DE19531134A1

DE19531134A1 - Electrical through-flow water heater with several separate adjustable heating stages

Info

Publication number: DE19531134A1
Application number: DE19531134A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Ing Kronberg; Thomas Dipl Ing Lorenz
Original assignee: Forbach GmbH and Co KG
Current assignee: Forbach GmbH and Co KG
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-02-27

Abstract

The through flow water heater 2 has a duct in which there are series of in line sections K1,K2,K3in which there are electrical heating coils 4,5,6. Each coil is coupled into a control loop consisting of a regulator R, control element TV and a drive stage St . The input to each loop is the temperature error as determined by comparison of a reference T1soll with a value T12 from a sensor. The loops receive different reference values that successively increase by amounts set by a processor SWR.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung einer vorgebbaren Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren separat einstellbaren Heizstufen. Außerdem bezieht sich die Erfindung aufeine Einrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, mit mehreren, separat einstellbaren Heizstufen und einer Einrichtung zur Einstellung der Heizstufen.The invention relates to a method for Setting a predeterminable outlet temperature of a electric instantaneous water heater with several separately adjustable heating levels. In addition, the Invention on a device, in particular for Carrying out the above procedure with several separately adjustable heating levels and one Device for setting the heating levels.

Bestimmungsgemäß hat ein elektrischer Durchlauferhitzer die Aufgabe, die durch ihn hindurchfließende Flüssigkeit, meist Wasser, zu erwärmen. Bei funktionsgerechter Erfüllung dieser Aufgabe wird das austretende Wasser unabhängig von der Zulauftemperatur, der Speisespannung des Netzes, dessen Innenwiderstand, den Widerstandswerten der Heizstufen und der Größe des Wasserstroms, stets und auch nach längerer Betriebszeit (Alterung) eine vorgegebene Solltemperatur Tsoll mit einer maximalen Abweichung von ΔTsoll besitzen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die erforderliche elektrische Leistung des Durchlauferhitzers die Anschlußleistung nicht übersteigt.As intended, an electric instantaneous water heater has the Task, the fluid flowing through it, mostly Water to heat. With functional fulfillment the water is independent of this task the inlet temperature, the supply voltage of the network, its Internal resistance, the resistance values of the heating levels and the size of the water flow, always and even after a long time Operating time (aging) a predetermined target temperature Tset with a maximum deviation from ΔTset. It is assumed that the required electrical output of the water heater Connected load does not exceed.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von elektrischen Durchlauferhitzern bekannt. So ist es beispielsweise aus der EP-PS 0 229 323 bekannt, einen Durchlauferhitzer für Wasser vorzusehen, welcher a) einen Strömungsweg für das zu erhitzende Wasser, in dem eine Mehrzahl von Heizelemente, wie beispielsweise Heizwiderstände, derart angeordnet sind, daß sie das zu erhitzende Wasser der Reihe nach passiert, b) zumindest eine Temperaturmeßeinrichtung am Einlauf des Wassers in den Durchlauferhitzer c) eine Steuerschaltung zum Steuern der Heizleistung ausgewählter Heizelemente, um am Auslauf aus dem Durchlauferhitzer erhitztes Wasser mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur zu erhalten, d) Einrichtungen zur Messung der Temperaturerhöhung durch ein Heizelement oder einen Teil der Heizelemente, und e) Einrichtungen zur Steuerung der Heizleistung ausgewählter anderer, stromauf oder stromab angeordneter Heizelemente gemäß der gemessenen Temperaturerhöhung umfaßt.In the prior art, a variety of electrical Water heaters known. For example, it is out known from EP-PS 0 229 323, a water heater for To provide water, which a) a flow path for the heating water, in which a plurality of heating elements, such as heating resistors, are arranged in such a way that it passes through the water to be heated in turn, b) at least one temperature measuring device at the inlet of the Water in the water heater c) a control circuit to control the heating output of selected heating elements in order to heated water at the outlet from the instantaneous water heater to obtain a predetermined target temperature, d) Devices for measuring the temperature increase through a Heating element or part of the heating elements, and e) Devices for controlling the heating output of selected other, upstream or downstream heating elements according to the measured temperature increase.

Dieser Durchlauferhitzer weist alle mit einer alleinigen Steuerung verbundenen Nachteile auf. Es können sich vergleichsweise große Abweichungen von der Soll-Temperatur ergeben, wenn beispielsweise die Einrichtung zur Messung der Temperaturerhöhung fehlerhaft ist oder driftet, oder wenn der Durchflußstrom aufgrund der fehlerhaften Temperaturmessung und einer fehlerhaften Leistungsmessung falsch bestimmt wird.This instantaneous water heater has all with one Control associated disadvantages. It can comparatively large deviations from the target temperature result if, for example, the device for measurement the temperature increase is faulty or drifts, or if the flow current due to the faulty Temperature measurement and an incorrect performance measurement is wrongly determined.

Ein elektrischer Durchlauferhitzer, welcher die Nachteile einer alleinigen Steuerung der Auslauftemperatur verringert, ist aus der DE-PS 34 15 542 C2 bekannt. Dieser Durchlauferhitzer umfaßt eine Aneinanderreihung von elektrisch beheizten Heizleistungsstufen, welche vom Wasser sequentiell unter Wärmeaufnahme durchströmt werden. Dabei ist eine Steuerung des elektrischen Durchlauferhitzers mit mindestens einer regelbaren Heizleitungsstufe derart vorgesehen, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die Heizleistung fast bis an eine durch Messungen der Einlauftemperatur und der Temperaturerhöhung der Einlauftemperatur Pro Zeiteinheit ermittelte Soll- Heizleistung herangeschaltet wird, die zum Erreichen der Soll-Temperatur bei der vorliegenden Durchflußmenge und der vorliegenden Einlauftemperatur erforderlich ist, und daß in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur des Wassers der Soll-Temperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt wird.An electric water heater, which has the disadvantages sole control of the outlet temperature reduced, is known from DE-PS 34 15 542 C2. This Instantaneous water heater comprises a series of electrically heated heat output levels, which are from the water are flowed through sequentially with heat absorption. Here is a control of the electric instantaneous water heater with at least one adjustable heating line level provided that in a control phase at the start of heating Heating output almost up to one by measuring the Inlet temperature and the temperature increase of the Inlet temperature Heating power is brought up to reach the Target temperature at the given flow rate and present inlet temperature is required, and that in a subsequent control phase the outlet temperature of the Water of the set temperature by the adjustable Heating power level is tracked.

