuersystems, das
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
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4 ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit, in vieler Hinsicht ähnlich der 1D,
und zeigt die Ergebnisse des Lastbeschneidens unter Verwendung des
Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Diagramm des elektrischen Energiebedarfs über der Zeit, in vieler Hinsicht ähnlich der 4,
und zeigt das tägliche
Lastprofil einer hypothetischen Verbraucheranlage mit dem Energiesteuersystem
der vorliegenden Erfindung, das in der Anlage arbeitet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf 2 der Zeichnungen wird nunmehr
erkennbar, dass ein verbraucherseitiges Energiemanagement- oder
-steuersystem, das gemäß der Erfindung
ausgebildet ist, leicht mit dem vorhandenen elektrischen Energieleitungssystem
der Kunden-, Abnehmer- oder Verbraucheranlage zusammengeschaltet
werden kann, um die Lasterfordernisse des Verbrauchers zu überwachen.
Um das Verständnis
der Erfindung zu erleichtern, zeigt 2 eine 3Phasen-Strom-Leitung
(Drehstromleitung) (d.h. Leitungen, die mit L1, L2 und L3 bezeichnet
sind und jeweils eine Phase darstellen) sowie einen Nullleiter (d.
h. N), die von dem Versorger kommen und von der Verbraucheranlage
aufgenommen werden. Die 3Phasen-Leitungen L1, L2 und L3 und der
Nullleiter N werden von einer Hauptverteilertafel 2 der
Verbraucheranlage aufgenommen. Die Hauptverteilertafel 2 verteilt
den Strom über
die Anlage und gibt in vielen Fällen
Strom an eine Beleuchtungsverteilertafel 4, die, wie ihr
Name sagt, Energie an die verschiedenen Beleuchtungsschaltkreise
der Anlage verteilt. Mit anderen Worten verteilt die Hauptverteilertafel 2 üblicherweise
die 3Phasen-Stromleitung des
elektrischen Versorgers über
die Verbraucheranlage und damit Energie an die verschiedenen Lasten, die
von der Verbraucheranlage bedient werden. Wie in 1A–1C dargestellt,
gibt es drei Arten sehr üblicher
elektrischer Gleichstromlasten, die von der elektrischen Gleichstromenergie,
die in der öffentlichen
oder elektrischen Anlage erzeugt wird und von der dargestellten
Verbraucheranlage ausgeht, bedient werden müssen, und zwar handelt es sich
um eine Beleuchtungslast (siehe 1A), semistochastische
hervorgehobene Lasten (siehe 1B) und semistochastische
Lasten eines längeren
Zyklus' (siehe 1C).
Damit stellen die 3Phasen-Stromleitung L1, L2 und L3 und der Nullleiter
N von der öffentlichen
Versorgerseite die Verbindung zur Hauptverteilertafel 2 her
und laufen von dieser aus als elektrische Wechselstromleitungen
auf der Verbraucherseite dieser Tafel in eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung
mit dem Verbund der Lasten, die durch die von dem elektrischen Versorger
bereitgestellte Energie versorgt bzw. befriedigt werden müssen, wie
dies in 1A–1C gezeigt
ist.
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Normalerweise
sind die Hauptverteilertafel 2 und die Beleuchtungsverteilertafel 4 mittels
einer oder mehrerer Stromleitungen 6 einschließlich einer Nullleitung 8 miteinander
verbunden, aber zum Zwecke der vorliegenden Erfindung sind die Verbindungsleitungen
zwischen der Hauptverteilertafel und der Beleuchtungsverteilertafel
unterbrochen, wie dies durch gestrichelte Linien in 2 dargestellt
ist. Es ist verständlich,
dass die Unterbrechungen der Leitungen zwischen der Hauptverteilertafel 2 und
der Beleuchtungsverteilertafel 4 mit Einführung des Wechselrichters 1 nur
nötig sind,
wenn die Beleuchtungslast nicht in der Lage ist, allein durch Gleichstrom
versorgt zu werden, womit ein Unterschied zu der Situation besteht,
in der die Beleuchtungslast ganz oder teilweise durch Wechselstromenergie
bedient werden kann. In dem Maß,
in dem das nicht möglich
ist, muss der Wechselrichter 1 verwendet werden, um Wechselstromenergie
zuzuführen,
und zwar immer unter Berücksichtigung
des Umstandes, dass ein Fehler der elektrischen Anlage, Wechselstrom überhaupt
abzugeben, eintreten könnte.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Energiesteuersystem einen Stromwandler- oder Energieumsetzer 10.
Diesem sind ein oder mehrere Spannungs- oder Stromsensoren 12 zugeordnet,
von denen jeder mit jeweils einer Stromleitungsphase verknüpft ist.
Der Stromwandler 10 misst in Realzeit die Energie, die
von der Verbraucheranlage, von dem elektrischen Versorger stammend,
verbraucht wurde, und stellt ein Ausgangssignal entsprechend dieser Messung
zur Verfügung.
Das von dem Energieumsetzer 10 zur Verfügung gestellte Ausgangssignal
ist im Wert oder Betrag proportional der Energie, die von der Verbraucheranlage
verbraucht worden ist. Beispielsweise kann das Ausgangssignal als
Spannung ausgedrückt
werden und einen Bereich von 0 bis +10 oder –10 Volt aufweisen, was einem
Energieverbrauch von 0 bis 100 Kilowatt entspräche. Ein geeigneter Stromwandler 10,
der für
das Energiesteuersystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden
kann, ist Teil Nr. PCE-20, hergestellt von Rochester Instrument
Systems, Inc.
