DE19728333A1 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizgeräts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizgeräts, insbesondere Durchlauferhitzers, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE 36 01 555 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Leistung feinstufig gesteuert, ohne daß störende Netzrückwirkungen, wie Flicker und eine störende Gleichstromkomponente auftritt. Die Halbwellen- Durchschaltmuster umfassen 2 × 15 Halbwellen. Die Heizkörper sind im Dreieck an die Phasen des Drehstromnetzes geschaltet. Zwischen zwei Netzphasen liegen zwei Heizkörper parallel, die die gleiche Nennleistung aufweisen.

In den Leistungsbereichen wird nach der DE 36 01 555 A1 mit dem Durchschaltmuster entweder der eine oder der andere der parallelgeschalteten Heizkörper geschaltet. Es werden also in keinem Leistungsbereich die Durchschaltmuster auf den einen und den anderen Heizkörper geschaltet. Um die Netzrückwirkung hinsichtlich des Flickers in der zulässigen Grenze zu halten, ist vorgesehen, den jeweils mit dem Durchschaltmuster getakteten Heizkörper nur in einem mittleren Leistungsbereich mit dem Durchschaltmuster zu steuern. Für die Einhaltung des zulässigen Flickers im oberen und unteren Leistungsbereich sind besondere zusätzliche Schaltmuster vorgeschlagen. Alle Durchschaltmuster sind so gestaltet, daß gleich viele positive und negative Halbwellen geschaltet werden, so daß insgesamt Gleichstromfreiheit entsteht.

In der DE 35 40 830 C2 ist zur stufenweisen Leistungseinstellung ein Verfahren mit Vollwellen- Schwingungspaketsteuerung von zwei bzw. drei elektrischen Heizwiderständen beschrieben. Die Nennleistungen der Heizkörper sind im Verhältnis 1 : 2 : 4 gestaffelt. Beim Hochfahren der Leistung wird zunächst der kleine Heizkörper in Vollwellen stufenweise bis zu seiner 100%-Leistung hochgeschaltet. Dann wird in Vollwellen- Schwingungspaketen der größere Heizkörper parallel hinzu geschaltet, wobei in den Einschaltpausen des größeren Heizkörpers immer der kleinere Heizkörper wieder weggeschaltet wird, bis die 100%-Leistung des größeren Heizkörpers erreicht ist. Anschließend wird wieder die Heizleistung des kleineren Heizkörpers in Stufen zugeschaltet.

In der EP 0 303 314 B1 ist ein Verfahren zur schaltstoßarmen Leistungssteuerung elektrischer Lasten beschrieben. Es sollen auch hier unerwünschte Netzrückwirkungen vermieden werden. Für die stufenweise Leistungssteuerung von zwei gleichen elektrischen Lasten ist deren Schaltung in Reihe, einzeln und parallel vorgesehen. Bei der Parallelschaltung sind ebenso wie bei den anderen Schaltarten nur drei Zwischen-Leistungsstufen möglich. Zur Verwirklichung der Zwischen-Leistungsstufen ist ein Zyklus vorgesehen, der sechs Wechselstrom- Halbwellen umfaßt. Auch hier sollen Netzrückwirkungen vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem sich durch Abstimmung der Nennleistungen der Heizkörper und deren Schalten in Halbwellen-Durchschaltmustern sich eine feinstufige Leistungsschaltung möglichst ohne störende Netzrückwirkungen erreichen läßt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einer gewünschten Leistungsdifferenz dP von beispielsweise je 200 W zwischen zwei benachbarten Leistungsstufen wird die Leistung der einzelnen Heizkörper nach der erfindungsgemäßen Formel

Pi = i × K × n × dP

berechnet. i ist die fortlaufende Nummer der Heizkörper und K ein Proportionalitätsfaktor, der zunächst als 1 angenommen werden kann. So ist dann
P1 = 1 × 1 × 3 × 200 W = 600 W und
P2 = 1200 W (2 × P1), P3 = 1800 W (3 × P1), P4 = 2400 W (4 × P1) usw. In einem Wasserheizblock sind erfindungsgemäß immer benachbarte Heizkörper, d. h. Heizkörper mit aufeinanderfolgenden Nummern, z. B. P2, P3 und P4 zu verwenden. Die Leistungsstufen werden dann dadurch erreicht, daß in einer oder zwei oder drei der Netzhalbwellen des halben Durchschaltmusters der erste oder der zweite oder der dritte oder eine Kombination der Heizkörper, wie sie weiter unten beschrieben ist, eingeschaltet werden.

