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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauferhitzers, einen Durchlauferhitzer und ein Computerprogramm.
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Durchlauferhitzer weisen in der Regel eine Heizeinrichtung mit einer Heizwendel oder mindestens einem Heizstab auf, die elektrischen Strom in Wärmeenergie umwandeln und an das zu erhitzende Wasser abgeben. Insbesondere bei Durchlauferhitzern kann dabei eine hohe Leistung von mehr als 15 kW [Kilowatt] umgesetzt werden.
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Hierbei können Heizwendel/Heizstäbe zum Einsatz kommen, die mit Wechselstrom [AC] betrieben werden. Aufgrund der hohen elektrischen Leistungen werden Durchlauferhitzer häufig mit einem dreiphasigen, auch als Drehstrom bezeichneten, Anschluss betrieben. Allgemein können in einem dreiphasigen Stromnetz asymmetrische Belastungen auftreten, die häufig durch einphasige Verbraucher im Netz ausgelöst werden. Diese asymmetrischen Belastungen des dreiphasigen Stromnetzes können zu einer Schieflast im Stromnetz führen, die wiederum zu einer Erwärmung von Kraftwerksteile, insbesondere Transformatoren und Generatoren führen kann, die mit einer Minderung der Energieeffizienz einhergeht, und sogar Beschädigungen der Kraftwerksteile verursachen kann.
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Zudem können nachteilige Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Geräte entstehen, weil Flicker und harmonische Oberwellen auftreten können, die einen Einsatz kostenintensiver EMV-Filter notwendig machen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauferhitzers, einen Durchlauferhitzer und ein Computerprogramm vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll das Verfahren und der Durchlauferhitzer eine asymmetrische Netzbelastung bzw. Schieflast weitestgehend vermeiden oder sogar kompensieren.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauferhitzers bei, der zu einem Betreiben an einem dreiphasigen Stromnetz eingerichtet ist und das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a) Inbetriebnehmen des Durchlauferhitzers,
- b) Erfassen einer Belastung jeder (elektrischen) Phase des dreiphasigen Stromnetzes anhand der jeweils anliegenden elektrischen Spannung,
- c) Betreiben des Durchlauferhitzers (wenigstens zeitweise) so, dass die (elektrische) Phase(n), bei der / denen in Schritt b) eine geringe Spannung festgestellt wurde, gering oder nicht belastet werden.
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Der Durchlauferhitzer kann einen Zulauf für Kaltwasser, einen Heizblock, einen Auslauf für Warmwasser und ein Regel- und Steuergerät aufweisen. Über den Zulauf Kaltwasser kann dem Durchlauferhitzer Kaltwasser zugeführt werden, dass in dem Heizblock, geregelt oder gesteuert durch das Regel- und Steuergerät erwärmt und dem Auslauf für Warmwasser zur Entnahme zugeführt wird. Dabei kann in Kenntnis der Durchflussmenge es zu erwärmenden Wassers sowie der Temperatur des zugeführten Kaltwassers und der Zielauslauftemperatur eine, zur Erwärmung aus die Zielauslauftemperatur notwendige elektrische Leistung bestimmt und gesteuert werden. Es kann zudem auch im Auslauf für Warmwasser ein Temperatursensor angeordnet sein, der eine (zusätzliche) Regelung einer Zielauslauftemperatur ermöglichen kann.
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Der Durchlauferhitzer kann zum Betreiben an einem dreiphasigen Stromnetz eingerichtet sein. Insbesondere kann der Durchlauferhitzer eine symmetrische Beschaltung der drei Phasen aufweisen, wobei die Phasen mittels leistungselektronischer Bauelemente, beispielsweise TRIACs geschaltet werden können. Hierbei kann insbesondere eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung zur Anwendung kommen. Aufgrund eines geringeren mechanischen Aufwands bei der Verschaltung ist die Sternschaltung besonders bevorzugt.