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Das
Ausgangssignal von dem Stromwandler 10 wird vorzugsweise
einer Integratorschaltung 14 zugeleitet. Die Integratorschaltung 14 mittelt
die von dem Energieumsetzer getätigte
Realzeit-Energiemessung. Die Integratorschaltung 14 simuliert
den Betrieb einer ähnlichen
Integrationsschaltung, die der Versorger verwendet, um den Spitzenstrombedarf
seiner Abnehmer zu mitteln.
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Die
Integratorschaltung 14 kann in verschiedener Weise ausgebildet
sein, und zwar einschließlich
der Benutzung eines Operationsverstärkers 16 mit einem
Feedback-Kondensator 18 und
einem Eingangswiderstand 20, wie in 2 gezeigt.
Die Größen von
Kondensator 18 und Widerstand 20 werden so ausgewählt, dass
sie eine gewünschte
Integrationszeit zur Verfügung
stellen. Die Integratorschaltung 14, die in 2 gezeigt
ist, ergibt einen negativen Ertrag; demgemäss kann, wenn solch eine Schaltung
verwendet wird, diese mit dem 0 bis –10V Ausgang des Stromwandlers
verknüpft
werden, um ein positives Ausgangs-Spannungssignal bereitzustellen,
das in Reaktion auf Änderungen
in der von dem Versorger abgenommenen Energie variiert und von den
Sensoren 12 abgetastet wird.
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Das
Energiesteuersystem der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin
eine Komparatorschaltung, die in bevorzugter Form eine Differenzialverstärkerschaltung 21 ist.
Der Ausgang der Integratorschaltung 14 wird einem ersten
Eingang der Differenzialverstärkerschaltung 21 zugeführt. Ein
zweiter Eingang der Differenzialverstärkerschaltung 21 ist
mit einer Koppelschaltung 22 verbunden, die funktionell
in 2 als einpoliger Umschalter 22a dargestellt
ist.
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Noch
genauer gesagt, ist der „Wisch"-Arm 24 der
Koppelschaltung mit dem zweiten Eingang der Differenzialverstärkerschaltung 21 verbunden.
Ein Pol 26 der Koppelschaltung 22 ist mit einer
automatisch einstellbaren Sollwertschaltung 28 verbunden, und
der andere Pol 30 der Koppelschaltung 22 mit einer
manuell einstellbaren Sollwertschaltung 32.
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Die
automatisch und manuell einstellbaren Sollwertschaltungen 28, 32 stellen
durch die Koppelschaltung 22 an den zweiten Eingang der
Differenzialverstärkerschaltung 21 ein
Schwellenwertsignal bereit, das in Form einer Spannung vorliegen
kann. Das Schwellenwertsignal stellt das Energieniveau dar, auf
dem eine Sekundärquelle
für Gleichspannungsenergie
wie eine Speicherbatterie bzw. ein Akkumulator 34, die
einen Teil des Energiesteuersystems bilden, die Energieversorgung
einer oder mehrerer verschiedener Lasten in der Verbraucheranlage übernehmen
soll, wie zu beschreiben ist.
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Verschiedene
manuell einstellbare Sollwertschaltungen sind ins Auge gefasst,
um bei der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. Ein Beispiel einer
solchen ist ein Potentiometer 36, das zwischen positiven
und negativen Spannungen oder einer Spannung V1 und Erde geschaltet
ist, wobei sein Wischarm mit dem Pol 30 der Koppelschaltung 22 verbunden
ist. Solch eine Schaltung würde
eine Schwellenspannung an die Differenzialverstärkerschaltung 21 bereitstellen.
Die Sollwertschaltung 32 würde nach einer Analyse des
Verbrauchsprofils des Energieverbrauchs eingestellt werden. Der
Schwellenwert würde
so gesetzt werden, dass irgendwelche stochastischen oder wiederkehrenden
(d.h. nicht – willkürlichen,
gemäß Tageszeit
auftretenden) Spitzen im täglichen
Energiebedarf des Verbrauchers voll oder anteilig durch die sekundäre Gleichstrom-Energiequelle
des Energiesteuersystems zur Verfügung gestellt würden, wie
dies in 2 dargestellt ist.
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Die
automatisch einstellbare Sollwertschaltung 28 leitet periodisch
den Maximalwert des aktuellen Spitzenspannungsbedarfs über vorbestimmte Zeiträume hinweg
ab und speichert ihn beispielsweise täglich oder monatlich, und stellt
einen Schwellenwert bereit, der auf einem „sich bewegenden Mittelwert", durch die Schaltung
berechnet, basiert. Dieses Schwellenwertsignal wird dem Eingang
der Differenzialverstärkerschaltung 21 über die
Koppelschaltung 22 zur Verfügung gestellt. Die automatische
Sollwertschaltung 28 stellt automatisch das Schwellenwertsignal
entsprechend dem sich bewegenden Mittelwert des Spitzenenbedarfs
des Verbrauchers zur Verfügung,
das sie algorithmisch berechnet. Ein Beispiel einer solchen Schaltung
ist im US Patent Nr. 4,731,547 offenbart, das für Phillip Alenduff et al erteilt
wurde.