Es ergeben sich mit nur zwei Heizkörpern elf Leistungsstufen zwischen der kleinsten und der größten Leistung.

Bei n = 3 ist ein guter Flickerwert erreicht. Die Flickerfrequenz beträgt 1/(3 × 10 ms) = 33 Hz, wobei 10 ms die Dauer der Netzhalbwelle beim 50 Hz-Netz ist. Der Wert von 33 Hz ist günstig, weil er über dem Wert von 25 Hz liegt, bei dem Lampenflickern unangenehm sichtbar wird.

Jedes ganze Durchschaltmuster umfaßt 2 × 3 Halbwellen, wodurch eine Gleichstromfreiheit gegeben ist, wobei in jedem halben Durchschaltmuster solche durchgeschaltete Halbwellen liegen, die im anderen halben Durchschaltmuster mit umgekehrter Polarität auftreten.

Bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung ist es auch möglich, die Durchschaltmuster so auszulegen, daß sie 2 × 5 oder 2 × 7 usw. Halbwellen umfassen.

In der weiteren Betrachtung wird der kleinste Heizkörper der ausgesuchten und nach der erfindungsgemäßen Formel berechneten Heizkörpergruppe als P1 bezeichnet. P1 hat 1200 W. Der zweite Heizkörper P2 hat 1800 W und P3 dann 2400 W.

Die erste, unterste Leistungsstufe ist P1/n. Dies beruht darauf, daß die kleinste Leistungsstufe diejenige ist, in der der kleinste Heizkörper in einer von n-Halbwellen eingeschaltet ist.

Mit zwei Heizkörpern P1 und P2 (1200 W und 1800 W) ergibt sich eine maximale Gesamtleistung, die wegen der Parallelschaltung die Summe der beiden Nennleistungen ist. Ist eine größere Gesamtleistung gewünscht, kann auch ein dritter Heizkörper vorgesehen sein. Dessen Nennleistung P3 ist 2400 W.

Durch die Bemessung der Heizkörperleistungen nach der oben genannten Formel Pi = i × k × n × dP ist erreicht, daß er sich in die Durchschaltmuster integrieren läßt und über die Durchschaltmuster eine gleiche Leistungsstufung dP besteht.

Es lassen sich insgesamt also kleine Leistungsstufen wählen, was für eine annähernde Linearität der Leistungssteuerung günstig ist und auch vorteilhaft ist, weil dann beim Umschalten von einem Durchschaltmuster auf ein nächsthöheres oder nächstniedriges Durchschaltmuster nur ein kleiner Leistungssprung, also nur eine geringe Netzrückwirkung, entsteht.

Günstig ist auch, daß durch die beschriebenen Durchschaltmuster nur eine geringe Belastung des Netzes mit Oberwellen auftritt.

Soll eine bestimmte Gesamtleistung Psoll aller Heizkörper erreicht werden, so ist der Proportionalitätsfaktor K = Psoll/SP, wobei SP die Summenleistung der zu verwendenden Heizkörper ist. Die einzelne Leistungsstufung ist dann K × dP.

Im Bedarfsfall kann auch ein vierter Heizkörper vorgesehen sein. Dieser wird entsprechend bemessen. Das beschriebene Verfahren läßt sich auch bei einer Sternschaltung einsetzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei Heizkörpern und n = 3,

Fig. 2 eine Wahrheitstabelle der Ausgänge des Speichers nach Fig. 1,

Fig. 3 13 Halbwellen-Durchschaltmuster für die Leistungssteuerung von zwei Heizkörpern mit n = 3 in Sinus-Halbwellendarstellung,

Fig. 4 25 halbe Durchschaltmuster für die Leistungssteuerung von drei Heizkörpern mit n = 3 in Blockdarstellung,

Fig. 5a ein Beispiel eines weniger günstigen Durchschaltmusters,

Fig. 5b ein gegenüber Fig. 5a besseres Durchschaltmuster gleicher Leistung und

Fig. 6 25 halbe Durchschaltmuster für die Leistungssteuerung von drei Heizkörpern mit n = 3 mit gegenüber Fig. 4 verbesserter Auswahl von Durchschaltmustern in Blockdarstellung.

Ein elektrischer Durchlauferhitzer weist ein Wasserteil (1) auf, in dem zwei Heizkörper (2, 3), deren mittels dem Durchschaltmuster durchgeschalteten Leistungsanteil a und b sind, zur Erwärmung von durchfließendem Wasser angeordnet sind. Im Zulauf des Wasserteils (1) ist ein Mengendurchflußmesser (4) angeordnet, der entsprechend der Durchflußmenge Impulse über eine Leitung (5) an eine Steuerelektronik (6) gibt. An die Steuerelektronik (6) ist ein Auslauf-Temperatursensor (7) über eine Leitung (8) angeschlossen. Der Auslauf des Wasserteils (1) ist an einem Zapfventil (1') anzuschließen.

