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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erkennung der aktuellen Höhe
der ein elektrisches Gerät, insbesondere Heizgerät, speziell
Durchlauferhitzer, speisenden Netzwechselspannung.
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Die Leistung elektrischer Geräte, insbesondere die Heizleistung
elektrischer Heizgeräte, wie Durchlauferhitzer, Wärmespeicher oder
Wärmepumpen, oder die Drehzahl von Elektromotoren, hängt von der
aktuellen Höhe der Netzspannung ab. Die von den
Versorgungsunternehmen gelieferte Netzspannung liegt beispielsweise
in einem Toleranzbereich von 230 V ± 10%. Die aktuelle
Ausgangsleistung von nicht geregelten, sondern nur gesteuerten
elektrischen Geräten hängt damit von der aktuellen Höhe der
Netzspannung ab. Bei einem elektrischen Wasser-Durchlauferhitzer mit
einer Nennleistung von beispielsweise 27 kW ergibt sich bei der in
Rechnung zu stellenden Toleranz der Netzwechselspannung eine
Ausgangsleistung von 27 kW ± 5,5 kW. Schwankungen der
Netzwechselspannung im Toleranzbereich führen also zu sich erheblich
ändernden Ausgangsleistungen, beispielsweise der
Warmwassertemperatur eines Durchlauferhitzers.
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Bei geregelten Durchlauferhitzern tritt dieses Problem nicht auf. Denn
bei diesen wird als Regelgröße die Wasser-Auslauftemperatur erfasst
und entsprechend des jeweils eingestellten Sollwerts und der sonstigen
Störgrößen geregelt. Zur Erfassung der Auslauftemperatur sind jedoch
aufwändige, kostenintensive Sensoren nötig. Diese arbeiten
üblicherweise analog, so dass für die Verarbeitung der Ausgangssignale
des Temperatursensors A/D-Wandler notwendig sind, um die Signale
einem digital arbeitenden, das elektrische Gerät steuernden
Mikrocontroller zuzuführen.
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Im Prinzip lässt sich bei Durchlauferhitzern eine für den Nutzer
hinreichend konstante Auslauftemperatur - entsprechend dem von ihm
eingestellten Temperatur-Sollwert - auch ohne Regelung, sondern nur
mit Steuerung erreichen. Denn die Temperaturschwankungen
erzeugenden Störgrößen, wie Toleranzen der Heizwiderstände
Toleranzen oder Nichtlinearitäten des Einlauftemperaturfühlers, sind für
jedes Gerät bekannt. Sie können bei der Endprüfung des Geräts,
beispielsweise Durchlauferhitzers ermittelt werden und über
entsprechende Korrekturfaktoren in einem dem Mikrocontroller
zugeordneten Speicher (EEPROM) oder direkt im Mikrocontroller
abgelegt werden. Hierzu sind verschiedene Techniken bekannt. Bei
diesen Techniken kann jedoch nicht der auf die Ausgangsleistung,
insbesondere die Ausgang-Warmwassertemperatur eines
Durchlauferhitzers, wirkende, durch Netzspannungsschwankungen
verursachte Störeinfluss berücksichtigt werden, weil die aktuelle Höhe
der Netzwechselspannung erst beim Betrieb des Geräts in
unterschiedlicher Weise wirksam wird.
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In der DE 36 01 555 C2 ist eine Steuereinrichtung eines elektrischen
Durchlauferhitzers beschrieben. Durch diese Steuereinrichtung werden
in einem Zyklus, der mehrere Netzvollwellen umfasst, zur
Leistungssteuerung mehr oder weniger Netzhalbwellen auf die
Herzkörper durchgeschaltet. Hierfür sind in einem elektronischen
Speicher mehrere unterschiedliche Steuersignalmuster abgespeichert,
die in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf auf elektrische Heizkörper
durchgeschaltet werden.
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In der DE 41 03 373 C2 ist ein Durchlauferhitzer beschrieben, bei dem
vermieden ist, dass ein Defekt eines Leistungsschalters zu einer
Beschädigung des Durchlauferhitzers führt. Hierfür ist eine
Überwachungsschaltung vorgesehen, die das Netzspannungspotential
überwacht und bei einem Defekt des Leistungsschalters ein späteres
Einschalten verhindert. Eine Anpassung der Heizleistung an die aktuelle
Netzspannung erfolgt dabei nicht.
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Aus der EP 0 105 278 B1 ist eine Schaltung zum Konstanthalten der
von einer Last unabhängig von der Spannung eines
Wechselstromnetzes entnommenen Leistung vorgeschlagen. Dort ist
eine Gleichrichtung der Sinuswellenform der Wechselspannung und eine
entsprechende Weiterverarbeitung vorgeschlagen, was eine aufwändige
Schaltung ist, die sich nur aufwändig mit einem digital arbeitenden
Mikrocontroller vereinen lässt.