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Das widerstandsbasierte Heizelement kann insbesondere eine Heizwendel oder ein Heizstab oder eine Mehrzahl derselben sein, dazu eingerichtet elektrischen Strom in Wärmeenergie umzuwandeln, um diese an einen Massestrom des zu erwärmenden Wassers abzugeben. Das Heizelement kann in der Regel in direktem Kontakt mit dem zu erwärmenden Wasser gebracht werden, womit kurze Reaktionszeiten der Heizeinrichtung realisierbar sind. Hierfür sind z.B. Heizdrähte bekannt.
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Das widerstandsbasierte Heizelement besteht zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei derartige Materialien in Vielzahl bekannt sind, beispielsweise finden Metalllegierungen wie Nickel-Kupferlegierungen, Chromstähle oder Nickel-Chromlegierungen häufig Anwendung. Ein Heizelement kann sich im Rahmen dieser Ausführungen auf ein einzelnes Heizelement oder eine Vielzahl von redundanten Heizelementen beziehen.
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Gemäß Schritt a) kann eine Inbetriebnahme des Durchlauferhitzers erfolgen. Die Inbetriebnahme kann insbesondere durch Öffnen einer Entnahmestelle (Wasserhahn), die mit einem Warmwasserauslauf des Durchlauferhitzers verbunden ist, initiiert werden. Ein Durchflusssensor kann den, den Durchlauferhitzer durchströmenden Massestrom Wasser erkennen, und einem Regel- und Steuergerät des Durchlauferhitzers übermitteln. Das Regel- und Steuergerät kann nun, beispielsweise durch Ansteuerung von TRIACs die Heizelemente bzw. den Heizblock mit elektrischer Energie beaufschlagen, sodass an dem Warmwasserauslauf auf eine Zieltemperatur erwärmtes Wasser entnommen werden kann.
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Gemäß Schritt b) kann ein Erfassen einer Belastung jeder Phase anhand der jeweils anliegenden elektrischen Spannung erfolgen. Hierzu kann beispielsweise die an jeder Phase anliegende elektrische Spannung gemessen werden. Dabei können Abweichungen der Spannungen der einzelnen Phasen auf eine Schieflast hinweisen.
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Gemäß Schritt c) kann ein Betreiben des Durchlauferhitzers erfolgen, wobei Phasen, bei denen in Schritt b) eine geringe Spannung festgestellt wurde, gering oder nicht belastet werden. Mit anderen Worten kann mindestens eine Phase, bei der im Rahmen der Durchführung des Schrittes b) eine erhöhte Belastung festgestellt wurde, gezielt geringer belastet werden. Dabei versteht sich, dass zum Erreichen der Zieltemperatur für das erwärmte Wasser die anderen Phasen bzw. mindestens eine andere Phase gegebenenfalls höher belastet werden müssen. Hierbei kann bei einer Belastung des Durchlauferhitzers von weniger als 100% (der Nennbelastung, maximalen Belastbarkeit), die Phase, bei der in Schritt b) eine erhöhte Belastung festgestellt wurde, entsprechend geringer belastet, wobei die beiden anderen Phasen entsprechend höher belastet werden. Mit anderen Worten können die drei Phasen asymmetrisch belastet werden, wobei die Phase, bei der in Schritt b) eine geringere Belastung festgestellt wurde, geringer belastet werden kann. Um ein Erreichen der Zielauslauftemperatur zu gewährleisten, kann die in Schritt b) als belastet festgestellte Phase dabei soweit belastet werden, dass bei einer Belastung von 100% der anderen beiden Phasen die für ein Erreichen der Zielauslauftemperatur notwendige Leistung erreicht werden kann.