An der Steuerelektronik (6) liegt ein Solltemperaturgeber (9). Die Steuerelektronik (6) berechnet aus der Solltemperatur, der Isttemperatur am Temperatursensor (7) und der Durchflußmenge diejenige Heizleistung, die nötig ist, um eine gewünschte Auslauftemperatur zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Dies geschieht nach der bekannten Wärmebedarfsberechnung. Nötigenfalls kann in die Berechnung auch noch die von einem weiteren Temperaturfühler erfaßbare Kaltwassertemperatur im Einlauf eingebunden sein. Damit ist eine noch genauere Berechnung der nötigen Heizleistung möglich.

Das Ausgangssignal der Steuerelektronik (6) beinhaltet die Information Auslauftemperatur "zu kalt" oder "zu warm". Dieses Signal wird auf einen Aufwärts-Abwärtszähler (10) gegeben. Am Ausgang des Zählers (10) ergibt sich damit ein Adressensignal, das im Beispielsfall als 4-Bitsignal ausgelegt ist, mit dem 16 Adressen eines Speichers (11) aufgerufen werden können. Im Speicher (11) sind Zündmuster bzw. Durchschaltmuster, speziell halbe Durchschaltmuster, abgelegt, die weiter unten näher beschrieben sind.

Der Speicher (11) weist im Beispielsfall - für zwei Heizkörper bei n = 3 - sechs Ausgänge (I bis VI) auf.

Dem Heizkörper (2) ist ein Triac (14) in Reihe geschaltet, der an eine Steuerleitung (12) angeschlossen ist. Dem Heizkörper (3) ist ein Triac (15) in Reihe geschaltet, der an eine Steuerleitung (13) angeschlossen ist. Diese Reihenschaltungen liegen elektrisch parallel an der Phase (L1) und dem Nulleiter (Mp) des elektrischen Netzes. Die Triacs (14, 15) sind als Triacs mit Nullpunkterkennung ausgebildet.

An den Ausgängen (I, II, III) des Speichers (11) liegt jeweils ein UND-Gatter einer Logik (17). Diese UND-Gatter sind ausgangsseitig an die Steuerleitung (12) angeschlossen. An den Ausgängen (IV, V, VI) des Speichers (11) liegt jeweils ein weiteres UND-Gatter der Logik (17). Ausgangsseitig liegen diese UND-Gatter an der Steuerleitung (13) des Triacs (15).

An den anderen Eingängen der sechs UND-Gatter der Logik (17) liegt ein Ringzähler (16). Dieser ist durch 100 Hz-Im­ pulse, d. h. mit der doppelten Netzfrequenz, getaktet. Hierfür ist eine Taktschaltung (18) vorgesehen, die über einen an das Netz (L1, Mp) angeschlossenen Trafo (19), einen Brückengleichrichter (20) und einen Schmitt-Trigger (21) netzhalbwellensynchrone 100 Hz-Impulse erzeugt.

Im Beispielsfall ist davon ausgegangen, daß n = 3 ist, also drei aufeinanderfolgende Netzhalbwellen die Basis für die Durchschaltmuster, d. h. die halben Durchschaltmuster, bilden. Dementsprechend initiiert der Ringzähler (16) bei der ersten Netzhalbwelle die UND-Gatter der Ausgänge (I, IV), bei der zweiten Netzhalbwelle die UND-Gatter der Ausgänge (II, V) und bei der dritten Netzhalbwelle die UND-Gatter der Ausgänge (III, VI). Dies geschieht jeweils für eine der Netzhalbwellen. Bei den folgenden Netzhalbwellen wiederholen sich diese Vorgänge, was in Fig. 1 im Ringzähler (16) angedeutet ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem n = 5 oder n = 7 oder n = 9 usw. gewählt wird, weist der Speicher (11) entsprechend mehr Ausgänge, an denen UND-Gatter liegen, auf und der Ringzähler (16) ist so ausgelegt, daß er diese UND-Gatter nacheinander einzeln in den beiden den Leitungen (12, 13) zugeordneten Gruppen initiiert.