Das vorstehend skizzierte Prinzip einer Steuerung eines vergleichsweise großen zulaufseitigen Teils des Durchlauferhitzers (Steuerphase) und einer Regelung eines vergleichsweise kleinen, auslaufseitigen Teils des Durchlauferhitzers (Regelphase) beseitigt wesentliche Nachteile einer alleinigen Regelung, die aus dem speziellen Charakter der Regelstrecke folgt. Die verbleibende Steuerung (Steuerphase) schränkt jedoch den Regelbereich des Regelkreises ein, so daß nicht alle Störungen in einem wünschenswert weiten Bereich ausgeregelt werden können.The principle outlined above of controlling a comparatively large part of the inlet Instantaneous water heater (control phase) and a regulation of a comparatively small, outlet side part of the Instantaneous water heater (control phase) eliminates essential Disadvantages of a single regulation that comes from the special Character of the controlled system follows. The remaining one Control (control phase), however, limits the control range of the control loop, so that not all disturbances in one desirable wide range can be adjusted.

Aus der DE-OS 42 30 208 ist weiter ein Verfahren zur Steuerung der Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauferhitzers offenbart, der in seinem Durchlaufkanal einen Ultraschalldurchsatzgeber aufweist, welcher fehlerbehaftet ist. Um den Fehler des Durchsatzgebers zu eliminieren, wird die Auslauftemperatur des erwärmten Wassers mittels eines Temperaturfühlers ermittelt und mit der von einem Sollwertgeber vorgegebenen Auslauftemperatur verglichen. Die Differenz der beiden Temperaturwerte wird dem Meßfehler des Durchsatzgebers zugeordnet. Mit diesem Meßfehler wird die dem Durchlauferhitzer zugeführte Leistung am Leistungsstellglied korrigiert, die Durchsatzkorrektur wird in einem Speicher gespeichert und über ein Selbstadaptionsglied ständig den Alterungsgegebenheiten angepaßt. Auch hiermit wird keine zufriedenstellende Einstellung der Auslauftemperatur erreicht, weil die Steuerstrecke aufgrund ihrer vergleichsweise großen Totzeiten ein Überschwingen der Auslauftemperatur zuläßt. Es ist sogar möglich, daß diese Steuerung zu einer Schwingung der Auslauftemperatur mit nicht tolerierbaren Amplituden für die Sollwertabweichung ΔTsoll führt.From DE-OS 42 30 208 is a method for Control the outlet temperature of an electrical Continuous-flow heater disclosed in its flow channel has an ultrasonic flow rate sensor, which is faulty. To the error of the flow transmitter too eliminate, the outlet temperature of the heated Water determined using a temperature sensor and with the outlet temperature specified by a setpoint device compared. The difference between the two temperature values is assigned to the measuring error of the throughput transmitter. With this The measurement error is fed to the instantaneous water heater Power on the power actuator corrected Throughput correction is stored in a memory and via a self-adaptation link Adapted to aging conditions. With this too, none satisfactory adjustment of the outlet temperature reached because the control route due to their comparatively large dead times an overshoot of the Permits outlet temperature. It is even possible that this Control to a vibration of the outlet temperature with intolerable amplitudes for the setpoint deviation ΔTset leads.

In allen drei bekannten Ausführungsformen wird darüberhinaus nur bedingt ein Weg aufgezeigt, in welcher Weise eine Vermeidung von Flicker (Spannungseinbrüche am inneren Widerstand des Netzes nach vergleichsweise großer, kurzschlußartiger, lokaler Leistungsaufnahme) erreicht werden kann.In addition, in all three known embodiments only a limited way is shown in which way Avoidance of flicker (voltage dips on the inside Network resistance after comparatively large, short-circuit-like, local power consumption) reached can be.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Durchlauferhitzer und ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Durchlauferhitzers anzugeben, welche die Auslauftemperatur besonders gut einstellen und sich dabei durch einen geringen apparativen, meßtechnischen Aufwand und die Flickerarmut auszeichnen.The invention is therefore based on the object electric water heater and a method for To indicate the operation of an electric instantaneous water heater, which set the outlet temperature particularly well and is characterized by a low level of equipment and measurement technology Characterize effort and the flicker poverty.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es zur Einstellung einer vorgebbaren Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren, separat einstellbaren Heizstufen vorgesehen ist, jeder Heizstufe einen Temperatur-Sollwert vorzugeben, der aus einem vorgebbaren Sollwert für die Auslauftemperatur abgeleitet wird.With regard to the method, this object is achieved according to the invention solved in that it is to set a predetermined Outlet temperature of an electric instantaneous water heater with several, separately adjustable heating levels are provided, to set a temperature setpoint for each heating level from a specifiable setpoint for the outlet temperature is derived.

Bezüglich des elektrischen Durchlauferhitzers mit mehreren separat einstellbaren Heizstufen und einer Einrichtung zur Einstellung der Heizstufen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mikroprozessoreinheit und ein Speicher umfaßt sind, wobei mittels der Mikroprozessoreinheit und der im Speicher abgelegten, betriebsspezifischen Daten ausgehend von einer vorgebbaren Auslauftemperatur für jede Heizstufe ein Temperatursollwert vorgebbar ist. Regarding the electric instantaneous water heater with several separately adjustable heating levels and a device for Setting the heating levels will do this task solved according to the invention in that a Microprocessor unit and a memory are included, wherein by means of the microprocessor unit and that in memory stored, company-specific data based on a specifiable outlet temperature for each heating level Temperature setpoint can be specified.