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Wie
der Name sagt, vergleicht die Komparator-(oder besonders bevorzugt
die Differenzialverstärker-)Schaltung 21 das
Schwellenwertsignal, das von einer der von der Koppelschaltung 22 ausgewählten Sollwertschaltungen 28, 32 zur
Verfügung gestellt
wird, mit dem Ausgangssignal von der Integratorschaltung 14,
wobei das Ausgangssignal die Energie darstellt, die von dem Versorger über den vorbestimmten
Integrationszeitraum gemittelt abgenommen wird. Wenn das Ausgangssignal
von der Integratorschaltung 14 im Betrag größer als
das Schwellenwertsignal ist, das heißt andeutet, dass überschüssige oder
Spitzenenergie verbraucht wird, stellt die Differenzialverstärkerschaltung 21 dieses fest
und ein proportionales Ausgangssignal zur Verfügung, das mit dem kompatibel
ist, das erforderlich ist, um einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler oder
ein Stromversorgungsgerät 38 vom
Schaltbetriebsart-Typ zu steuern, die einen Teil des Energiesteuersystems
bilden, wie noch zu beschreiben ist.
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Eine
Form einer Differenzialverstärkerschaltung 21,
die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist
ein Operationsverstärker 40 mit
einem Feedback-Widerstand 42 und
einem Eingangswiderstand 44, wobei das Schwellenwertsignal an
den Invertereingang des Operationsverstärkers 40 durch den
Eingangswiderstand 44 zur Verfügung gestellt wird, und wobei
das Ausgangssignal von der Intergratorschaltung 14 an einer
Seite eines zweiten Eingangswiderstandes 43 bereit gestellt
wird, dessen andere Seite mit dem nicht-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers
und einem weiteren Widerstand 45 gegen Erde verbunden ist.
Wenn die Werte des ersten Eingangs- und des Feedback-Widerstandes 44 bzw. 42 denen
des zweiten Eingangs- und des geerdeten Widerstandes 43 bzw. 45 gleich sind,
so wird das Ausgangssignal von der Differenzialverstärkerschaltung 21 auf
einem Spannungsniveau liegen, das gleich der Differenz zwischen
den Spannungsniveaus des Ausgangssignals der Integratorschaltung
und des Schwellenwertsignals liegen, multipliziert mit dem Verhältnis zwischen
den Werten der Feedback- und ersten Eingangswiderstände 42, 44.
Folglich ist das Ausgangssignal von der Differenzialverstärkerschaltung 21 bevorzugt
auf einem Spannungsniveau, das proportional mit der Differenz zwischen
dem Ausgangssignal von der Integratorschaltung 14 und dem
Sollwert-Schwellenwertsignalniveau variiert.
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Wie
noch im größeren Detail
beschrieben wird, stellen viele Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgeräte ihre
Ausgangsspannungsniveaus proportional der Spannung ein, die ihrem
Steuersignaleingang zugeführt
werden, und arbeiten mit positiven Steuersignalspannungen, beispielsweise
0 Volt bis 10 Volt für
eine Ausgangseinstellung von 125 Volt bis 110 Volt. Um negative
Spannungsschwankungen im Ausgangssignal von der Differenzialverstärkerschaltung 21 zu
vermeiden, z. B. wenn sich das Niveau des Ausgangssignals der Integratorschaltung
unterhalb des Sollwert-Schwellenspannungssignalniveaus
befindet, kann man eine positive Versorgungsspannung an den geeigneten
Versorgungsanschluss des Operationsverstärkers 40 anlegen und
den negativen Versorgungsanschluss erden. Wahlweise kann man eine
Diode (nicht gezeigt), deren Anode geerdet und deren Kathode mit
dem Ausgang des Operationsverstärkers 40 verbunden
ist, verbinden, um das Ausgangssignal des Differenzialverstärkers auf
0 Volt festzuhalten, wenn das Ausgangssignal von der Integratorschaltung 14 geringer
als das Sollwert-Schwellenwertsignalniveau ist.
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Statt
die Differenzialverstärkerschaltung 21 zu
verwenden, die ein fortlaufend variables Ausgangssignal zur Verfügung stellt,
das proportional zur Differenz zwischen dem Schwellenwertsignal
und dem Ausgangssignal der Integratorschaltung ist, kann auch ein
einfacher Komparator wie in der Form eines Operationsverstärkers verwendet
werden. Das Ausgangssignal des Integrators und das Schwellenwertsignal
werden an die zwei Eingänge
des Komparators angelegt, und das Ausgangssignal des Komparators
wird dem Steuereingang des Wechselstrom-Gleichstrom-Konverters 38 zugeführt. Wenn das
Ausgangssignal der Integratorschaltung höher als das Schwellenwertsignal
ist, so befindet sich das Ausgangssignal des Komparators in einem
ersten Zustand, um dem Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter 38 zu
signalisieren, ein erstes Ausgangsspannungsniveau zur Verfügung zu
stellen. Wenn das Ausgangssignal der Integratorschaltung niedriger
als das oder gleich dem Schwellenwertsignal ist, so befindet sich
das Ausgangssignal des Komparators in einem zweiten Zustand, um
dem Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter 38 zu signalisieren,
ein zweites Ausgangsspannungsniveau zur Verfügung zu stellen.
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Wie
bereits zuvor erwähnt,
umfasst das Energiesteuersystem der vorliegenden Erfindung eine Wechselstrom-Gleichstrom-Konverterschaltung 38. Bevorzugt
handelt es sich bei der Konverterschaltung 38 um ein Stromversorgungsgerät des Schaltertyps,
das dafür
bekannt ist, eine vernünftige
Regulierung und hohe Wirksamkeit aufzuweisen. Die Energieleitung 6 und
die Nullleitung 8 von der Hauptverteilertafel 2,
die ursprünglich
für die
Beleuchtungsverteilertafel 4 vorgesehen waren, werden nun
an den Wechselstrom-Eingängen
des Schaltstromversorgungsgeräts 38 angeordnet.
