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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines wasserführenden Haushaltsgeräts mit einer Heizeinrichtung für Wasser, die von einer elektrischen Pumpe, in der die Heizeinrichtung integriert ist, mit Wasser beaufschlagt werden soll, sowie ein entsprechendes wasserführendes Haushaltsgerät. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Geschirrspüler.
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Bei Haushaltsgeräten wie Geschirrspülern, in denen im Betrieb das von einer Pumpe geförderte Wasser aufgeheizt wird, besteht im Fehlerfall die Gefahr des Trockenheizens. Beispielsweise werden in Geschirrspülern Pumpen mit integrierter Heizung verwendet, um das Spülwasser aufzuheizen. Wenn sich in der Heizung kein oder nicht genug Wasser befindet oder der Volumenstrom der Pumpe zu gering ist, um die von der Heizung erzeugte Wärmemenge sicher abzuführen, besteht die Gefahr einer thermischen Überlastung und somit von unzulässigen Temperaturen.
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Um dies auszuschließen, ist die Verwendung von Sensoren bekannt, um im Fehlerfall die Heizeinrichtung abzuschalten. Dies können beispielsweise PTC-Sensoren sein, die an der Heizeinrichtung, beispielsweise einer Dickschichtheizung, die Temperatur messen. Bei unzulässig hohen Temperaturen kann die Heizeinrichtung abgeschaltet werden. In anderen bekannten Ausführungen wird ein Heizungsdruckwächter (HDW) eingesetzt. Bei zu geringem Druck aufgrund fehlenden Wassers oder zu geringer Förderleistung kann die Heizeinrichtung abgeschaltet werden.
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Solche Sensoren sind jedoch teuer und sie können groß aufbauen. Insbesondere ein Heizungsdruckwächter ist ein Bauteil, das einen relativ großen Bauraum benötigt. Dieser Bauraum befindet sich beispielsweise bei einem Geschirrspüler normalerweise im Bodenbereich, wo Bauraum besonders knapp ist. Aufgrund von Verschmutzung, Verkleben oder Riss der Membrane in dem Heizungsdruckwächter, der im Betrieb dem Waschwasser ausgesetzt ist, kann die Zuverlässigkeit eingeschränkt sein. Grundsätzlich kann ein Druckwächter auch keinen Volumenstrom überwachen. Sollten beispielsweise alle Abflüsse blockiert sein, kann die Pumpe zwar Druck aufbauen, aber kein Wasser fördern. Der Druckwächter würde in diesem Fall keinen Fehler melden, obwohl die genannten Gefahren der Überhitzung auftreten könnten.
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Aus der
DE 10 2012 203 715 A1 ist ein wasserführendes Haushaltsgerät bekannt, insbesondere eine Geschirrspülmaschine, das im Betrieb Flüssigkeit führende Nassbereiche aufweist, insbesondere einen Bearbeitungsraum zur Reinigung von Spül- oder Waschgut, wobei zumindest ein umlaufender Teil der Flüssigkeit beheizbar ist und hierfür zumindest einem flüssigkeitsdurchströmten Körper, insbesondere einer Umwälzpumpe, eine Heizeinrichtung zugeordnet ist und wobei ein Motor der Umwälzpumpe von einer im Bedarfsfall eine Abschaltung bewirkenden Sicherheitseinrichtung überwacht ist.
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Aus der
WO 2011/ 015 506 A2 ist eine Geschirrspülmaschine bekannt, insbesondere eine Haushaltsgeschirrspülmaschine, mit einer Steuereinrichtung zum Steuern eines Spülgangs zum Reinigen von Spülgut mit einer Spülflotte, mit einer Spülkammer zur Aufnahme des Spülguts während des Spülgangs, mit einer der Spülkammer zugeordneten Sammeleinrichtung zum Sammeln der Spülflotte, mit einer mit der Sammeleinrichtung verbundenen Umwälzpumpe zum Umwälzen der Spülflotte und mit einer mit der Sammeleinrichtung verbundenen und zum Verbinden mit einer externen Abwasserentsorgung vorgesehen Abflusseinrichtung zum Abführen der Spülflotte, wobei für den Spülgang mindestens ein Teilspülgang vorgesehen ist, welcher eine Füllphase umfasst, bei der eine Zufuhr einer für den Teilspülgang ausreichenden Menge von Spülflotte in die Spülkammer erfolgt, und welcher eine Umwälzphase umfasst, bei der die zugeführte Spülflotte zur Behandlung des Spülguts umgewälzt ist.