Auf diese Weise kann das gesamte elektrohydraulische System des Durchlauferhitzers in eine Anzahl von Regel strecken zerlegt werden. Durch die Vorgabe der Solltemperaturen für jede Heizstufe ist es möglich, die Leistungsaufnahmen der Heizstufen dahingehend zu koordinieren, daß möglichst selten und nur möglichst kleine Leistungsunterschiede am Netz geschaltet werden müssen. Auf diese Weise wird die Bildung von Flicker (DIN 60 555-3) vergleichsweise klein gehalten. So ist es beispielsweise möglich, die Leistung einer Heizstufe durch die Vorgabe eines entsprechenden Sollwertes für diese Heizstufe voll, nur teilweise oder auch überhaupt nicht auszunutzen, wenn sich dies vorteilhaft auf die Vermeidung der Flicker auswirkt.In this way, the entire electro-hydraulic system of the water heater in a number of rules be disassembled. By specifying the target temperatures for each heating level it is possible to reduce the power consumption of the Coordinate heating levels so that as possible rare and only the smallest possible differences in performance on Network must be switched. In this way the Formation of flicker (DIN 60 555-3) comparatively small held. So it is possible, for example, the performance a heating level by specifying a corresponding one Setpoint for this heating level is full, only partially or also not to be exploited at all if this is beneficial to avoiding the flicker.

Eine bezüglich der Flickervermeidung besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht es vor, daß eine zur Erreichung der Auslauftemperatur erforderliche Heizleistung berechnet und mit bekannten Heizleistungen der Heizstufen verglichen wird, so daß eine Anzahl von vorzugsweise einer einzigen Heizstufe, deren Gesamtleistung möglichst nahe an die erforderliche Heizleistung heranreicht, eingeschaltet wird und eine andere Anzahl von vorzugsweise einer einzigen Heizstufe, deren Gesamtheizleistung die verbleibende Restheizleistung gerade übersteigt, eingeschaltet wird. Auf diese Weise wird die zu erwärmende Flüssigkeit mit vorzugsweise einer einzigen Heizleistungsstufe, die beispielsweise dauereingeschaltet sein kann, relativ nah an die vorgegebene Solltemperatur erwärmt. Bei der Auswahl der Heizleistungsstufe, die die verbleibende Restheizleistung aufbringen muß, wird eine Heizstufe mit einer möglichst kleinen Heizleistung ausgewählt. Weil sich das Auftreten der Flicker etwa proportional zur sprunghaften Änderung der Leistungsaufnahme verhält, ist daher die Verwendung einer Heizstufe mit möglichst kleiner Heizleistung für die Flickervermeidung vorteilhaft.A particularly advantageous one in terms of flicker avoidance Embodiment of the invention provides that one for Reaching the outlet temperature required heating output calculated and with known heating outputs of the heating levels is compared so that a number of preferably one single heating level, the total output as close as possible the required heating power is reached, switched on and a different number, preferably a single one Heating level, the total heating output of the remaining Residual heat output just exceeds, is switched on. On in this way the liquid to be heated is included preferably a single heat output level, the for example, can be permanently on, relatively close to the specified target temperature is heated. When choosing the Heat output level, which is the remaining heat output must apply, a heating level with a possible small heating output selected. Because the appearance the flicker is approximately proportional to the sudden change in Power consumption behavior is therefore the use of a Heating level with the smallest possible heat output for the Flicker avoidance advantageous.

Eine bezüglich des apparativen Aufwands besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn der mit jeder einstellbaren Heizstufe mit Ausnahme einer in Strömungsrichtung zuletzt angeordneten Heizstufe erzielbare Istwert für die Temperatur anhand eines Modells des elektrohydraulischen Systems des Durchlauferhitzers berechnet wird. Auf diese Weise kann auch eine Temperaturmessung entlang des Durchströmungsweges, beispielsweise am Ausgang jeder Heizstufe mit Ausnahme der zuerst und der zuletzt angeordneten Heizstufe verzichtet werden. Weil beispielsweise die zuletzt in Strömungsrichtung angeordnete Heizstufe im Regelkreis den vom Benutzer eingestellten Sollwert nutzt, sind an die Genauigkeit des Modells keine allzu hohen Anforderungen zu stellen.A particularly favorable one with regard to the expenditure on equipment Solution arises if the one with each adjustable Heating level with the exception of one last in the direction of flow arranged heating level achievable actual value for the Temperature based on a model of the electro-hydraulic System of the instantaneous water heater is calculated. To this A temperature measurement along the Flow path, for example at the exit of everyone Heating level with the exception of the first and the last arranged heating level can be dispensed with. Because for example the last one arranged in the direction of flow Heating level in the control loop the one set by the user Uses setpoint, there are none to the accuracy of the model to make too high demands.

Eine Weiterbildung der vorstehend genannten Ausführung kann es in vorteilhafter Weise vorsehen, daß der mit der zuletzt angeordneten Heizstufe erzielbare Istwert im Modell berechnet wird und zusätzlich mit einem an deren Ausgang gemessenen Istwert verglichen wird, wobei aus der Differenz von berechnetem Istwert und gemessenen Istwert ein Korrekturfaktor für die mit den zuvor angeordneten Heizstufen erzielbaren Istwerte abgeleitet wird. Dies kann beispielsweise dadurch umgesetzt sein, daß die mit den zuvor angeordneten Heizstufen erzielbaren Istwerte mit einem Faktor multipliziert werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die sich aufgrund der Differenz ergebende Korrektur in eine Korrektur des Modells einfließt. Diese Korrektur ermöglicht es, das Modell "lernend" an den elektrischen Durchlauferhitzer und dessen Betriebsbedingungen anzupassen. A development of the above-mentioned embodiment can it advantageously provide that the one with the last arranged heating level achievable actual value in the model is calculated and additionally with one at their output measured actual value is compared, the difference of the calculated actual value and the measured actual value Correction factor for those with those previously arranged Actual values that can be achieved for the heating levels is derived. This can be implemented, for example, in that the achievable actual values with previously arranged heating levels be multiplied by a factor. However, it can also be provided that due to the difference resulting correction into a correction of the model flows in. This correction enables the model "learning" on the electric instantaneous water heater and its Adapt operating conditions.