Das Ausgangssignal von der Komparator- oder Differenzialverstärkerschaltung 21 wird
dem Steuereingang des Stromversorgungsgeräts zugeführt. Das Stromversorgungsgerät 38 wandelt
die ihm zugeführte
Wechselstromenergie in Gleichspannung und -strom, um eine bestimmte
Last oder Lasten in der Verbraucheranlage, z. B. eine Neon-Beleuchtungslast 46,
zu betreiben, wie dies in 2 dargestellt
ist. Ein geeignetes Wechselstrom-Gleichstrom-Koppelstromversorgungsgerät 38,
das in dem Energiesteuersystem der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann, ist Teil-Nr.
2678644, hergestellt durch Techni Power Corp., eine Penril Firma,
sesshaft in Connecticut. Für größere Energiebetriebserfordernisse
können
mehrere Stromversorgungsgeräte
parallel geschaltet werden, wobei sämtliche durch die Komparator- oder Differenzialverstärkerschaltung 21 gesteuert
werden. Welcher Wechselstrom-Gleichstromkonverter 38 auch
immer benutzt wird: Die Komparator- oder Differenzialverstärkerschaltung 21 ist
so ausgelegt, das kompatible Steuersignal zur Verfügung zu
stellen, um den Konverterausgang wie erforderlich zu verändern.
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Die
Ausgangsspannung des Koppel-Gleichstrom-Versorgungsgeräts 38 ist
proportional zu dem von ihm empfangenen Steuersignal einstellbar.
Beispielsweise kann das Stromversorgungsgerät so ausgewählt oder gestaltet werden,
dass eine an den Steuereingang des Stromversorgungsgeräts angelegte
Steuerspannung in der Größe von 0
bis 10 Volt die Ausgangsgleichspannung des Stromversorgungsgeräts umgekehrt
von 125 bis 110 Volt einstellt. Wie noch detaillierter beschrieben
wird, stellt die Steuerung der Ausgangsspannung des Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgeräts 38 einen
wesentlichen Gesichtspunkt des Energiesteuersystems dar, da sie
es ermöglicht,
dass die Beleuchtung oder eine andere Last durch Energie von dem
elektrischen Versorger oder von der in der Verbraucheranlage angeordneten
Sekundär-Gleichstromquelle
wie dem Akkumulator 34 betrieben wird.
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Die
Gleichstrom-Ausgangsspannung von dem Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgerät 38 wird
an einer Energieisolier- und -verteilungsschaltung 48 und
eine zweite Quelle für
Gleichstromenergie, bei der es sich in der bevorzugten Form der
Erfindung um einen Akkumulator 34 handelt, angelegt. Genauer
gesagt wird der positive Anschluss oder Ausgang des Stromversorgungsgeräts 38 an den
Eingang der Energieisolations- und -verteilungsschaltung 48,
ein Ausgang der Energieisolations- und -verteilungsschaltung an
die Energieleitung 6, die mit der Beleuchtungsverteilungstafel 4 verknüpft ist,
und ein weiterer Ausgang der Energieisolations- und -verteilungsschaltung
an den positiven Ausgang des Akkumulators 34 angelegt.
Der negative Ausgang des Stromversorgungsgeräts 38 wird an den negativen
Ausgang des Akkumulators 34 und den Nullleiter 8,
der mit der Beleuchtungsverteilertafel 4 verknüpft ist,
angelegt. Auf diese Weise verknüpft sorgt
das Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgerät 38 nicht nur für Gleichstromenergie
an die Beleuchtung oder eine andere Last 46 des Verbrauchers,
sondert sie lädt
zu Zeiten niedrigen Energiebedarfs auch den Akkumulator auf.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Energieisolations- und -verteilungsschaltung 48 grundsätzlich aus
einer Reihe drei miteinander verbundener Dioden 50, 52, 54.
Die Anode der dritten Diode 54 ist mit dem positiven Ausgangsanschluss
des Stromversorgungsgeräts 38 verbunden,
und ihre Kathode ist mit dem positiven Anschluss des Akkumulators 34 verbunden.
Von der zweiten Diode 52 ist die Anode mit dem positiven
Anschluss des Akkumulators 34 und die Kathode mit dem ersten
Ausgang der Energieisolations- und -verteilerschaltung 48 verbunden,
wobei der zuletzt genannte Ausgang mit der Energieleitung 6 verknüpft ist,
die mit der Beleuchtungsverteilungstafel 4 verbunden ist.
Von der ersten Diode 50 ist die Anode mit dem positiven
Ausgangsanschluss des Stromversorgungsgeräts 38 und die Kathode
mit der Kathode der zweiten Diode 52 und dem ersten Ausgang
der Energieisolations- und -verteilungsschaltung 48 verbunden.
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Die
Dioden der Energieisolations- und -verteilungsschaltung sorgen für eine Isolation
zwischen dem Akkumulator 34 und dem Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgerät 38 und
schaffen einen größeren „Unempfindlichkeitsbereich" oder Pufferbereich,
um zu ermöglichen,
dass der Akkumulator in den Schaltkreis geschaltet wird, um der
Beleuchtung oder einer anderen Last 46 Energie zuzuführen oder um
von der Schaltung isoliert zu werden. Bei den Dioden 50–54,
die in der Energieisolations- und -verteilungsschaltung verwendet
werden, handelt es sich vorzugsweise um Hochleistungs-Siliziumdioden.