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In der DE 24 14 851 C3 ist eine Schaltung zur Konstanthaltung eines
Effektivwertes einer Spannung beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten
Art anzugeben, bei der mit einfachen technischen Mitteln ohne
Regelung, alleine mit Steuerung, der Ausgangsleistung des elektrischen
Geräts der Einfluss der schwankenden Netzwechselspannung auf die
Leistung des Geräts ausgeglichen wird.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch den Anspruch 1 gelöst.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 1 wird die aktuelle Höhe der
Netzwechselspannung erkannt, ohne dass aufwändige Sensoren und
eine eigentliche Regelung erforderlich sind. Je nach der erkannten
aktuellen Höhe der Netzwechselspannung wird die Leistung des Geräts
so gesteuert, dass das Gerät mit der gewünschten Sollleistung arbeitet.
Der Einfluss der aktuellen Höhe der Netzwechselspannung auf die
tatsächliche Leistung des Geräts, speziell die Auslaufwassertemperatur
bei einem Durchlauferhitzer, ist dadurch unterdrückt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Geräts mit einem gesteuerten
Heizkörper am einphasigen Wechselstromnetz,
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Fig. 2a ein Spannungsdiagramm bei einer mittleren Netzspannung,
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Fig. 2b ein Spannungsdiagramm bei einer höheren Netzspannung,
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Fig. 2c ein Spannungsdiagramm bei einer niedrigeren Netzspannung
und
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Fig. 3 ein Funktionsschaltbild des elektrischen Geräts, insbesondere
Durchlauferhitzers.
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Bei dem elektrischen Gerät, insbesondere Durchlauferhitzer, steuert ein
Mikrocontroller 1 über eine Steuerelektronik 2 einen Leistungshalbleiter
3, beispielsweise Triac. Der Leistungshalbleiter 3 schaltet einen
Heizkörper 4, der am Wechselstromnetz LN liegt. In Fig. 1 ist nur ein
Heizkörper 4 am einphasigen Netz zur Vereinfachung der Darstellung
gezeigt. Es könnten jedoch, wie an sich bekannt, auch Heizkörper an
den drei Phasen des Netzes vorgesehen sein.
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Der Mikrocontroller 1 weist, neben anderen, nicht dargestellten
Eingängen, einen Eingang 5 einer Logikpegelstufe auf, die einen nicht
linearen Innenwiderstand Ri hat. An den Eingang 5 ist die
Netzwechselspannung UN über einen ohmschen Vorwiderstand Rv
gelegt, die um den Faktor x gegenüber der Netzspannung herabgesetzt
sein kann. Am Eingang 5 entsteht die Eingangsspannung u (vgl. Fig. 1,
Fig. 2).
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Am Mikrocontroller 1 liegt zu dessen Betrieb eine stabilisierte
Versorgungs-Gleichspannung Uv von beispielsweise 5 V an. An der
Logikpegelstufe wirkt eine Schwellwertspannung Us, die unterhalb der
Versorgungsspannung liegt und beispielsweise 2,5 V beträgt.
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Dabei ergibt sich folgender Spannungsverlauf (vgl. Fig. 2):
Der Eingang 5 wird während der positiven Netzhalbwelle entsprechend
der Dimensionierung des Vorwiderstandes Rv durch die
Eingangsspannung u positiv übersteuert, d. h. mit einer Spannung
beaufschlagt, die in der positiven Netzhalbwelle über die
Versorgungsspannung Uv geht. Während der negativen Netzhalbwelle
steht am Eingang 5 eine Eingangsspannung u an, die unterhalb der
Versorgungsspannung Uv liegt. Dieser Betriebszustand liegt an sich
außerhalb der Spezifikation des Mikrocontrollers 1. Dieser
Betriebszustand ist jedoch zulässig, wenn sichergestellt ist, dass der
Strom am Eingang 5 (I/0-Pin) einen in der Spezifikation des
Mikrocontrollers 1 genannten Wert nicht überschreitet. Diese
Betriebsbedingung lässt sich durch entsprechende Bemessung des
Vorwiderstands Rv gewährleisten.
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Zum Zeitpunkt t0 liegt der Nulldurchgang der Netzwechselspannung UN
vor. Übersteigt die Eingangsspannung u den Schwellwert Us, dann
schaltet die Logikpegelstufe von 0 auf 1. Dies ist im Zeitpunkt t1 der
Fall (vgl. Fig. 2). Zwischen t0 und t1 besteht eine Verzögerungszeit tv.