Zur Verbesserung der Istwertbestimmung ist es zweckmäßig, wenn aus den Korrekturfaktoren ein zeitlicher Mittelwert bestimmt wird, welcher als Reaktion aufeinen systematischen Fehler interpretiert wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die verringerte Wärmeübertragung einer durch fortschreitende Verkalkung verschmutzten Wärmetauscheroberfläche in einer Heizstufe als systematischer Fehler berücksichtigt werden. Es ist dabei zweckmäßig, wenn der Mittelwert als ständig wirkende Korrektur in das Modell aufgenommen wird.To improve the actual value determination, it is advisable if a time average from the correction factors determining which one in response to one systematic error is interpreted. In this way can, for example, the reduced heat transfer contaminated by progressive calcification Heat exchanger surface in a heating stage as systematic errors are taken into account. It is there expedient if the mean as a constant Correction is included in the model.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:Embodiments of the invention are based on a Drawing explained. Show:

Fig. 1 in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines ersten Durchlauferhitzers; Figure 1 is a schematic representation of the block diagram of a first instantaneous water heater.

Fig. 2 in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines zweiten Durchlauferhitzers; Fig. 2 is a schematic representation of the block diagram of a second continuous-flow heater;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines gegenüber Fig. 2 geringfügig modifizierten dritten Durchlauferhitzers; und FIG. 3 shows the block diagram of a third instantaneous heater modified slightly compared to FIG. 2; and

Fig. 4 den Signalflußplan als Grundlage eines Modells des elektrohydraulischen Systems eines elektrischen Durchlauferhitzers. Fig. 4 shows the signal flow diagram as the basis of a model of the electrohydraulic system of an electric instantaneous water heater.

In den Fig. 1 bis 4 gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen.In Figs. 1 to 4, like parts have like reference numerals.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines elektrischen Durchlauferhitzers 2 gezeichnet. Ein Wasserstrom F tritt mit einer Temperatur Tein bei A in den Durchlauferhitzer 2 ein und verläßt diesen nach Aufnahme von Wärmeenergie bei B mit einer Temperatur Taus. Der Durchlauferhitzer 2 umfaßt drei Heizstufen K1, K2 und K3, welche hydraulisch in Reihe geschaltet sind. Jede dieser Heizstufen K1, K2, K3 umfaßt eine Heizwendel 4, 6 bzw. 8, die über Stellglieder ST1, St2, ST3 an hier nicht weiter dargestellte Phasen L1 bis L3 eines Versorgungsnetzes angeschlossen sind. Steuerglieder TV1, TV2 und TV3 geben in Abhängigkeit vom Ausgangssignal von vorgelagerten Reglern R1, R2 und R3 das Tastverhältnis für die leistungselektronischen Stellglieder ST1 bis ST3 vor, so daß in den Heizstufen K1 bis K3 die elektrischen Leistungen P1, P2 und P3 an den Wasserstrom F abgeben werden.In Fig. 1, the block diagram of an electrical instantaneous water heater 2 is drawn in a schematic representation. A water flow F enters the continuous-flow heater 2 at a temperature Tein at A and leaves it after having absorbed thermal energy at B at a temperature Tau. The instantaneous water heater 2 comprises three heating stages K1, K2 and K3, which are hydraulically connected in series. Each of these heating stages K1, K2, K3 comprises a heating coil 4 , 6 and 8 , respectively, which are connected via actuators ST1, St2, ST3 to phases L1 to L3, not shown here, of a supply network. Control elements TV1, TV2 and TV3 specify the pulse duty factor for the power electronic actuators ST1 to ST3 depending on the output signal from upstream controllers R1, R2 and R3, so that the electrical powers P1, P2 and P3 to the water flow F in the heating stages K1 to K3 will give up.

Unmittelbar an den Ausgängen der Heizstufen K1 bis K3 werden die mittels der Leistungen P1 bis P3 erzielten Temperaturen T12, T22 und T32 als Istwerte der einzelnen Regelkreise gemessen. Wie ersichtlich ist, handelt es sich um eine Kaskade von drei Regelkreisen. Jedem Regelkreis ist ein eigener Sollwert T1soll, T2soll und Tsoll vorgegeben.Immediately at the outputs of heating levels K1 to K3 will be achieved using the services P1 to P3 Temperatures T12, T22 and T32 as actual values of the individual Control loops measured. As can be seen, it is around a cascade of three control loops. Every control loop is a separate setpoint T1set, T2set and Tset are specified.

Der Regelkreis für die Heizstufe K3, der unmittelbar die Temperatur T32 = Taus als Istwert erzeugt, regelt die Temperatur des Wasserstromes F, auf einen vom Benutzer eingestellten Sollwert Tsoll. Die zwei anderen Sollwerte T1soll und T2soll werden in einem Sollwertrechner SWR bestimmt. Besonders übersichtlich ist die Sollwertberechnung, wenn zunächst die Flicker nicht berücksichtigt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hätten dann alle drei Heizstufen K1 bis K3 die gleiche elektrische Leistung. Deshalb hätte jeder Regelkreis ein Drittel des erforderlichen Temperaturzuwachses ΔT = Tsoll - Tein zu, gewährleisten. Entsprechend würden die beiden Sollwerte, T1soll, T2soll wie folgt berechnet: T1soll = Tein + 1/3ΔT; und T2soll = Tein + 2/3 4T.The control circuit for the heating level K3, which directly Temperature T32 = Taus generated as actual value, regulates the Temperature of the water flow F, to one by the user setpoint Tsoll. The two other setpoints T1soll and T2soll are in a setpoint calculator SWR certainly. It is particularly clear Setpoint calculation if the flicker is not initially be taken into account. In the present embodiment then all three heating levels K1 to K3 would have the same electrical power. Therefore, every control loop would have one Third of the required temperature increase ΔT = Tsoll - Ensure your complexion. The two would accordingly Setpoints, T1soll, T2soll are calculated as follows: T1soll = Tein + 1 / 3ΔT; and T2soll = Tein + 2/3 4T.