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Der Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, die Alternative für die bekannten Heizungswächter bereitzustellen, mit der die vorstehend genannten Nachteile beseitigt oder zumindest verringert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren sowie ein Haushaltsgerät gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines wasserführenden Haushaltsgeräts mit einer Heizeinrichtung für Wasser, die von einer elektrischen Pumpe, in der die Heizeinrichtung integriert ist, mit Wasser beaufschlagt werden soll, umfassend:
- - Betreiben der Pumpe, um die Heizeinrichtung mit Wasser zu beaufschlagen;
- - Erfassen der aufgenommenen elektrischen Leistung der Pumpe; und
- - Reduzieren der Leistung der Heizeinrichtung, wenn die aufgenommene Leistung der Pumpe einen vorgegebenen Leistungs-Minimalwert unterschreitet.
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Anstelle der Temperatur der Heizung oder des Drucks wird erfindungsgemäß die Leistung der Pumpe erfasst. Wenn Trockenheizen auftritt, bedeutet dies, dass entweder kein oder nicht genügend Wasser in der Pumpe vorhanden ist, d.h. die Pumpe nur Luft fördert oder die Pumpe mit zu geringer Förderleistung arbeitet oder stillsteht. In allen diesen Fällen würde die elektrische Aufnahmeleistung des Motors der Pumpe unterhalb eines Leistungs-Minimalwerts sein und demzufolge die Heizeinrichtung in der Leistung reduziert werden.
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Der Schritt „Betreiben der Pumpe“ ist im Sinne dieser Beschreibung so zu verstehen, dass die Pumpe angesteuert wird, um Wasser zu fördern. Dies schließt auch ein, dass die Pumpe zwar dreht, aber teilweise oder vollständig Luft fördert, oder im Fehlerfall zwar angesteuert wird, jedoch nicht arbeitet bzw. stillsteht.
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Der vorgegebene Leistungs-Minimalwert ist die aufgenommene Leistung bei maximaler Leerlaufdrehzahl der Pumpe zuzüglich eines Sicherheitszuschlags.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft anwendbar für Pumpen bzw. Pumpen in Verbindung mit einer Ansteuerung, bei denen eine Maximaldrehzahl konstruktiv bzw. seitens der Ansteuerung nicht überschritten werden kann. Dann kann der Leistungs-Minimalwert abgeleitet werden aus der Leistungsaufnahme im Leerlaufbetrieb bei der maximalen Drehzahl, wobei ein Sicherheitszuschlag hinzuzufügen ist, um z.B. Messungenauigkeiten zur berücksichtigen. Ein Wert der aufgenommenen Leistung, der ausreichend deutlich oberhalb des Werts bei maximaler Leerlaufdrehzahl liegt, kann dann als Leistungs-Minimalwert ausgewählt werden. Liegt die tatsächlich aufgenommene Leistung darüber, kann daraus sicher geschlossen werden, dass die Pumpe nicht im Leerlaufbetrieb arbeitet.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Reduzieren der Leistung der Heizeinrichtung durch Abschalten der Heizeinrichtung. Es ist damit auch umfasst, dass die Heizeinrichtung nur dann eingeschaltet ist, wenn die aufgenommene Leistung der Pumpe oberhalb des vorgegebenen Leistungs-Schwellenwerts liegt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein wasserführendes Haushaltsgerät bereitgestellt, umfassend:
- - eine elektrische Pumpe für Wasser;
- - eine in der Pumpe integrierte Heizeinrichtung für Wasser, die von der elektrischen Pumpe mit Wasser beaufschlagt werden kann; und
- - eine Steuerungsschaltung, die mit der Pumpe und der Heizeinrichtung betriebsfähig verbunden ist;
wobei die Steuerungsschaltung umfasst: - - eine Ansteuereinrichtung, die angepasst ist zum Betreiben der Pumpe;
- - eine Leistungserfassungseinrichtung, die angepasst ist zum Erfassen der aufgenommenen elektrischen Leistung der Pumpe; und
- - eine Reduzierungseinrichtung, die angepasst ist zum Reduzieren der Leistung der Heizeinrichtung, wenn die aufgenommene Leistung der Pumpe einen vorgegebenen Leistungs-Minimalwert unterschreitet.