In Fig. 1 sind die Ausgänge des Ringzählers (16) mit 22, 23 und 24 bezeichnet. Dabei liegt der Ausgang (22) an den UND-Gattern der Ausgänge (I, IV). Der Ausgang (23) liegt an den UND-Gattern der Ausgänge (II, V). Der Ausgang (24) liegt an den UND-Gattern der Ausgänge (III, VI). An den Ausgang (24) ist über einen 2 : 1-Teiler (25) ein Reseteingang des Speichers (11) geschaltet. Dieser Teiler (25) stellt sicher, daß nach 2 × 3 Halbwellen, also 6 Halbwellen bzw. nach jedem 6. Impuls der Taktschaltung (18) der Speicher (11) auf ein neues halbes Durchschaltmuster umgeschaltet werden kann. Damit ist verbunden, daß an den Steuerleitungen (12, 13) das Durchschaltmuster über 2 × n, wobei n im Beispielsfalle 3 ist, ansteht, so daß die Gleichstromfreiheit der Durchschaltmuster gewährleistet ist. Der Speicher (11) ist so mit dem Teiler (25) verschaltet, daß die jeweils abklingende Flanke des Reset-Befehls für ein Neusetzen sorgt, damit auch die Zeit des zurücksetzenden Resetsignals in voller Länge zum Steuern des bzw. der Triacs (14, 15) ausgenutzt wird.

An einen weiteren Ausgang (26) des Speichers (11) ist eine lichtemittierende Diode (27) angeschlossen. Diese wird angesteuert, wenn die vorletzte Leistungsstufe, also die Leistungsstufe vor der 100%-Leistung geschaltet wird. Die lichtemittierende Diode (27) gibt dem Benutzer dann den Hinweis, daß nun nahezu die Maximalleistung erreicht ist.

Die Fig. 2 zeigt die verschiedenen Bitmuster "0" bis "13", die an den Ausgängen (I bis VI) im Beispielsfalle anliegen können.

Fig. 3 zeigt die Halbwellendurchschaltmuster "1" bis "13", die sich bei Vorliegen des jeweiligen Bitmusters "1" bis "13" an den Heizkörpern (2 bzw. a) und (3 bzw. b) ergeben.

Die möglichen Heizkörperleistungen sind nach der Formel dimensioniert:

Pi = i × K × n × dP,

wobei i eine fortlaufende Nummer bzw. Index 1, 2, 3, . . ., K ein Proportionalitätsfaktor, n die ungerade Anzahl 3, 5, 7, . . . der im halben Durchschaltmuster enthaltenen Halbwellen und dP die gewünschte Differenzleistung in den Leistungsstufen zwischen der untersten Leistungsstufe und der vorletzten Leistungsstufe ist. Mit K = 1, n = 3 und dP = 200 W ergeben sich folgende Leistungen:

P1 = 1 × 1 × 3 × 200 W = 600 W
P2 = 2 × 1 × 3 × 200 W = 1200 W
P3 = 3 × 1 × 3 × 200 W = 1800 W
P4 = 4 × 1 × 3 × 200 W = 2400 W.

Im Beispielsfall der Fig. 3 und der Fig. 4 bis 6 soll die mit den beiden Heizkörpern (2 bzw. a, 3 bzw. b) erreichbare Gesamtleistung SP 3 kW betragen. Es werden dementsprechend ein Heizkörper mit der Leistung P2 und ein Heizkörper mit der Leistung P3 verwendet. In der Praxis kann es genügen, wenn die Heizkörper diese Leistungen näherungsweise, beispielsweise mit +/-10% der Nennleistung, haben.

In der kleinsten Leistungsstufe ergibt sich eine Leistung von P2/n, also 400 W. In dieser kleinsten Leistungsstufe liegt das Bitmuster "1" der Fig. 2 an den Ausgängen (I bis VI). Der Heizkörper (a) ist nur in der ersten der drei Halbwellen bzw. bezogen auf das ganze, sechs Halbwellen umfassende Durchschaltmuster in der ersten und vierten Halbwelle eingeschaltet, was einer Leistung von 400 W entspricht.

In der zweiten Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "2" wird nur der zweite Heizkörper (b) in der ersten Halbwelle durchgeschaltet. Dies ist aus dem Bitmuster "2" der Fig. 2 ersichtlich, wonach am Ausgang (IV) die "1" liegt, so daß über den Ringzähler (16) das betreffende UND-Gatter während der ersten Halbwelle über die Leitung (13) den Triac (15) und damit den Heizkörper (3 bzw. b) durchschaltet. Der Heizkörper (b) bleibt zumindest auch in der vierten Halbwelle eingeschaltet, was durch den Teiler (25) gewährleistet ist. In der zweiten Leistungsstufe "2" ist also die geschaltete Leistung um dP = 200 W höher als in der ersten Leistungsstufe "1".