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Die
Energieisolations- und -verteilungsschaltung 48, das Stromversorgungsgerät 38 und
der Akkumulator 34 arbeiten in folgender Weise: Angenommen,
der Akkumulator hat 124 Volt Gleichstrom und der Ausgang des Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgeräts ist beispielsweise
125 Volt Gleichstrom, so werden die erste und dritte Diode 50, 54 in
Vorwärtsrichtung
betrieben, sodass das Potenzial am ersten und zweiten Ausgang der
Energieverteilungsschaltung jeweils 124.3 Volt beträgt, wobei
Diodenabfälle
von 0,7 Volt angenommen werden. Die zweite Diode 52 ist
im Wesentlichen rückwärts gespannt und
nicht eingeschaltet. Das Gleichstrom-Versorgungsgerät 38 liefert
Strom an die Beleuchtung oder eine andere Last 46 ebenso
wie an den Akkumulator 34, um diesen zu laden. Diese Bedingung
tritt zu Zeiten auf, zu denen kein Spitzenstrombedarf besteht.
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Wenn
sich beispielsweise der Ausgang des Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgeräts auf 123
Volt verringert, so werden die erste und dritte Diode 50, 54 der
Energieisolations- und -verteilungsschaltung rückwärtig gespannt, und die zweite
Diode 52 wird in Vorwärtsrichtung
betrieben. Unter diesen Bedingungen trägt der Akkumulator 34 zur
Stromversorgung für
die Beleuchtung oder andere Lasten bei. Diese Bedingung tritt während Spitzenstrombedarfszeiten
auf. Die Energiemenge, die von der Speicherbatterie 34 an
die Last beigetragen wird, ist im Wesentlichen gleich der durch
den Verbraucher vom Versorger abgenommenen Energiemenge, die die Sollwertschwelle übersteigt,
bis hin zur Obergrenze der Last.
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Beispielsweise
sei angenommen, dass der Verbraucherbedarf 750 Kilowatt beträgt, die
Sollwertschwelle auf 800 Kilowatt gesetzt ist und die von dem Energiesteuersystem
der vorliegenden Erfindung gesteuerte Beleuchtungslast bei 100 Kilowatt
liegt. Da der Kundenbedarf unterhalb der Spitzensollwertschwelle
liegt, wird die Beleuchtungslast des Verbrauchers total vom Versorger über den
Wechselstrom-Gleichstromkonverter bedient, und der Akkumulator 34 wird
unter diesen Bedingungen wieder aufgeladen. Dies kann als erster
Betriebszustand des Energiesteuersystems betrachtet werden.
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Es
sei nunmehr angenommen, dass der Verbraucherbedarf auf 850 Kilowatt
angestiegen ist, was 50 Kilowatt über der 800 Kilowatt-Sollwertschwelle liegt,
die vom Management- oder Steuersystem gesetzt ist. Unter diesen
Bedingungen nimmt die Beleuchtungslast, die von dem System gesteuert
wird, 50 Kilowatt von dem Versorger über den Wechselstrom-Gleichstromkonverter 38 und
50 Kilowatt Energie aus dem Akkumulator. Somit besteht ein proportionales
Teilen des Stroms an die Last vom Versorger und vom Akkumulator,
um Energie an die Beleuchtung oder eine andere Last zur Verfügung zu
stellen. Dieses kann als ein zweiter Betriebszustand des Systems
betrachtet werden.
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Sollte
der Verbraucherbedarf auf 1000 Kilowatt steigen, was 200 Kilowatt
oberhalb des Schwellenwertes liegt, so wird die Beleuchtungslast
gänzlich von
dem Akkumulator her mit Energie versorgt und nicht von dem Versorger.
Dieses ist ein dritter „nicht unterbrechbarer" Betriebsmodus des
Systems.
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Bevorzugt
wird der Akkumulator 34 aus einer Reihenverbindung von
zehn 12 V-Gleichstrombatterien
gebildet. Eine Batterieform, die zur Benutzung geeignet ist, ist
eine versiegelte, wartungsfreie Bleibatteriereihe ABSULYTE®,
hergestellt von der GNB, Inc.
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Nunmehr
wird der Betrieb des Energiemanagementsystems der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Ein stochastischer oder wiederkehrender Spitzenenergiebedarf,
wie er in 1D gezeigt ist, wird von dem
Stromumsetzer 10 festgestellt. Das Spannungsniveau des
Ausgangssignals von dem Stromwandler steigt, und dieser Anstieg
im Spannungsniveau wird durch die Integratorschaltung 14 über einen
vorbestimmten Integrationszeitraum gemittelt. Das Ausgangssignal
der Integratorschaltung steigt demgemäss ebenfalls in der Größe. Ist
das Ausgangssignalniveau des Integratorschaltkreises 14 größer als
das Schwellenwertsignalniveau jeder der Sollwertschaltungen 28, 32,
die mit dem System verbunden sind, so stellen dies der Komparator
oder der Differenzialverstärkerschaltkreis 21 fest
und sorgen für
ein geeignetes Ausgangssignal an das Wechselstrom-Gleichstrom-Versorgungsgerät 38,
um die Energieversorgungs-Ausgangsspannung auf unterhalb des Potenzials
des Akkumulators 34 zu verringern. Da das Akkumulatorpotenzial
größer als
die Stromversorgungsspannung ist, wird Energie von dem Akkumulator 34 an
die Last abgegeben.
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Wenn
der elektrische Energiebedarf von dem Versorger abnimmt, erfolgt
eine entsprechende Abnahme in der Größe des Ausgangssignals von dem
Stromumsetzer 10 und der Integratorschaltung 14.