Die Verzögerungszeit ist bei einem verwendeten Mikrocontroller 1
konstant - wenn sich die Netzspannung nicht ändert - und unterliegt
auch innerhalb einer Fertigungsserie des Mikrocontrollers 1 höchstens
geringen Schwankungen. Dadurch, dass die Schwellwertspannung
konstant ist, ergibt bei konstanter Netzwechselspannung UN eine
konstante Verzögerungszeit tv zwischen t0 und t1. Wenn sich jedoch
die Netzspannung UN ändert, ändert sich auch die Verzögerungszeit tv.
Der Zeitpunkt t0 muss nicht unbedingt im Nulldurchgang liegen. Er kann
auch durch eine andere zeitlich oder spannungsmäßig festgelegte Stelle
der Netzwechselspannung definiert sein.
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Im Zeitpunkt t2 unterschreitet die Eingangsspannung u den Schwellwert
Us. Damit schaltet der Logikpegel von 1 auf 0. Danach erfolgt im
Zeitpunkt t3 der nächste Nulldurchgang. Zwischen den Zeitpunkten t2
und t3 besteht eine Verzögerungszeit tv'. Diese ist im Regelfall gleich
der Verzögerungszeit tv. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 liegt also
für eine Zeitdauer t1 der Logikpegel 1 der Logikpegelstufe vor. Diese
Zeitdauer t1 misst der Mikrocontroller 1 mittels eines Zeitzählers. Die
Zeitdauer t1 ist leichter messbar als die Verzögerungszeit tv. Die
Verzögerungszeit tv ist direkt nur schwer messbar, da der
Nulldurchgang nur durch besondere Mittel erfassbar ist.
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Dem Mikrocontroller 1 ist die Periodendauer der üblicherweise
konstanten Netzfrequenz bekannt. Ist neben Amplitudenschwankungen
der Netzspannung auch mit Abweichungen der Netzfrequenz zu
rechnen, dann kann der Mikrocontroller 1 die aktuelle Periodendauer
erfassen.
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Aus der Periodendauer tp und der Zeitdauer ti errechnet der
Mikrocontroller 1 die Verzögerungszeit tv nach folgender Formel:
tv = 1/2 (tp/2 - ti).
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Anstelle der Errechnung wäre es auch möglich, im Mikrocontroller 1 eine
entsprechende Tabelle abzulegen, in der die Werte für die
Verzögerungszeit tv in Abhängigkeit von den Zeitdauern ti und ggf. tp
gespeichert sind.
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Da die Verzögerungszeit tv von der jeweiligen Scheitelspannung Um der
Netzwechselspannung abhängt, lässt sich vom Mikrocontroller 1 aus der
Verzögerungszeit tv die Amplitude Um der aktuellen
Netzwechselspannung UN errechnen. Dies geschieht im Mikrocontroller
1 nach folgender Formel:
Um = Us/sin (2 pi tp tv).
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Auch dieser Rechenvorgang kann ersetzt werden durch eine
entsprechende im Mikrocontroller 1 gespeicherte Wertetabelle.
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Auf die beschriebene Weise ist der aktuelle Wert der Scheitelspannung
Um der Netzwechselspannung ermittelt. Alternativ kann in
entsprechender Weise statt der Scheitelspannung Um auch der
Effektivwert der Netzwechselspannung ermittelt werden.
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In Fig. 2a ist davon ausgegangen, dass die Scheitelspannung Um beim
Nennwert liegt. Demgegenüber ist in Fig. 2b der Fall einer
Überspannung gezeigt. Der auftretende Scheitelwert Umo ist
dementsprechend größer als der Scheitelwert Um. Dementsprechend
wird von der Eingangsspannung u der Schwellwert Us schneller erreicht,
so dass sich die Verzögerungszeiten tvo und tv'o verkürzen, wodurch
sich die Zeitdauer tio des Logikpegels 1 verlängert.
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In Fig. 2c ist der Fall einer Unterspannung gezeigt. Der Scheitelwert
Umu der Netzwechselspannung ist damit kleiner als der Scheitelwert Um
der Fig. 2a. Dementsprechend erreicht die Eingangsspannung u den
konstanten Schwellwert Us später und unterschreitet ihn früher, d. h. die
Verzögerungszeiten tvu und tv'u sind länger als in Fig. 2a.
Dementsprechend ist die Zeitdauer tiu, in der der Logikpegel 1 auftritt,
kürzer als im Fall der Fig. 2a und der Fig. 2b. Es ist also:
tvu > tv > tvo
tiu < t1 < tio.
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Im Funktionsbild der Fig. 3 ist die Funktion der Schaltung zur
Steuerung eines Heizkörpers 4 verdeutlicht.
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Auf eine Funktionsstufe 6 des Mikrocontrollers 1, die die genannte
Logikpegelstufe beinhaltet, wirkt die aktuelle Netzspannung. Die
Funktionsstufe 6 kennt als Eingangsgröße den Vorwiderstand Rv, den
Innenwiderstand Ri und den Schwellwert Us. Sie ermittelt aus der
jeweiligen Zeitdauer t1 und der Periodendauer tp die Verzögerungszeit
tv in der oben beschriebenen Weise.