In der dritten Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "3" (Fig. 3), die vom dritten Bitmuster "3" (Fig. 2) ausgelöst ist, ist nur der erste Heizkörper (a) in der ersten und zweiten sowie der vierten und fünften Halbwelle eingeschaltet. Es ergibt sich damit eine Leistung von 800 W. Die Leistungsdifferenz dP zur vorhergehenden Stufe ist also wiederum 200 W.

In der Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "4" (vgl. Fig. 3), die vom Bitmuster "4" (vgl. Fig. 2) ausgelöst ist, werden der erste Heizkörper (a) in der ersten und vierten Halbwelle und der zweite Heizkörper (b) in der zweiten und fünften Halbwelle durchgeschaltet. Es ist also eine Leistung von 1,0 kW erreicht, was wiederum eine Leistungserhöhung um dP = 200 W bedeutet.

In der Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "5" ist während aller drei bzw. sechs Halbwellen nur der Heizkörper (a) durch das Bitmuster "5" (Fig. 2) durchgeschaltet, was eine Leistung von 1,2 kW und damit dP = 200 W gegenüber der Leistung in der Leistungsstufe "4" bedeutet.

Es ist also ersichtlich, daß schon vor dem Erreichen der Maximalleistung des Heizkörpers (a) für die Leistungsstufung auch der Heizkörper (b) - im Ausführungsbeispiel in den Leistungsstufen "2" und "4" - herangezogen wird, was wegen der besonderen Abstimmung der Nennleistungen der beiden Heizkörper möglich ist und zwar ohne daß unterschiedliche Leistungsdifferenzen dP entstehen.

In der Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "6" (vgl. Fig. 3), die durch das Bitmuster "6" ausgelöst wird, wird in der ersten und vierten Halbwelle der Heizkörper (b) und in der zweiten und dritten sowie fünften und sechsten Halbwelle der Heizkörper (a) eingeschaltet. Es ergibt sich damit eine Leistung von 1,4 kW, d. h. ein dP von wiederum 200 W.

In der Leistungsstufe bzw. Durchschaltmuster "7" entsprechend dem Bitmuster "7" wird der Heizkörper (3) in der ersten und zweiten sowie der vierten und fünften Halbwelle und der erste Heizkörper (a) in der dritten und sechsten Halbwelle geschaltet, was eine Leistung von 1,6 kW, also wiederum dP = 200 W bedeutet.

Die nächste, wiederum um dP = 200 W höhere Leistung beträgt 1, 8 kW. Diese ist die Nennleistung des Heizkörpers (3 bzw. b). Dementsprechend wird in der achten Leistungsstufe über alle sechs Halbwellen nur der Heizkörper (b) durchgeschaltet, was mit dem Bitmuster "8" geschieht.

Die weitere Leistungserhöhung um dP=200 W auf 2,0 kW geschieht dadurch, daß durch das Bitmuster "9" in der Leistungsstufe "9" (vgl. Fig. 3) der erste Heizkörper (a) in der ersten, zweiten, vierten und fünften Halbwelle und der zweite Heizkörper (b) in der zweiten, dritten und fünften und sechsten Halbwelle durchgeschaltet werden. In der zweiten und fünften Halbwelle sind also beide Heizkörper durchgeschaltet.

In der Leistungsstufe "10" (2,2 kW), die vom Bitmuster "10" (vgl. Fig. 2) initiierbar ist, ist der Heizkörper (b) in allen sechs Halbwellen eingeschaltet und der Heizkörper (a) ist in der zweiten und fünften Halbwelle zugeschaltet. Die gleiche Leistung ließe sich erreichen, wenn der Heizkörper (a) in der ersten und vierten Halbwelle oder der dritten und sechsten Halbwelle zugeschaltet wurde.

In der Leistungsstufe "11" (2,4 kW) ist der Heizkörper (a) in allen sechs Halbwellen eingeschaltet und der Heizkörper (b) ist in vier der sechs Halbwellen, im Beispielsfall in der zweiten, dritten, fünften und sechsten Halbwelle zugeschaltet.

In der Leistungsstufe "12" (2,6 kW) ist der Heizkörper (b) in allen sechs Halbwellen eingeschaltet und der Heizkörper (a) ist in vier der sechs Halbwellen, im Beispielsfall in der zweiten, dritten, vierten und fünften Halbwelle zugeschaltet (vgl. Bitmuster "12" der Fig. 2).