Wenn das Ausgangssignal von der Integratorschaltung auf das Schwellenwertniveau,
das von den Sollwertschaltungen 28, 32 eingestellt
ist, oder darunter fällt,
so stellen dies der Komparator oder Differenzialverstärkerschaltkreis 21 fest
und sorgen für das
geeignete Signal an den Steuerungseingang des Koppelstromversorgers 38,
um das Ausgangsspannungsniveau der Spannungsversorgung anzuheben. Wenn
das Ausgangsspannungsniveau der Versorgung größer als das gegenwärtige oder „Spot" – Potenzial des Akkumulators 34 ist,
so wird die Last erneut ganz von dem Stromversorgungsgerät bedient, und
Strom fließt
auch zum Akkumulator, bis dieser völlig geladen ist. Bei diesem
Betriebszustand fließt kein
Strom vom Akkumulator zur Last.
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Eine
weitere Form des Energiemanagement- oder -steuersystems der vorliegenden
Erfindung ist schematisch in 3 gezeigt.
Der Energieumsetzer 10 ist mit einer oder mehreren der
Versorgerenergieleitungen des Verbrauchers verbunden, wie dies in 2 gezeigt
ist, und sein Ausgang ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines
Betriebsverstärkers 60 verbunden,
der als nicht-invertierender Trennverstärker ausgebildet ist. Der Ausgang
des Trennverstärkers 60 ist
mit einer Seite einer Differenzialverstärkerschaltung verbunden, die
einen Operationsverstärker 40,
einen ersten Eingangswiderstand 43, der zwischen dem Trennverstärkerausgang
und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 verknüpft ist,
und einen weiteren Widerstand 45 umfasst, der zwischen
dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und Erde
geschaltet ist. Der Differenzialverstärker schließt einen weiteren Eingangswiderstand 44,
verbunden mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40,
einen Feedbackwiderstand 42, verbunden zwischen dem Ausgang
und invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, und einen Feedback-Kondensator 62,
parallel geschaltet mit dem Feedback-Widerstand, ein. Die Eingangswiderstände 43, 44 sind
vorzugsweise gleichwertig, wie dies auch für den Feedback-Widerstand 42 und
den geerdeten Widerstand 45 wie in der vorhergehenden Ausführungsform
zutrifft. Der Feedback-Kondensator 62 ist vorgesehen, um
die Reaktionszeit des Differenzialverstärkers zu verlangsamen.
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Eine
manuelle Sollwert-Schwellenschaltung umfasst ein Potentiometer 36,
dessen entgegengesetzte Anne zwischen einer positiven Spannung und Erde
verknüpft
sind und dessen Schleifkontakt, der am nicht invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 64 vorgesehen
ist, als nicht-invertierender Sperrverstärker ausgebildet ist. Der Ausgang
des Sperrverstärkers 64 ist
am anderen Eingangswiderstand 44 des Differenzialverstärkers vorgesehen.
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Der
Ausgang des Differenzialverstärkers
ist an einem Spannungs-Strom-Wandler vorgesehen, der Spannungs-Strom-Wandler
umfasst einen NPN-Transistor 66, einen Widerstand 68,
verbunden zwischen dem Ausgang des Differenzialverstärkers und
der Basis des Transistors 66, und einen Emitter-Widerstand 70 sowie
eine in Reihe geschaltete Diode 72, die zusammen zwischen
dem Emitter des Transistors und Erde verknüpft sind. Der Kollektor des
Transistors 66 ist mit einem Ende eines festen Widerstandes 74 und
einem Ende des Schleifkontakts eines Mehrfach-Drehpotentiometers 76 verbunden,
dessen anderes Ende geerdet ist. Das verbleibende Ende des festen
Widerstands 74 ist mit dem Einstelleingang (ADJUST) eines
Reihenreglers 78, so z.B. wie Teil-Nr. TL 783C, hergestellt
von Texas Instruments, und mit einem Ende eines weiteren festen Widerstandes 80 verbunden,
dessen anderes Ende mit dem Ausgang (OUT) des Reglers 78 verbunden ist.
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Wie
in der vorhergehenden Ausführungsform
schließt
das Energiesteuersystem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler,
der den zuvor erwähnten
Regler 78 umfasst, eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung,
bestehend aus zwei Dioden 82, 84, und ein herkömmliches
pi-Filter, bestehend aus zwei Bypass-Kondensatoren 90, 92,
und eine Reihendrossel oder einen Induktor 94 ein, wobei
die Filterschaltung mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden
ist. Der Ausgang der Filterschaltung ist mit einem Schenkel eines
festen Widerstands 96 verbunden, dessen anderer Schenkel
mit dem Eingang (IN) des Reglers 78 und der Basis eines
PNP-Transistors 98 über
einen Basiswiderstand 100 verbunden ist. Der Emitter des
Transistors 98 ist mit dem Ausgang der Filterschaltung
verbunden, und der Kollektor ist mit der Basis eines NPN-Leistungstransistors 102 verknüpft. Ein
geeigneter, zu verwendender Leistungstransistor 102 ist
Teil-Nr. TIPL762, hergestellt von Texas Instruments. Natürlich wird
der Leistungstransistor entsprechend den Energieerfordernissen des
Systems ausgewählt.
Der Kollektor des Leistungstransistors 102 ist mit dem
Emitter seines Antriebstransistors 98 und mit dem Ausgang
des Filters verbunden, und der Emitter des Transistors 102 ist
mit dem Ausgang des Reglers 78 geschaltet. Die Transistoren 98 und 102 und
ihre zugehörigen
Komponenten bilden eine Stromverstärkerschaltung.