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Eine nächste Funktionsstufe 7 des Mikrocontrollers 1 ermittelt aus der
Verzögerungszeit tv und der Periodendauer tp sowie dem Schwellwert
Us die Scheitelspannung Um der aktuellen Netzwechselspannung. Dies
kann, wie oben angegeben, durch Berechnung oder mittels einer
entsprechenden im Mikrocontroller 1 abgelegten Tabelle erfolgen. Da
der Mikrocontroller 1 digital arbeitet, ist die Scheitelspannung Us durch
einen binären Wert dargestellt. Bei einem üblichen 8-Bit-System sind
maximal 256 Werte möglich. Für höhere Genauigkeiten ließen sich 10-
Bit- oder 12-Bit-Systeme verwenden.
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Zur Weiterverarbeitung der aktuellen Scheitelspannung Um ist eine
Steuertabelle 8 vorgesehen, die in Spalten die möglicherweise
auftretenden aktuellen Netzspannungswerte enthält. Bei einem 8-Bit-
System mit 256 Werten kann ein Bereich der Netzwechselspannung von
128 V bis 256 V in 256 Schritten, also Schritten zu je 1/2 V, also sehr
genau, erfasst werden. Die Spalten werden je nach der aktuellen
Netzspannung angesprochen bzw. adressiert.
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In den Zeilen der Steuertabelle 8 sind Kennwerte für die gewünschte
bzw. nötige Sollleistung abgelegt. Zur Vorgabe der gewünschten
Sollleistung ist eine Sollwert-Steuerstufe 9 vorgesehen. Diese ermittelt
- bei einem Durchlauferhitzer - aus einer gemessenen Wasser-
Einlauftemperatur Te und einer vom Nutzer eingestellten Solltemperatur
Ts sowie einer vom Nutzer eingestellten, je Zeiteinheit gemessenen
Wasserdurchflussmenge V die erforderliche Sollleistung Ps.
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Entsprechend der jeweiligen Sollleistung Ps werden die Zeilen der
Steuertabelle 8 adressiert. Die Zeilen enthalten jeweils für die gleiche
Sollleistung Ps in den Spalten je unterschiedliche Leistungskennwerte,
die derart vorbestimmt sind, dass bei den möglichen unterschiedlichen
aktuellen Netzspannungen im Endergebnis auf den Heizkörper 4 die
zum Erreichen der jeweils gewünschten Sollleistung Ps nötige Leistung
geschaltet wird.
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An die Steuerelektronik 2 wird der zum Erreichen der Sollleistung Ps bei
der aktuellen Netzwechselspannung nötige Kennwert gelegt. Die
Steuerelektronik 2 bildet dann die zeitlichen Steuermuster, mit denen
der Leistungshalbleiter 3 den Heizkörper 4 ein- und ausschaltet.
Dadurch ist der Heizkörper 4 am Beispiel eines Durchlauferhitzers
- ohne Regelkreis - so gesteuert, dass er unter Berücksichtigung der
aktuellen Netzwechselspannung, der Durchlaufmenge und der
Temperatur des durchlaufenden Wassers dieses auf die gewünschte
Solltemperatur bringt.
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Um die gewünschte Funktionsweise zu optimieren, können folgende
Kalibrierungen vorgenommen werden:
Bei einem gefertigten Gerät lassen sich Störgrößen, wie
Widerstandstoleranzen des Heizkörpers 4 und Toleranzen und/oder
Nichtlinearitäten des die Wasser-Einlauftemperatur Te erfassenden
Temperaturfühlers auf einem Endprüfstand ermitteln und über
Korrekturfaktoren oder Regressionstabellen in einen Speicher,
beispielsweise EEPROM, oder direkt im Mikrocontroller 1 ablegen, so
dass sie im Betrieb entsprechend berücksichtigt bzw. korrigiert werden.
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Außerdem kann bei der Endprüfung des Geräts eine
schaltungstechnisch bedingte Unsymmetrie, d. h. Ungleichheit, zwischen
der Verzögerungszeit tv und der Verzögerungs tv' durch Kalibrierung
korrigiert werden. Weiterhin können andere Fehler, wie
Ungenauigkeiten des Oszillators des Mikrocontrollers 1, mittels einer
automatischen Kalibrierung korrigiert werden. Für die Kalibrierung wird
eine oder mehrere Referenzspannungen an die Schaltung gelegt. Die
sich bei der Kalibrierung ergebenden Korrekturwerte werden in der
Schaltung gespeichert und bei der Ermittlung der aktuellen Werte
berücksichtigt.