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Beispielsweise kann bei einer Leistungsanforderung von 50% an den Durchlauferhitzer, eine als belastet festgestellte Phase gar nicht belastet werden und die beiden anderen Phasen mit jeweils 75%. Alternativ wäre (auch) eine Belastung der in Schritt b) als belastet festgestellten Phase mit 30% und der beiden anderen mit jeweils 60% möglich. Die Festlegung der Lastverteilung kann insbesondere im Hinblick auf eine Vermeidung von Flicker und/oder einem Erreichen der gewünschten Zielauslautemperatur erfolgen.
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Bei einigen Verschaltungen der drei Phasen ist die Leistungsaufnahme von zwei Phasen immer gleich, wobei (nur) die der dritten Phase moduliert werden kann. Die beiden Phasen mit gleicher Leistungsaufnahme können im Rahmen der Durchführung von Schritt c) mit Nennleistung betrieben werden und die dritte (in Schritt b) als belastet festgestellte Phase mit geminderter (modulierter) Leistung betrieben werden, insbesondere mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM). Für eine derartige Verschaltung gibt die nachfolgende Tabelle verschiedene einstellbare Leistungen der drei Phasen P1, P2, P3 in Abhängigkeit einer (der Zielauslauftemperatur entsprechenden) Gesamtleistung P
Ges und einen resultierenden maximal erreichbaren Leistungsunterschied ΔP an:
| PGes[%] | P1 [%] | P2 [%] | P3 [%] | ΔP [%] |
| 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 0,0 |
| 90,0 | 100,0 | 100,0 | 70,0 | 30,0 |
| 80,0 | 100,0 | 100,0 | 40,0 | 60,0 |
| 70,0 | 100,0 | 100,0 | 10,0 | 90,0 |
| 66,7 | 100,0 | 100,0 | 0,0 | 100,0 |
| 60,0 | 90,0 | 90,0 | 0,0 | 100,0 |
| 50,0 | 75,0 | 75,0 | 0,0 | 100,0 |
| 40,0 | 60,0 | 60,0 | 0,0 | 100,0 |
| 30,0 | 45,0 | 45,0 | 0,0 | 100,0 |
| 20,0 | 30,0 | 30,0 | 0,0 | 100,0 |
| 10,0 | 15,0 | 15,0 | 0,0 | 100,0 |
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Gemäß einer Ausgestaltung können im Rahmen des Schrittes b) eine erste belastete Phase mit der höchsten Belastung und eine zweite belastete Phase mit der zweithöchsten Belastung festgestellt werden. Im Rahmen der Durchführung des Schrittes c) können die erste und zweite belastete Phase, insbesondere entsprechend bzw. im Verhältnis zu ihrer Belastung, geringer belastet werden, wobei die dritte (unbelastete Phase) entsprechend ihrer Nennleistung belastet werden kann. Hierzu kann bei einer symmetrischen Beschaltung die erste und zweite belastete Phase abwechselnd und für einen Zeitraum entsprechend der zu beschaltenden (geminderten) Leistung geschaltet werden. Anders formuliert kann, analog zu einer Pulsweitenmodulation, durch eine Hin- und Herschalten zwischen erster und zweiter belasteter Phase mit einer jeweiligen Pulsdauer, die der gewünschten (geminderten) Leistung entspricht. Zur Minderung von Flicker aufgrund der Schaltvorgänge kann eine Puls (zeitlicher Abstand zwischen zwei Ein- oder Ausschaltvorgängen der gleichen Phase) im Bereich von 0,5 bis 5 Sekunden liegen, insbesondere von 1 Sekunde bis 3 Sekunden. Es kann aber auch ein sehr kurzer Puls sinnvoll erscheinen, da ein Auftreten von Flicker bei sehr schnellen Schaltvorgängen mit gleichem Muster begrenzt werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein Puls von 10 Millisekunden [ms] bis 20 ms sinnvoll erscheinen, der einer Halb- bzw. Vollwelle bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz [Hz] entspricht. Ein Vorteil der Einbeziehung einer ersten und zweiten belasteten Phase kann darin bestehen, dass ein durch die Schaltvorgänge entstehendes Flicker auf zwei Phasen verteilt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann im Rahmen der Durchführung des Schrittes c) das (konstante) Erreichen der Zielauslauftemperatur des Warmwassers vorrangig vor einer Entlastung belasteter Phasen und damit vor einer (weitgehenden) Kompensation der Schieflast erfolgen. Beispielsweise