Dem Sollwertrechner SWR werden zu diesem Zweck die vorgegebene Solltemperatur Tsoll und die gemessene Eintrittstemperatur Tein zugeführt. An die Präzision des Sollwertrechners SWR und die Messung der Eintrittstemperatur T1 sind hierbei geringe Anforderungen gestellt, weil der letzte, hier der dritte Heizstufenregelkreis unmittelbar auf die gewünschte Temperatur Tsoll regelt und somit mögliche Fehler in den vorangehenden Regelkreisen beseitigt.For this purpose, the setpoint calculator SWR specified target temperature Tsoll and the measured Inlet temperature Tein supplied. The precision of the Setpoint calculator SWR and the measurement of Inlet temperature T1 are low requirements because the last, here the third Heating level control loop immediately to the desired one Temperature Tsoll regulates and thus possible errors in the previous control loops eliminated.

Bedingt durch eine geeignete Vorgabe der Werte T1soll und T2soll ist es regelungstechnisch möglich, eine Flickerbildung weitgehend zu vermeiden. So kann es beispielsweise bei erhöhter Eintrittstemperatur Tein des Wasserstroms F (z. B. Wasserzuführung von Solarkollektoren) ausreichen, das Wasser mit eine r voll eingeschalteten Heizstufe K1 und einer nur geringfügig eingeschalteten Heizstufe K3 auf den Wert Tsoll zu erhitzen. Der Heizstufe K2 bzw. deren Regler R2 wird im diesen Falle eine Solltemperatur T2soll vorgegeben, die unterhalb der gemessenen Temperatur T22 liegt.Due to a suitable specification of the values T1soll and In terms of control technology, it is possible to Avoid flicker formation to a large extent. It can for example at an increased inlet temperature Tein Water flow F (e.g. water supply from solar collectors) suffice to turn the water on with a fully turned on Heating level K1 and one switched on only slightly Heat heating level K3 to the value Tsoll. The heating level In this case, K2 or its controller R2 becomes a Setpoint temperature T2 should be set below the measured temperature T22.

Anders als im gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, durch eine Abstufung der Heizleistungen der Heizwendeln 4, 6, 8 die Schalthäufigkeit und die dabei geschalteten Leistungsdifferenz bezüglich der Flickervermeidung günstig zu beeinflussen. So kann beispielsweise die Heizstufe K1 auf 4/7 der Gesamtheitsleistung, die Heizstufe K2 auf 2/7 und die Heizstufe K3 entsprechend auf 1/7 ausgelegt sein. Beim Einlauf von stark vorgewärmten Wasser kann es zur Erreichung der Temperatur Tsoll ausreichend sein, nur die beiden Heizstufen K2 und K3 zu betreiben. In contrast to the exemplary embodiment shown, it is also possible to favorably influence the switching frequency and the switched power difference with regard to flicker avoidance by grading the heating powers of the heating coils 4 , 6 , 8 . For example, the heating level K1 can be designed for 4/7 of the total output, the heating level K2 for 2/7 and the heating level K3 for 1/7. When strongly preheated water is fed in, it may be sufficient to only reach the two heating levels K2 and K3 in order to reach the temperature Tsoll.

Der in Fig. 1 exemplarisch dargestellte Durchlauferhitzer 2 verfügt nur über drei Heizstufen K1 bis K3. Ebenso ist eine Anhebung der Anzahl der Heizstufen möglich. Eine solche technische Ausführung genügt zweifellos hohen Ansprüchen. Eine Messung des Wasserstroms F ist bei dieser Ausführung überflüssig. Schwankungen der Netzspannung und der Heizwiderstände, die die zugeführten Leistungen P1 bis P3 beeinflussen, werden ohne weiteres Zutun ausgeregelt. Ein besonderer Vorteil besteht in dynamischer Hinsicht. Soweit die installierten maximalen Heizleistungen es erlauben, wird die Ausgangstemperatur Tsoll schnellstmöglich erreicht.The instantaneous water heater 2 shown as an example in FIG. 1 has only three heating levels K1 to K3. It is also possible to increase the number of heating levels. Such a technical design undoubtedly meets high demands. A measurement of the water flow F is superfluous with this version. Fluctuations in the mains voltage and the heating resistors, which influence the supplied powers P1 to P3, are corrected without further action. There is a particular advantage in dynamic terms. As far as the installed maximum heating capacities allow, the initial temperature Tsoll is reached as quickly as possible.

Fig. 2 zeigt einen gegenüber Fig. 1 erheblich modifizierten, zweiten Durchlauferhitzer 10. Dieser Durchlauferhitzer 10 stellt eine reglungstechnisch günstige und technisch vorteilhaft zu realisierende Ausführungsform gegenüber dem Durchlauferhitzer 2 gemäß Fig. 1 dar. An dem Durchlauferhitzer 2 gemäß Fig. 1 sind wegen des damit verbundenen Aufwandes eigentlich nur die zahlreichen Temperaturmeßstellen störend , weil immer eine Temperaturmeßstelle mehr vorhanden sein muß als Heizstufen K1 bis K3 vorgesehen sind. Bei dem zweiten Durchlauferhitzer 10 sind dabei nur eine Meßstelle vor einer ersten Heizstufe K0, eine Meßstelle hinter der ersten Heizstufe K0 und eine Meßstelle hinter der in Strömungsrichtung des Wasserstroms F zuletzt angeordneten Heizstufe K3 erforderlich. FIG. 2 shows a second instantaneous water heater 10 that has been significantly modified compared to FIG. 1. This instantaneous water heater 10 represents an embodiment which is favorable in terms of control technology and is technically advantageous to implement compared to the instantaneous water heater 2 according to FIG. 1. Because of the effort involved, only the numerous temperature measuring points are actually disturbing on the instantaneous water heater 2 according to FIG. 1 because there is always one more temperature measuring point must be provided as heating levels K1 to K3. In the case of the second instantaneous water heater 10 , only one measuring point in front of a first heating stage K0, one measuring point behind the first heating stage K0 and one measuring point behind the heating stage K3 arranged last in the flow direction of the water flow F are required.