Ersichtlich wird auch in den Leistungsstufen "9" bis "12" die jeweilige Leistungserhöhung um den gleichen Differenzbetrag dP dadurch erreicht, daß die Zuschaltung der beiden Heizkörper in den einzelnen Halbwellen variiert wird. Es wird also ausgehend von der Leistungsstufe "8" eine Leistungserhöhung nicht nur dadurch eingestellt, daß der Heizkörper (3) eingeschaltet bleibt und in einzelnen Halbwellen der Heizkörper (2) abgeschaltet wird. Vielmehr wird die durchgeschaltete Leistung des Heizkörpers (3) zurückgenommen, um dann durch Zuschalten des Heizkörpers (2) die nötige feinstufige Leistungssteuerung zu erreichen.

Um die Maximalleistung (P2 + P3) = 3 kW zu erreichen, werden beide Heizkörper (a, b) während aller sechs Halbwellen eingeschaltet. Dies zeigt die Leistungsstufe "13" der Fig. 3 bzw. das Bitmuster "13" der Fig. 2.

Insgesamt sind also mit nur zwei Heizkörpern elf Leistungsstufen kleiner Leistungsdifferenz dP zwischen der Leistungsstufe "1" und der Leistungsstufe "13" möglich.

Die Fig. 3 zeigt die auf den Heizkörper (2 bzw. a) durchgeschalteten Halbwellen gedunkelt und die auf den Heizkörper (3 bzw. b) durchgeschalteten Halbwellen hell. Die unterschiedlichen Amplituden entsprechen den unterschiedlichen Leistungen der beiden Heizkörper.

Die erste Leistungsstufe "1" hat ausgehend von der Nulleistung einen höheren Leistungssprung als dP = 200 W, nämlich 400 W. Dies stört nicht, weil für das Einschalten schon wegen der wassertechnischen Seite eine gewisse Grundleistung nötig ist, weil sich der Wasser- Volumenstrom ohnehin nicht gegen Null regeln läßt.

Auch der Leistungssprung von der zwölften Leistungsstufe und dreizehnten Leistungsstufe ist) dP = 200 W, nämlich ebenfalls 400 W, wie bei der Leistungsstufe "1". Dies muß in der Praxis nicht stören. Denn beispielsweise über die lichtemittierende Diode (27) erhält der Benutzer einen Hinweis, daß er an die maximale Leistung stößt, so daß er eine Möglichkeit hat, eine weitere Leistungsanforderung durch Zurückstellen der Solltemperatur und/oder der Wasserdurchflußmenge zu vermeiden.

Die in Fig. 3 dargestellten Verteilungen der durchgeschalteten Halbwellen auf die Heizkörper (2, 3) können gegenüber der Fig. 3 auch abgeändert werden. Beispielsweise ist es möglich:

• 1. Beim Durchschaltmuster "1" die Durchschaltung in der zweiten und fünften oder dritten und sechsten Halbwelle vorzunehmen. Gleiches gilt für das Durchschaltmuster "2";
• 2. im Durchschaltmuster "3", d. h. Leistungsstufe "3", eine Durchschaltung auch in der zweiten und dritten und vierten und fünften Halbwelle oder in der zweiten und dritten und fünften und sechsten Halbwelle erfolgen. Entsprechendes gilt für das Durchschaltmuster "4" bzw. Leistungsstufe "4", wobei dort auch der Heizkörper (b) jeweils in einer Halbwelle vor dem Heizkörper (a) durchgeschaltet werden kann;
• 3. entsprechendes gilt auch für die anderen Durchschaltmuster bzw. Leistungsstufen "6", "7", "9", "10", "11", "12". In allen Fällen wird darauf geachtet, daß sich hinsichtlich des Flickers eine möglichst geringe Netzrückwirkung ergibt.

Die in Fig. 2 gezeigten Bitmuster, die zu den Schaltmustern bzw. Leistungsstufen nach Fig. 3 führen, werden jeweils vom Adressenzähler (10) in Abhängigkeit von dem von der Steuerelektronik (6) gemeldeten größeren und kleineren Wärmebedarf initiiert, wobei das Hochfahren oder Zurückfahren der Leistung stufenweise über die einzelnen Leistungsstufen "1" bis "13" erfolgt. Es ist vorzugsweise nicht vorgesehen, daß beim Hochfahren oder beim Zurückfahren der Leistung Leistungsstufen übersprungen werden. Dadurch ist erreicht, daß schnelle Leistungssprünge nicht auftreten. Besteht ein Wärmebedarf, der beispielsweise durch die Leistungsstufe "9" gedeckt werden kann, dann werden nacheinander die Leistungsstufen "1" bis "9" durchgeschaltet. Verringert sich der Wärmebedarf beispielsweise in der Weise, daß die Leistungsstufe "3" zu dessen Deckung genügt, dann wird von der Leistungsstufe "9" über die dazwischenliegenden Leistungsstufen nacheinander auf die Leistungsstufe "3" zurückgeschaltet.