könnten zwei Phasen mit (100% der) Nennlast betrieben werden und die dritte (in Schritt b) als belastet festgestellte) Phase mit einer Leistungsaufnahme, dass die Zielauslauftemperatur erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann im Rahmen der Durchführung des Schrittes c) versucht werden, das Stromnetz derart durch den Durchlauferhitzer zu belasten, dass die Spannungen der drei Phasen im Stromnetz angeglichen werden. Dies kann sich daraus ergeben, dass Phasen, bei denen eine geringere Spannung anliegt, auch geringer belastet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung können bei der Durchführung des Schrittes c) Spannungsschwankungen (auch als Flicker bezeichnet) im Stromnetz vermieden werden. Hierzu können beispielsweise Schaltvorgänge der leistungselektronischen Bauteile des Durchlauferhitzers reduziert werden. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass auftretendes Flicker durch schnell aufeinanderfolgende Schaltvorgänge mit zumindest teilweise gleichem Muster gemindert bzw. begrenzt werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für einen Durchlauferhitzer vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen, und/ oder über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Das Regel- und Steuergerät kann hierfür insbesondere mit einem Durchflusssensor, dem Heizblock bzw. den Heizelementen, einem Temperatursensor Kaltwasser und/ oder im Warmwasserauslauf elektrisch verbunden sein.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Durchlauferhitzer vorgeschlagen, eingerichtet zum Betreiben an einem dreiphasigen Stromnetz und umfassend Mittel zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Der Durchlauferhitzer kann insbesondere einen Durchflusssensor zum Erfassen des durchströmenden Masse- oder Volumenstromes Wasser, einen Temperatursensor zum Erfassen einer Kaltwassertemperatur und/ oder einer Auslauftemperatur des Wassers aus dem Warmwasserauslauf, einen Heizblock bzw. ein oder mehrere Heizelemente und ein Regel- und Steuergerät aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Durchlauferhitzers können die Leitungen für die drei Phasen innerhalb des Durchlauferhitzers die gleiche Länge und/ oder den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. In vorteilhafter Weise kann so eine aus unterschiedlichen Leitungswiderständen resultierende Ungleichbelastung ausgeschlossen werden.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm (-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen. Das Computerprogramm kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Durchlauferhitzers durchgeführt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgeschlagenen Regel- und Steuergerät, dem Durchlauferhitzer und/ oder dem Computerprogramm auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Hier werden somit ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauferhitzers, ein Durchlauferhitzer und ein Computerprogramm angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglicht das Verfahren, der Durchlauferhitzer, das Regel- und Steuergerät und das Computerprogramm Netzbelastungen wie eine asymmetrische Phasenbelastung zu mindern oder sogar auszuschließen und auch eine im Stromnetz vorhandene Schieflast zu kompensieren, wobei auftretendes Flicker in einem zulässigem Rahmen begrenzt oder sogar gemindert werden kann.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
- 2: einen hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer, und
- 3: ein Schaltbild eines hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzers in einem dreiphasigen Stromnetz.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Durchführung der Schritte a), b) und c) kann bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren dient einer Kompensation einer möglicherweise im Stromnetz vorhandenen Schieflast beim Betreiben eines elektrischen Durchlauferhitzers 1.