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Das Erfassen der aufgenommenen Leistung kann vorteilhaft in einer ohnehin vorhandenen Motorsteuerung der Pumpe erfolgen.
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Die Ansteuereinrichtung ist angepasst, um die Pumpe mit einer maximalen Drehzahl zu betreiben, und der vorgegebene Leistungs-Minimalwert ist die aufgenommene Leistung bei der maximalen Drehzahl im Leerlaufbetrieb der Pumpe zuzüglich eines Sicherheitszuschlags.
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Der Motor kann beispielsweise ein Synchronmotor sein, der von einem Frequenzumrichter angesteuert wird. Dadurch ergibt sich eine Maximaldrehzahl, die konstruktionsbedingt nicht überschritten werden kann. Da die Leistungsaufnahme im Förderbetrieb einen anderen Verlauf als im Leerlauf aufweist, kann geschlossen werden, dass bei einer tatsächlichen Leistungsaufnahme, die ausreichend deutlich oberhalb der bei maximaler Leerlaufdrehzahl liegt, die Pumpe im Förderbetrieb arbeiten muss.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Reduzieren der Leistung der Heizeinrichtung durch Abschalten der Heizeinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung ein Rohrheizkörper mit innenliegendem Heizelement, der in dem Pumpengehäuse integriert ist. Die erfindungsgemäße Heizungsüberwachung bietet sich insbesondere für diesen Typ bzw. allgemein alle Typen der Heizung an, bei denen die Anbringung von Temperatursensoren wie beispielsweise PTC-Elementen (positive temperature coefficient) schwierig oder gar nicht realisierbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Haushaltsgerät ein Geschirrspüler. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch in allen anderen Geräten eingesetzt werden, die eine Wasserheizung beinhalten, die von einer Pumpe, in der sie integriert ist, mit aufzuheizendem Wasser beschickt werden soll.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Pumpe eines Geschirrspülers in einer Explosionszeichnung;
- 2 zeigt den Verlauf der Motorleistung über die Drehzahl einer elektrischen Pumpe;
- 3 zeigt schematisch eine Motorregelung einer elektrischen Pumpe;
- 4 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt den Aufbau einer Pumpenbaugruppe 1 eines Geschirrspülers in einer Explosionszeichnung. Die Pumpenbaugruppe 1 umfasst einen Permanentmagnetrotor 2, einen Rohrheizkörper 3, einen Frequenzumrichter 4, ein Pumpengehäuse 5, einen Heizungsdruckwächter (HDW) 6 und einen Stator 9.
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Die Heizung 3, die als gebogenes Rohr mit innen liegendem Heizelement ausgeführt ist, sitzt unter dem Deckel des Pumpenkopfes 7 und hat eine Heizleistung von etwa 2 kW. Da die umliegenden Teile hier alle aus Kunststoff bestehen, ist die Gefahr plastischer Verformung beim Trockenheizen groß. Im fehlerfreien Normalbetrieb wird der Heizkörper 3 von dem Wasser umspült, das vom Pumpenrad 8 gefördert wird. Dadurch wird die Wärmeenergie der Heizung an das Wasser übertragen, gleichzeitig bleibt die Temperatur der Heizung 3 in normalem Rahmen. Das Wasser wird aufgeheizt.
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Wenn sich aufgrund eines Fehlers kein Wasser in der Maschine befindet oder die Pumpe nicht oder mit zu geringer Drehzahl arbeitet, kann die Heizenergie nicht mehr in ausreichendem Maße abgeführt werden. Die Temperatur der Heizung 3 sowie der umliegenden Bauteile kann daher unzulässig stark ansteigen. Im Extremfall tritt das so genannte Trockenheizen auf. Selbst wenn noch Wasser in der Heizung verblieben ist, wird dieses schließlich verdampft, da die Heizenergie nicht ausreichend abgeführt wird. Ohne geeignete Schutzmaßnahme kann dies zu plastischer Verformung der Pumpe oder umliegender Bauteile führen.