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Das
in 3 gezeigte Energiemanagementsystem umfasst weiter
eine Isolations- und Verteilungsschaltung, bestehend aus drei miteinander
verbundenen ersten, zweiten und dritten Dioden 50, 52, 54 wie
in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, die
in 2 dargestellt ist. Der Ausgang des Reglers 78 ist
mit den Anoden der ersten und dritten Diode 50, 54 geschaltet.
Die Anode der zweiten Diode 52 und die Kathode der dritten
Diode 54 sind mit dem positiven Anschluss eines Akkumulators 34,
der in dem Energiesteuersystem verwendet wird, und die Kathoden
der zweiten und dritten Diode 52, 54 mit der Last 46,
die von dem System mit Energie versorgt wird, verbunden.
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Das
in 3 gezeigte Energiesteuersystem arbeitet in folgender
Weise: Wenn von dem Versorger abgenommene Energie dermaßen beschaffen ist,
dass das Ausgangsniveau des Umsetzers 10 unterhalb des
Sollwert-Schwellenniveaus liegt, ist der Transistor 66 des
Spannungs-Strom-Wandlers nicht-leitend. Dies erhöht in wirksamer Weise den Widerstand
des unteren Schenkels eines Widerstandsteilernetzwerks, definiert
durch Widerstand 80, umfassend den oberen Schenkel, und
die Kombination des Widerstands 74 und die Parallelkombination
des Mehrfach-Drehpotentiometers 76 und des Widerstands
des Spannungs-Strom-Wandlers, die den unteren Schenkel des Netzwerks
umfassen. Unter solchen Bedingungen wird die Spannung an der Anode der
ersten Diode 50 größer als
die Spannung an der Anode der zweiten Diode 52 sein, bei
der es sich um die Spannung des Akkumulators 34 handelt.
Die erste Diode 50 wird eingeschaltet, und die zweite Diode 52 wird
rückwärtig gespannt,
sodass die Last 46 mit Energie von dem Versorger durch
den Wechselstrom-Gleichstromkonverter, d. h. die Vollwellen-Gleichrichterspannung,
den Filter und die Stromverstärkerschaltung
versorgt wird.
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Wenn
der Wandler 10 des Energiemanagementsystems einen Anstieg
in der vom Kunden abgenommenen Versorgerenergie feststellt, übersteigt das
Ausgangssignal von dem Sperrverstärker 60 die Höhe des Ausgangssignals
des Sperrverstärkers 64 für das Schwellensignal.
In Reaktion darauf stellt der Differenzialverstärker ein Ausgangssignal positiver Spannung
bereit, das dazu führt,
dass der Transistor 66 des Spannungs-Strom-Wandlers stromleitend wird.
Dies senkt in wirksamer Weise den Widerstand des unteren Schenkels
des Widerstandsteilernetzwerks herab, was wiederum die Spannung
an der Anode der ersten Diode 50 vermindert. Wenn die Spannung
an der Anode der ersten Diode 50 bis zu einem Punkt verringert
wird, an dem die zweite Diode 52 vorwärts gespannt ist und betrieben
wird, fließt
Strom von dem Akkumulator 34 zur Last. Da nunmehr weniger
Energie von dem Versorger abgenommen wird, verringert sich die Ausgangsspannung
von dem Energiewandler 10, was die Ausgangsspannung des Differenzialverstärkers und
den durch den Kollektor des Spannungs-Strom-Konvertertransistors 66 beeinflusst.
Dies ändert
die Spannung an der Anode der ersten Diode 50 bis zu einem
Punkt, an dem eine proportionale Teilung der Energie von dem Akkumulator und
dem Versorger vorliegt. Somit arbeitet das Energiesteuersystem als
Servosystem mit Feedback und hat die Fähigkeit der Selbstnivellierung.
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Wie
man aus der obigen Beschreibung erkennt, kann das Energiesteuersystem
der vorliegenden Erfindung leicht in einer Verbraucheranlage unter
geringer oder gar keiner Neuverdrahtung installiert werden. Da die
Hauptverteilertafel 2 üblicherweise
mit einer zweiten, einer Beleuchtungsverteilertafel 4 verbunden
ist, kann die Verbindung zwischen den beiden getrennt und mit dem
Energiesteuersystem verbunden werden. Auch ist Neon-Beleuchtung, die für einige
Verbraucher des Versorgers annähernd 40%
der Gesamtlast ausmachen kann, eine besonders attraktive Last, um
in Verbindung mit dem Energiesteuersystem zu arbeiten. Die Beleuchtungslast bleibt
während
des Tages ziemlich konstant, und deshalb können die Parameter des Energiemanagementsystems
leicht für
das Betreiben einer solchen Last optimiert werden. Zusätzlich funktionieren
viele der elektronischen Schaltgeräte, die derzeit und in steigendem
Maße bei
Neon-Beleuchtung verwendet werden, entweder mit Gleichstrom (DC)
oder mit Wechselstrom (AC). Wenn eine Neon-Beleuchtung, entweder
mit elektronischen oder magnetischen Vorschaltgeräten versehen,
von dem System gesteuert und durch Wechselstrom mit Energie beaufschlagt werden
soll, so kann dies erreicht werden, indem man einen Inverter 110 benutzt,
der zwischen dem Ausgang der Energieisolations- und -Verteilungsschaltung 48 (und
dem negativen Anschluss des Wechselstrom-Gleichstromkonverters 38)
und der mittels gestrichelter Linien in 2 gezeigten
Beleuchtungsverteilertafel 4 zwischengeschaltet ist. Demgemäss ist Neon-
oder eine andere Beleuchtung perfekt für den Betrieb mit dem Energiesteuersystem der
vorliegenden Erfindung geeignet.