Alle zwischen diesen Heizstufen K0 und K3 angeordneten Heizstufen K1, K2 kommen ohne eine eigene Temperaturmessung aus. Dies ist insbesondere besonders vorteilhaft, weil heute übliche Durchlauferhitzer oftmals mehr als vier Heizstufen K0 bis K3 aufweisen. Der Verzicht auf diese Temperaturmeßstellen ergibt sich aus der Tatsache, daß die Istwerte der Temperaturen T12 und T22 an den Ausgängen der Heizstufen K1 und K2 mittels eines Modells M des thermohydraulischen Systems des Durchlauferhitzers 10 berechnet werden. Die Temperaturen T12 und T22 sind dabei eine Funktion der Zeit t, des Wasserstroms F, der Leistung P1 bzw. P2 und der Temperatur T11 bzw. T12. Zur Berechnung dieser mit den Heizstufen K1 und K2 erzielbaren Temperaturen T12 und T22 ist ein Mikroprozessor µP vorgesehen, der u. a. auch als Sollwertrechner SWR und als Rechner für die Berechnung des Wasserstroms F dient.All of the heating stages K1, K2 arranged between these heating stages K0 and K3 do without their own temperature measurement. This is particularly advantageous, because instantaneous water heaters common today often have more than four heating levels K0 to K3. The omission of these temperature measuring points results from the fact that the actual values of the temperatures T12 and T22 at the outputs of the heating stages K1 and K2 are calculated by means of a model M of the thermohydraulic system of the water heater 10 . The temperatures T12 and T22 are a function of the time t, the water flow F, the power P1 or P2 and the temperature T11 or T12. To calculate these temperatures T12 and T22 that can be achieved with the heating stages K1 and K2, a microprocessor µP is provided, which also serves, among other things, as a setpoint computer SWR and as a computer for calculating the water flow F.

Damit mit dem Modell M die gesuchten Temperaturen berechnet werden können, müssen außer einer vergleichsweise realitätsgetreuen Modellierung des thermohydraulischen Systems auch die Größen Wasserstrom F, die Heizleistungen P0, P1, P2 und P3 sowie die Einlauftemperatur Tein zur Verfügung stehen.So that with model M the temperatures sought are calculated must be comparatively except one realistic modeling of the thermohydraulic Systems also the sizes water flow F, the heating outputs P0, P1, P2 and P3 as well as the inlet temperature Tein To be available.

Im Ausführungsbeispiel wird der Wasserstrom F nicht gemessen, sondern über die Messung einer erzielten Temperaturerhöhung T11 - Te in bestimmt. Hierzu ist eine Heizstufe K0 vorgesehen, in der dem Wasserstrom F eine ungestellte Leistung P0 zugeführt wird. Mittels einer im Mikroprozessor µP implementierten Beziehung F = P0 / (ρ _* t _* (T11 - Tein)) wird der Wasserstrom F berechnet und steht als Eingangsgröße dem Modell M für das elektrohydraulische System zur Verfügung. Durch Verwendung einer Meßeinrichtung für den Wasserstrom F ließe sich der Aufbau dahingehend vereinfachen, daß die Meßstelle für T11 entfiele. Unter der Voraussetzung, daß das Modell M hinreichend exakt ist und die gemessenen Größen hinreichend genau sind, entsprechen die im Modell M zu berechnenden Istwerte T12 und T22 für die einzelnen Regelkreise den tatsächlichen Verhältnissen, so daß die Auslauftemperatur Taus exakt der vorgegebenen Solltemperatur Tsoll. entspricht. Auch wenn das Modell M nicht so exakt ist, und wenn die Berechnung des Wasserstroms F fehlerbehaftet ist, oder wenn andere gemessene Größen Ungenauigkeiten unterliegen, wird trotzdem die Auslauftemperatur Taus innerhalb eines engen Rahmens mit der vorgegebenen Temperatur Tsoll erreicht.In the exemplary embodiment, the water flow F is not measured, but rather is determined by measuring an increase in temperature T11-Te in. For this purpose, a heating stage K0 is provided, in which an undetermined power P0 is supplied to the water flow F. Using a relationship F = P0 / (ρ _* t _* (T11 - Tein)) implemented in the microprocessor µP, the water flow F is calculated and is available as an input variable for the model M for the electro-hydraulic system. By using a measuring device for the water flow F, the structure could be simplified in that the measuring point for T11 would be omitted. Provided that the model M is sufficiently exact and the measured quantities are sufficiently precise, the actual values T12 and T22 to be calculated in the model M correspond to the actual conditions for the individual control loops, so that the outlet temperature Taus exactly corresponds to the specified target temperature Tsoll. corresponds. Even if the model M is not so exact, and if the calculation of the water flow F is faulty, or if other measured variables are subject to inaccuracies, the outlet temperature Taus is nevertheless reached within a narrow frame with the predetermined temperature Tsoll.

In Fig. 2 ist bereits eine weitere Vereinfachung des apparativen Aufwandes und damit eine bedeutende Kostensenkung berücksichtigt, weil auf die Messung der Leistung P0 verzichtet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Widerstand R0 der Heizstufe K0 bekannte ist und damit P0 = U²/R0 gilt. Wegen des quadratischen Zusammenhangs zwischen der Netzspannung und der Heizleistung P0 wäre aber gerade eine Abweichung der Netzspannung vom vorausgesetzten Nennwert in diesem Punkt für einen Fehler von vergleichsweise bedeutender Auswirkung verantwortlich. Im Ergebnis fallen dann die Berechnungen der Temperaturen T12, T22 falsch aus und damit sind die Teilsollwerte für die Regelkreise der Heizstufen K1 und K2 falsch vorgegeben. Bei einer entsprechend feinen Regelung der Heizstufe K3 und einer entsprechend großen Heizleistungsreserve ist daher ein Erreichen der Solltemperatur Tsoll am Auslauf B noch möglich.In Fig. 2 a further simplification of the expenditure on equipment and thus a significant cost reduction is already taken into account because the measurement of the power P0 is dispensed with. It is assumed that the resistance R0 of the heating stage K0 is known and therefore P0 = U² / R0 applies. Because of the quadratic relationship between the mains voltage and the heating power P0, a deviation of the mains voltage from the nominal value would be responsible for an error of comparatively significant effect. As a result, the calculations of the temperatures T12, T22 are incorrect and the partial setpoints for the control circuits of the heating levels K1 and K2 are incorrectly specified. With a correspondingly fine regulation of the heating level K3 and a correspondingly large heating power reserve, it is still possible to reach the target temperature Tsoll at the outlet B.