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In diesem Fall greift jedoch der HDW 6, der bei fehlendem Wasserdruck im Pumpenkopf 7 die Heizung 3 abschaltet. Der HDW 6 ist redundant, d.h. intern zweifach aufgebaut. In jedem HDW 6 wird der Druck abgefragt und damit der elektrische Strom für die Heizung 3 ab- bzw. zugeschaltet. Gesetzliche Vorgaben können ein erhöhtes Sicherheitsniveau vorschreiben, was in diesem Fall durch eine redundante Auslegung des HDW 6 realisiert wurde.
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Ein solcher Heizungsdruckwächter ist jedoch teuer, er ist aufgrund der hohen Belastungen durch das anliegende Spülwasser der Gefahr eines vorzeitigen Versagens unterworfen und er nimmt auch einen nicht unerheblichen Teil des verfügbaren Bauraums innerhalb eines Geschirrspülers ein, der somit nicht für andere Bauteile und/oder den Geschirrspülraum zur Verfügung steht.
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Der Zusammenhang zwischen Motorleistung und Pumpendrehzahl, den sich die vorliegende Erfindung zunutze macht, ist in 2 beispielhaft dargestellt.
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Im Leerlauf, d.h. bei der Förderung von Luft, steigt die Motorleistung bei steigender Drehzahl nicht überproportional an, also wie hier gezeigt näherungsweise linear (gestrichelte Kurve). Das ist durch die Reibeigenschaften der Lagerung und gegebenenfalls der Gleitringdichtung bedingt, die den Pumpenkopf in Bezug auf Wasser abdichtet.
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Wenn die Pumpe Wasser fördert, nimmt die Motorleistung stattdessen deutlich stärker zu als im Leerlauf, wie hier gezeigt näherungsweise mit der dritten Potenz mit der Drehzahl (durchgezogene Kurve). Bei kleinen Drehzahlen verlaufen jedoch möglicherweise die beiden Leistungskurven relativ nahe beieinander. Somit kann, wie in dem hier gezeigten Fall, bei kleinen Drehzahlen nicht sicher zwischen Leerlauf und Förderbetrieb unterschieden werden.
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Bei höheren Drehzahlen steigt die Differenz, da hier die Kurven deutlich auseinanderlaufen, sodass man hier eine sichere Unterscheidung zwischen Leerlauf und Förderbetrieb möglich ist. Das bedeutet, dass die Heizung nur bei solchen höheren Drehzahlen eingeschaltet werden kann, bei denen eine zuverlässige Unterscheidung möglich ist. Dies macht insofern auch Sinn, da die Wärmeenergie-Abfuhr von der Heizung zum Spülmedium bei kleinen Drehzahlen möglicherweise ohnehin nicht ausreichend sein würde.
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Für die verfahrenstechnische Ermittlung eines „Mindest-Füllstandes“ der Maschine kann ebenfalls die Pumpenleistung herangezogen werden.
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In einer Ausführung wird die Pumpe von einem dreiphasigen Synchronmotor angetrieben. Der Synchronmotor wird über einen Frequenzumrichter (FU) gesteuert. Auf dem FU werden die Motorströme, Motorspannungen etc. gemessen, woraus die elektrische Motorleistung berechnet werden kann. Die Motorregelung erfolgt nach folgendem Prinzip, wie in 3 gezeigt.
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Es werden zwei oder drei der insgesamt drei Phasenströme über einen elektrischen Widerstand (Shunt) gemessen. Aus den gemessenen Strömen werden mittels eines mathematischen Motormodells die Drehzahl und die Rotorlage berechnet, oder es wird ein Rotorlagesensor verwendet. Diese Informationen dienen dem Regler zur Pulsmusterberechnung. Das berechnete Pulsmuster erzeugt über den Wechselrichter die entsprechenden Spannungen und Frequenzen für die jeweilige Phase des Motors. Über dieses Modell wird die Drehzahl des Motors geregelt. Der dritte Phasenstrom wird nicht gemessen, sondern aus den beiden anderen berechnet, da die Summe der drei Außenleiterströme gleich Null ist.