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2 zeigt beispielshaft und schematisch einen hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer 1. Durch einen Zulauf Kaltwasser 2 wird zu erwärmendes Wasser in den Durchlauferhitzer 1 eingespeist und ein Durchflusssensor 3 kann dessen Massestrom erfassen und ein Temperatursensor 11 kann eine Temperatur des in den Zulauf Kaltwasser 2 einströmenden Kaltwassers erfassen, wobei die erfassten Signale dem Regel- und Steuergerät 4 übermittelt werden können. Das erwärmte Wasser kann aus dem Durchlauferhitzer 1 aus einem Warmwasserauslauf 8 entnommen werden. Das Regel- und Steuergerät 4 kann mit einer Schalteinheit 12 verbunden sein, die dazu eingerichtet sein kann, die Spannung der drei Phasen eines Netzanschlusses 10 zur Energieversorgung des Durchlauferhitzers 1 zu steuern und zu schalten.
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Das Regel- und Steuergerät 4 kann zudem mit einem Bedienteil 9 verbunden sein, an dem ein Nutzer verschiedene Betriebsparameter, beispielsweise die Zielauslauftemperatur, auf die der Durchlauferhitzer 1 das Wasser erwärmt, einstellen kann.
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Das Regel- und Steuergerät 4 kann zudem mit einem motorgesteuerten Ventil 7 verbunden sein, das den Wasserdurchfluss durch den Durchlauferhitzer 1 (stufenlos) reduzieren kann. So kann mittels einer Reduktion des Wasserdurchflusses das Erreichen einer Zielauslauftemperatur gewährleistet werden. Zudem weist der Durchlauferhitzer 1 Heizelemente 6 auf, die in einem Heizblock 5 angeordnet sein können. Die Heizelemente 6 können eine Vielzahl von Widerstandsheizdrähten (Heizdrähten) aufweisen.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schaltbild eines hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzers 1 in einem dreiphasigen Stromnetz 15. Das Stromnetz 15 kann einen Transformator 13 aufweisen, insbesondere einen Niederspannungs-Transformator 13, der Hochspannung aus einer Hochspannungsleitung für das Stromnetz 15 transformiert und eine Erdung 14 aufweist. Das Stromnetz 15 kann dreiphasig sein und eine erste Phase 17, eine zweite Phase 18, eine dritte Phase 19 mit jeweils einer Leitung und eine PEN- (protective earth neutral) Leitung 20 aufweisen. Beispielweise können durch einen im Stromnetz 15 angeschlossenen einphasigen Verbraucher 16 die Phasen 17, 18, 19 ungleich belastet, also eine Schieflast entstanden sein. Vorliegend ist der einphasige Verbraucher 16 an der zweiten Phase 18 angeschlossen.
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Der Durchlauferhitzer 1 kann nach einer Inbetriebnahme gemäß Schritt a) in Block 110 in Block 120 gemäß Schritt b), in dem die Spannung der drei Phasen 17, 18, 19 erfasst wurde anhand einer geringeren Spannung der zweiten Phase 18 im Vergleich zur ersten Phase 17 und der dritten Phase 19 eine erhöhte Belastung der zweiten Phase 18 feststellen. Im Rahmen der Durchführung des Schrittes c) in Block 130 kann die zweite Phase 18 nunmehr geringer belastet werden, so dass von der zweiten Phase 18 ein deutlich geringerer Strom durch den Durchlauferhitzer 1 abgegriffen wird, was zu einem Angleichen der Spannungen der drei Phasen 17, 18, 19 im Stromnetz 15 führen kann und damit zu einer Kompensation der Schieflast.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchlauferhitzer
- 2
- Zulauf Kaltwasser
- 3
- Durchflusssensor
- 4
- Regel- und Steuergerät
- 5
- Heizblock
- 6
- Heizelemente
- 7
- motorgesteuertes Ventil
- 8
- Warmwasserauslauf
- 9
- Bedienteil
- 10
- Netzanschluss
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Schalteinheit
- 13
- Transformator
- 14
- Erdung Stromnetz
- 15
- Stromnetz
- 16
- einphasiger Verbraucher
- 17
- erste Phase
- 18
- zweite Phase
- 19
- dritte Phase
- 20
- PEN-Leitung