Um u. a. die vorstehend genannten Fehler zu kompensieren, zeigt Fig. 3 einen gegenüber Fig. 2 modifizierten und weiter ausgebildeten, dritten Durchlauferhitzer 12. Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehenden zweiten Ausführungsform durch ein zusätzlich gebildetes Korrektursignal KS, welches die Differenz zwischen einer mittels des Modells M berechneten Auslauftemperatur T32 und einem Vergleichssignal VS darstellt. Als Vergleichssignal VS wird die Auslauftemperatur Taus verwendet. Der mit der letzten Heizstufe erzielbare Istwert der Temperatur T32 ist dabei eine Funktion von der Leistung P3 und der Temperatur T22.In order to compensate, inter alia, for the abovementioned errors, FIG. 3 shows a third continuous-flow heater 12 that has been modified and further developed compared to FIG. 2. This third embodiment differs from the previous second embodiment by an additionally formed correction signal KS, which represents the difference between an outlet temperature T32 calculated by means of the model M and a comparison signal VS. The outlet temperature Taus is used as the comparison signal VS. The actual value of temperature T32 that can be achieved with the last heating stage is a function of power P3 and temperature T22.

Der Istwert hängt zusätzlich wie alle übrigen berechneten Istwerte auch von der Zeit t und dem Wasserstroms F ab. Das Korrektursignal KS beschreibt deshalb die globale Wirkung von verschiedenen Fehlerursachen, wie z. B. vereinfachtes Modell M, fehlerbehaftete Meßwerte Tein, T11, unpräzise berechnete Sollwerte T12, T22, T32 und/oder Wasserstrom F und vernachlässigte Netzspannungsschwankungen, auf die Modellerrechnung im Mikroprozessor µP. Mit diesem Korrektursignal KS kann das Modell M selbst oder wahlweise auch seine Parameter angepaßt werden. Grundsätzlich ist so auf verschiedene Arten eine Verbesserung der berechneten Temperaturregelung möglich. Beispielsweise wird in einer ersten Variante mit dem Korrektursignal KS die Eingangstemperatur T1 des Wasserstroms F im Sollwertrechner SWR korrigiert. Dadurch werden die Sollwerte des ersten und zweiten Regelkreises entsprechend dem erkannten Fehler korrigiert. In einer zweiten Variante kann das gleiche Korrektursignal KS zur Adaption des berechneten Wasserstroms F verwendet. In einer dritten Variante kann das Korrektursignal KS die im Modell M verrechneten Heizleistungen P1, P2, P3 korrigieren. Ein direkter Eingriff auf die Tastverhältnisse TV1 bis TV3 der leistungselektronischen Stellglieder ST1 bis ST3 ist ebenso möglich, liefert aber praktisch keine anderen Resultate als die zuvor beschriebenen Korrekturen der berechneten Sollwerte.The actual value also depends on all other calculated ones Actual values also depend on the time t and the water flow F. The Correction signal KS therefore describes the global effect of various causes of errors, such as B. simplified Model M, erroneous readings Tein, T11, imprecise calculated setpoints T12, T22, T32 and / or water flow F and neglected mains voltage fluctuations, to which Model calculation in the microprocessor µP. With this Correction signal KS can be the model M itself or alternatively its parameters can also be adjusted. Basically, it is an improvement of the calculated in different ways Temperature control possible. For example, in one first variant with the correction signal KS Input temperature T1 of the water flow F in the setpoint calculator SWR corrected. This sets the setpoints of the first and second control loop according to the detected error corrected. In a second variant, the same can be done Correction signal KS for adaptation of the calculated Water flow F used. In a third variant can the correction signal KS calculated in model M. Correct heating outputs P1, P2, P3. A direct one Interference with the duty cycles TV1 to TV3 Power electronic actuators ST1 to ST3 is the same possible, but gives practically no results other than the previously described corrections to the calculated Setpoints.

Ein mathematisches Modell zur Beschreibung eines aus drei Heizstufen K1 bis K3 bestehenden thermohydraulischen Systems eines Durchlauferhitzers 2, 10, 12 ist in Fig. 4 anhand eines Signalflußplans angegeben. Das dargestellte Modell M zeigt einen Weg auf, in welcher Weise mittels moderner, unter Verwendung von Mikrorechnern in der Steuereinrichtung günstig zu realisierender Verfahren die theoretisch erkannten Gesetzmäßigkeiten zum Übertragungsverhalten des elektrohydraulischen Systems in eine praktikable technische Ausführung umsetzbar sind. Um diese generell zu erreichen, wird der elektrische Durchlauferhitzer 2, 10, 12 als kybernetisches System betrachtet. Darauf aufbauend sind theoretisch fundiert, Steuer- und Regelverfahren für das kybernetische System des elektrischen Durchlauferhitzers 2, 8, 10 angegeben, die nach Struktur und Parametrierung einem Optimum zustreben.A mathematical model for describing a thermohydraulic system of a water heater 2 , 10 , 12 consisting of three heating stages K1 to K3 is given in FIG. 4 on the basis of a signal flow diagram. The model M shown shows a way in which the theoretically recognized laws governing the transmission behavior of the electrohydraulic system can be implemented into a practical technical implementation by means of modern methods which can be implemented inexpensively in the control device using microcomputers. In order to achieve this in general, the electric instantaneous water heater 2 , 10 , 12 is regarded as a cybernetic system. Building on this, there are theoretically well-founded control and regulating methods for the cybernetic system of the electrical instantaneous water heater 2 , 8 , 10 , which strive for an optimum in terms of structure and parameterization.