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Ein Frequenzumrichter, wie er in der Regelung nach 3 eingesetzt werden kann, wird beispielhaft mit einer Gleichspannung von ca. +300 V versorgt. Daraus generiert der Wechselrichter die drei Phasenspannungen für den Motor. Aus den drei Spannungen und dem drehenden Motor ergeben sich drei Phasenströme. Zwei davon werden für den Betrieb der Motorregelung gemessen. Der FU verfügt außerdem über einen Rechner, der über eine Kleinspannung versorgt wird und über eine Schnittstelle mit dem Steuerteil kommuniziert.
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Das Vermeiden von Trockenheizen unterliegt einem gewissen Sicherheitslevel. Das bedeutet, dass man die Sensierung der Motorleistung redundant auslegen oder sicherheitsrelevante Software zur Sensierung der Motorleistung einsetzen muss. Sicherheitsrelevante Software bedeutet, dass die Software z. B. die Funktion der Strom- und Spannungsmessung sicherstellt. Bevor der Motor überhaupt startet, werden sie kritischen Komponenten auf ihre korrekte Funktion hin überprüft.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin ein Frequenzumrichter zur Regelung des Motors eingesetzt werden. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass der Rechner erfindungsgemäß nicht nur die Regelung des Motors beinhaltet, sondern auch den thermischen Schutz des Motors übernimmt.
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Die Hardware des FU ist erfindungsgemäß angepasst. Die 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform des FU. In diesem Beispiel werden alle drei Phasenströme gemessen. Zusätzlich werden hier auch die Phasenspannungen des Motors gemessen. Auch die Gleichspannung (+300 V) hinter dem Gleichrichter wird gemessen (im Blockschaltbild nicht dargestellt). Erfindungsgemäß wird in dieser Anordnung die Heizungswächterfunktion anstatt durch einen Druckwächter durch eine Überwachung der aufgenommenen elektrischen Leistung des Pumpenmotors ausgeführt.
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Nur wenn die Pumpe dreht und Spülmedium fördert, d.h. die elektrische Aufnahmeleistung des Motors größer ist als ein vorgegebener Wert, wird die Heizung zugeschaltet. Die Ermittlung der Motorleistung und das Ein- und Ausschalten der Heizung erfolgt über denselben Rechner, der mit der sicherheitsrelevanten Software ausgestattet ist. Die elektrische Motorleistung kann beispielsweise wie folgt berechnet werden:
- - PMotor
- aufgenommene elektrische Motorleistung
- - lu
- Strom in der Phase U
- - Uu
- Strangspannung der Phase U
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Die drei Phasenströme und Phasenspannungen werden, wie in
3 zu sehen, direkt gemessen. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Motorleistung aus den Phasenströmen der Zwischenkreisspannung und den Schaltzeiten zu berechnen. Der Zusammenhang zwischen Phasenspannung und Zwischenkreisspannung ist wie folgt:
- - UDC
- Zwischenkreisspannung
- - DU
- Duty Cycle (Tastgrad) der Phase U
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Die Spannung U
DC wird nicht „vollständig“ auf die Motorphase geschaltet, sondern über eine Pulsweiten-Modulation (PWM) im Mittel variiert. Dadurch kann man die Phase mit einer mittleren Spannung zwischen Null und U
DC beaufschlagen. Das ergibt dann folgenden Zusammenhang:
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Macht man sich diese Berechnung zu Nutze, so kann letzten Endes auch auf die Messung der Phasenspannung verzichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept ist natürlich grundsätzlich auch für andere Arten und Ansteuerungen von Motoren einsetzbar, beispielsweise bei einem zweiphasigen Pumpenmotor. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Konzept grundsätzlich für alle wasserführenden Haushaltsgeräte einsetzbar, in denen Wasser aufgeheizt und gefördert wird.