Ersichtlich ist bei dem beschriebenen Verfahren keine Umschaltung der Heizkörper (2, 3) in Serienschaltung nötig, um eine feinstufige Leistungssteuerung zu erreichen.

Fig. 4 zeigt Durchschaltmuster "1" bis "25" für den Fall der Verwendung von drei Heizkörper. Es ist im Beispiel davon ausgegangen, daß der die Leistungsanteile (a) beisteuernde erste Heizkörper (2) eine Nennleistung von 1,2 kW und der die Leistungsanteile (b) beisteuernde zweite Heizkörper (3) eine Nennleistung von 1,8 kW hat. Die Nennleistung P4 des dritten Heizkörpers, der die Leistungsanteile (c) beisteuert, ist entsprechend obiger Formel 2,4 kW.

Auch der dritte Heizkörper liegt mit einem eigenen Triac in Reihe und diese Reihenschaltung ist zu den Reihenschaltungen, in denen der erste Heizkörper und der zweite Heizkörper liegen (vgl. Fig. 1), parallelgeschaltet. Für die Ansteuerung des dritten Heizkörpers ist die Schaltung nach Fig. 1 hinsichtlich der Ausgänge des Speichers (11) und der Logik (17) entsprechend erweitert. Es sind also insgesamt neun Ausgänge am Speicher (11) vorgesehen.

In Fig. 4 und 6 sind die Durchschaltmuster nur über drei Netzhalbwellen dargestellt. Die Verdoppelung auf sechs Netzhalbwellen ist wie oben beschrieben vorgesehen, um die Gleichstromfreiheit zu erreichen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Fig. 4 und 6 die innerhalb der Netzhalbwellen jeweils durchgeschalteten Halbwellen nur als Block dargestellt. Die Verteilung der Blöcke entspricht den an den Ausgängen des Speichers (11) zur Verfügung stehenden Wahrheitstabelle, die dann gegenüber Fig. 2 für den dritten Heizkörper erweitert ist. Die Höhe der Blöcke entspricht den unterschiedlichen hohen Leistungen der Heizkörper.

Ein Vergleich der Fig. 4 mit der Fig. 3 zeigt, daß die Durchschaltmuster "1" bis "12" der Fig. 4 die gleichen wie in Fig. 3 sind.

Mit dem Durchschaltmuster "13" der Fig. 4 ist der Heizkörper (c) in allen drei Halbwellen eingeschaltet und der Heizkörper (a) ist in der ersten Halbwelle zugeschaltet. Dies ergibt eine Leistung von 2,4 kW + 1,2 kW/3 = 2,8 kW. Durch Verwendung des dritten Heizkörpers ist es also möglich, die Leistung von 2,8 kW zu schalten, was nach Fig. 3 nicht möglich ist.

Das Durchschaltmuster "14" der Fig. 4 entspricht dem Durchschaltmuster "13" der Fig. 3. In den weiteren Durchschaltmustern "15" bis "24" ist der Heizkörper (c) in allen drei Halbwellen eingeschaltet und die Heizkörper (a, b) werden etwa so zugeschaltet, wie dies auch in den Durchschaltmustern "3" bis "12" erfolgt. Es ergibt sich also von Leistungsstufe zu Leistungsstufe wieder ein dP von 200 W. Mit dem Durchschaltmuster "25" werden alle drei Heizkörper in allen drei Halbwellen durchgeschaltet.

Oben sind die Leistungsverhältnisse in Watt beschrieben. Die gleichen Verhältnisse sind erkennbar, wenn die elektrische Arbeit in Ws betrachtet wird. Die drei Heizkörper haben im Beispielsfall Nennleistungen von 1,2 bzw. 1,8 bzw. 2,4 kW. Dies bedeutet, daß der erste Heizkörper in 10 ms - was einer Halbwelle entspricht - 12 Ws liefert. Entsprechend liefert der zweite Heizkörper 18 Ws und der dritte Heizkörper 24 Ws in jeder durchgeschalteten Halbwelle.

Betrachtet man beispielsweise das Durchschaltmuster "21" in Fig. 4, dann ist zu sehen, daß mit 3 × 24 Ws + 2 × 12 Ws + 2 × 18 Ws = 132 Ws gearbeitet wird, was über die drei Halbwellen betrachtet einer Leistung von 132 Ws/30 ms = 4,4 kW entspricht. Betrachtet man das Durchschaltmuster "22", dann ist zu sehen, daß mit 3 × 24 Ws + 3 × 18 Ws + 1 × 12 Ws = 138 Ws gearbeitet wird, was einer Leistung von 4, 6 kW entspricht. Gleiche Überlegungen lassen sich auch bei den anderen Durchschaltmustern anstellen.