Hierbei hat es sich gezeigt, daß wegen der länglichen Gestaltung der Heizstufen K1 bis K3 in Fließrichtung des Wasserstroms F deren Beschreibung durch ein konzentriertes Integrierglied nicht alle Feinheiten erfaßt. Vielmehr sind die Kammern als verteiltes Subsystem oder näherungsweise durch eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Integrations- und Totzeitgliedern abbildbar. Als Grundlage für das Einstellverfahren kann jedoch in guter Nährung das elektrohydraulische System dienen, das durch den Signalflußplan gemäß Fig. 4 charakterisiert ist. Die in Fig. 4 zur Beschreibung des Signalflußplans verwendeten Bezeichnungen haben folgende Bedeutung (Angaben zur Heizstufe K1, für die anderen Heizstufen K2 und K3 analoge Bezeichnungen):
Pein: Wärmeleistung, die mit dem bei K eintretenden Wasser zufließt
Pel1: der Heizstufe zugeführte elektrische Leistung
P1ab: mit dem Wasser aus der Heizstufe K1 abfließende Leistung
P1: der Heizstufe 1 insgesamt zufließende Leistung
T12: Temperatur in der Heizstufe K1
Ttot: Fließdauer des Wasserstroms F von einer Heizstufe zur nächsten Heizstufe
M: Masse des Wassers in der Heizstufe
C: spezifische Wärme des Wassers
F: Wasserstrom
ρ: Dichte des Wassers.It has been shown that because of the elongated design of the heating stages K1 to K3 in the flow direction of the water flow F, their description by a concentrated integrator does not capture all the subtleties. Rather, the chambers can be mapped as a distributed subsystem or approximately by a number of successive integration and dead time elements. However, the electro-hydraulic system, which is characterized by the signal flow plan according to FIG . The names used in Fig. 4 to describe the signal flow diagram have the following meaning (information on heating level K1, similar names for the other heating levels K2 and K3):
Torment: heat output that flows in with the water entering K
Pel1: electrical power supplied to the heating level
P1ab: output flowing with the water from heating level K1
P1: total power flowing to heating level 1
T12: temperature in heating level K1
Ttot: Flow time of the water flow F from one heating level to the next heating level
M: mass of water in the heating stage
C: specific heat of water
F: water flow
ρ: density of water.

Quantitativ ist die o. g. Nährung in den Heizstufen K1 bis K3 erfüllt, weil die Integrationszeitkonstante des Integrationsgliedes den Temperaturverlauf in einer Heizstufe deutlich stärker prägt als die dortige Laufzeitverzögerung.The above is quantitative. Nutrition in heating levels K1 to K3 fulfilled because the integration time constant of Integrator the temperature curve in one Heating level is significantly more pronounced than the one there Delay time.

Claims

1.Procedure for setting a predeterminable outlet temperature thousand of an electric instantaneous water heater ( 2 , 10 , 12 ) with several separately adjustable heating levels (K1, K2, K3), whereby each heating level (K1, K2, K3) has a temperature setpoint (T1soll, T2soll, Tsoll ) is specified, which is derived from a specifiable setpoint (Tsoll) for the outlet temperature (Taus).

2. The method according to claim 1, characterized ,, that one to reach the outlet temperature (thousand) required heating power (P) calculated and with known Heating outputs (P1, P2, P3) of the heating levels (K1, K2, K3) is compared so that a number of preferably one single heating level (K1), the total output as possible comes close to the required heating output, is turned on, and a different number of preferably a heating level (K3), the total heating power of which Residual heat output just exceeds, is switched on.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that with each adjustable heating stage (K1, K2) with the exception of the last arranged heating stage (K3) achievable actual value (T12, T22) for the temperature using a model (M) of electrohydraulic system of the instantaneous water heater ( 2 , 10 , 12 ) is calculated.

4. The method according to claim 3, characterized in that the one that can be achieved with the last heating stage (K3) Actual value (T32) calculated and additionally with another Output measured actual value (Taus) is compared, whereby from the difference between the achievable actual value (T22) and measured actual value (Taus) a correction factor (KS) for with the previously arranged heating levels (K1, K2) can be achieved Actual values (T12, T22) is derived.

5. The method according to claim 4, characterized in that a temporal mean from the correction factors (KS) determining which one in response to one systematic error is interpreted.

6. The method according to claim 5, characterized in that the mean as a constant correction in the model (M) is recorded.

7. Electrical instantaneous water heater ( 2 , 10 , 12 ) with several separately adjustable heating levels (K1, K2, K3) and a device for setting the heating levels, which comprises a microprocessor unit (µP) and a memory (S), in which means the microprocessor unit (µP) and the operating-specific data stored in the memory ( 5 ), based on a specifiable outlet temperature (Tsoll), a temperature setpoint (T1soll, T2soll) can be specified for each heating level (K1, K2, K3).

8. Electrical instantaneous water heater ( 2 , 10 , 12 ) according to claim 7, characterized in that the heating power (P) required to achieve the outlet temperature (Thu) can be calculated by means of the operation-specific data, and the required heating power can be controlled by a number of preferably one single heating stage (K1), the total heating output (P) of which falls below the required heating output (P), and another number of preferably one heating stage (K3), the total heating output (P3) of which just exceeds the required residual heating output, can be applied.

9. instantaneous water heater ( 2 , 10 , 12 ) according to claim 7 or claim 8, characterized in that by means of the microprocessor unit (µP) and the operation-specific data one for each controllable heating output level (K1, K2) except for the last in the flow direction arranged heating level (K3) achievable actual temperature value (T12, T22) can be calculated.

10. Electrical instantaneous water heater according to claim 9, characterized characterized in that the microprocessor unit (P) one Comparison of actual outlet temperature (thousand) and one that can be achieved with the last arranged heating level, calculated actual value (T32), whereby one from the Difference between actual value (T32) and actual Outlet temperature (thousand) derived correction factor (KS) with the previously arranged heating levels (K1, K2) achievable actual values (T12, T22) corrected.

11. Electrical instantaneous water heater according to claim 10, characterized in that from the correction factors (KS) an average can be determined.

12. Electrical instantaneous water heater according to claim 11, characterized in that the mean as constant effective correction in the memory (S) as a company-specific Date can be filed.