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Das
Energiesteuersystem der vorliegenden Erfindung ist ausgelegt, um
stochastische oder wiederkehrende Spitzenlasten aus der elektrischen
Energieversorgungsleitung des Kunden zu beseitigen, und zwar mit
dem Ziel des grundlegenden finanziellen Vorteils des Verbrauchers
unter Vermeidung von Bedarfskosten, wie in den Zeichnungen dargestellt, die
mittels gestrichelter Linien die Beseitigung solcher Spitzen aus
dem Versorgungsbedarf des Kunden zeigt. Aber auch zum grundlegenden
Vorteil des elektrischen Versorgers sieht das Energiemanagementsystem
eine Lastverschiebung vor. Der Schwellenwert wird durch das System
einstellbar gesetzt, um solche Bedarfslasten zu beseitigen und zu
verschieben, wie dies durch 5 der Zeichnungen
dargestellt wird.
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Ein
typisches Abnehmer-Lastprofil ist durch die ausgezogene Linie in 5 gezeigt,
wobei eine Spitze im Profil um oder ungefähr um ein Uhr mittags auftritt.
Während
des Spitzenzeitraumes schaltet das Energiesteuersystem automatisch
ein, um die verbrauchte Versorgerenergie zu reduzieren. Während solcher
Zeiten entlädt
der Akkumulator 34 im Wesentlichen, wie dies durch den
Buchstaben D in 5 dargestellt ist, um Energie
an die Beleuchtung und andere Lasten zu liefern. Dieses reduziert
das Kunden-Lastprofil zu dem, das durch die gestrichelte Linie in 5 dargestellt
ist.
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Zu
Zeiten niedrigen Energiebedarfs lädt das Energiesteuersystem
den Akkumulator 34, wie dies zuvor beschrieben wurde. Die
Zeiten, in denen die Batterie lädt,
sind durch den Buchstaben C in 5 angedeutet.
Diese Lastverschiebung kann auch zu voreingestellten Zeiten durchgeführt werden.
Wie mittels 2 dargestellt, können die
Koppelschaltung 22 und die Differenzialverstärkerschaltung 24 unterbrochen
werden, wie dies durch gestrichelte Linien dargestellt ist, um zwischen
den beiden eine Relais- oder Koppelschaltung 112 einzufügen. Eine
Relais- oder Koppelschaltung 12 ist funktionell als einpoliger
Umschalter 112a bildlich dargestellt, wobei sein (Wisch)
Kontakt 114 der Differenzialverstärkerschaltung 21 und
ein Pol 116 mit dem (Wisch) Kontakt 24 der Koppelschaltung 22 verbunden
sind. Der verbleibende Pol 118 kann mit einer Spannungsquelle
V verbunden werden, deren Größe geringer
als die des Ausgangssignals von der Integratorschaltung 14 oder
dem Energieumsetzer 10 ist, das während der Zeiträume erwartet
wird, wenn eine Lastverschiebung gewünscht ist.
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Eine
Takterschaltung 120 ist mit der Relais- oder Koppelschaltung 112 verknüpft, um
die Schaltung so zu steuern, dass zu vorbestimmten Zeiten die Verbindung
zwischen der Koppelschaltung 22 und der Differenzialverstärkerschaltung 21 durch
Relais- oder Koppelschaltung 112 unterbrochen wird, und dass
Spannung V an die Differenzialverstärkerschaltung 21 durch
Relais- oder Koppelschaltung 112 angelegt wird. Da Spannung
V so ausgewählt
ist, dass sie niedriger als die Ausgangsspannungen der Integratorschaltung 14 und
des Energieumsetzers 10 ist, stellt das Ausgangssignal
der Differenzialverstärkerschaltung 21 sicher,
dass die Ausgangsspannung der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung 38 niedriger
als das Potenzial des Akkumulators 34 ist. Dementsprechend
stellt die (Speicher) Batterie 34 vorbestimmte Energie
für die
ausgewählten
Lasten während
programmierter, vom Taktgeber 120 gesteuerter „ein" – Zeiten bereit.
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Ferner
kann auch ein externer Steuereingang 122 vorgesehen und
mit dem Relais 112 verbunden werden, um es zu ermöglichen,
dass ein externes Steuersignal das Relais schaltet, wenn eine Lastverschiebung
gewünscht
wird. Der Steuereingang kam optional mit einem Modem 124 verbunden sein,
das kunden- oder verbraucherseitig angeordnet ist, sodass beispielsweise
der Versorger selbst aus der Entfernung steuern kann, wenn eine
Lastverschiebung auf der Verbraucherseite eintreten soll, indem
ein Signal zum Steuern des Relais 112 an das Modem 124 übermittelt
wird.
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Da
der Versorger für
Spitzenlastverbrauch einen Aufpreis belastet, kann die Beseitigung
stochastischer oder wiederkehrender Spitzenlasten aus der Versorgung
die für
den Verbraucher auftretenden Elektrizitätskosten signifikant verringern.
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Da
der Akkumulator nur während
seltener Zeiträume
des Spitzenenergiebedarfs verwendet wird, können die gesteuerte Entladungstiefe
und der Lade- und Entladezyklus des Akkumulators minimiert werden.
Folglich verlängert
sich die Lebensdauer des Akkus.
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Es
sei auch bemerkt, dass weitere Arten sekundärer Energiequellen wie ein
Energiegenerator oder eine photovoltaische Einrichtung verwendet werden
können.
Diese Einrichtungen können
anstelle des Akkumulators 34 verwendet oder in geeigneter Weise
in das Energiesteuersystem eingeschaltet werden, um den Akku zu
ersetzen oder zu ergänzen.