In Fig. 5a ist nochmal das Durchschaltmuster "16" gezeigt. Bei diesem wird mit 3 × 24 Ws + 1 × 12 Ws + 1 × 18 Ws = 102 Ws gearbeitet. Dieses Durchschaltmuster ist hinsichtlich des Flickers wegen seines Leistungssprungs Sp weniger günstig. Fig. 5b zeigt, daß 102 Ws auch mit einem anderen Durchschaltmuster erreicht werden kann. Bei diesem wird mit 3 × 12 Ws + 2 × 24 Ws + 1 × 18 Ws = 102 Ws gearbeitet. Es ist also der erste Heizkörper während aller drei Halbwellen, der nächstgrößte Heizkörper während zwei Halbwellen und der zweite Heizkörper während einer Halbwelle eingeschaltet. Dieses Durchschaltmuster ist hinsichtlich des Flickers günstiger, da es nur einen kleinen Leistungssprung Sp enthält.

Diejenigen Durchschaltmuster, die in sich wenig kleine Leistungssprünge beinhalten und damit am Netz nur zu geringen Netzspannungsschwankungen führen, werden ausgewählt und im Speicher (11) programmiert bzw. von 4,6 kW entspricht. Gleiche Überlegungen lassen sich auch bei den anderen Durchschaltmustern anstellen.

In Fig. 5a ist nochmal das Durchschaltmuster "16" gezeigt. Bei diesem wird mit 3 × 24 Ws + 1 × 12 Ws + 1 × 18 Ws = 102 Ws gearbeitet. Dieses Durchschaltmuster ist hinsichtlich des Flickers wegen seines Leistungssprungs Sp weniger günstig. Fig. 5b zeigt, daß 102 Ws auch mit einem anderen Durchschaltmuster erreicht werden kann. Bei diesem wird mit 3 × 12 Ws + 2 × 24 Ws + 1 × 18 Ws = 102 Ws gearbeitet. Es ist also der erste Heizkörper während aller drei Halbwellen, der nächstgrößte Heizkörper während zwei Halbwellen und der zweite Heizkörper während einer Halbwelle eingeschaltet. Dieses Durchschaltmuster ist hinsichtlich des Flickers günstiger, da es nur einen kleinen Leistungssprung Sp enthält.

Diejenigen Durchschaltmuster, die in sich wenig kleine Leistungssprünge beinhalten und damit am Netz nur zu geringen Netzspannungsschwankungen führen, werden ausgewählt und im Speicher (11) programmiert bzw. abgelegt.

In Fig. 6 sind die im Speicher (11) abzulegenden optimierten Durchschaltmuster gezeigt. Der Vergleich der Durchschaltmuster "1" bis "25" mit den Durchschaltmustern der Fig. 4 zeigt, daß die Durchschaltmuster "1" bis "8", "14" und "17" bis "25" die gleichen wie in Fig. 4 sind. Geändert gegenüber Fig. 4 sind die Durchschaltmuster "9" bis "13", "15" und "16" und zwar so, daß in den Mustern nur möglichst kleine Leistungssprünge vorliegen, wobei jedoch gewährleistet ist, daß die Leistungsdifferenz dP zwischen allen Leistungsstufen die gleichen sind. Die Durchschaltmuster "9" bis "13", "15" und "16" der Fig. 6 führen also zu den gleichen Leistungen wie in Fig. 4. Geändert ist lediglich die Verteilung der Leistungsanteile a, b, c in den drei Halbwellen.

Mit dem Proportionalitätsfaktor bzw. Korrekturfaktor K erfolgt eine Angleichung der einzelnen Leistungen der vorgesehenen Heizkörper an die jeweils vorgegebene Gesamtleistung Psoll. Es ist:

K = Psoll/SP.

Soll beispielsweise eine Gesamtleistung Psoll von 7 kW mit drei Heizkörpern unter den oben genannten Ausgangsbedingungen erreicht werden, wobei P2 = 1,2 kW, P = 1,8 kW und P4 = 2,4 kW und die Summe dieser Einzelleistungen also 5,4 kW ist, dann ergibt sich K = 7 KW/5,4 kW = 1,3.

Nach obiger Formel ist dann:

P2'= 2 × 1,3 × 3 × 200 W = 1,56 kW
P3'= 3 × 1,3 × 3 × 200 W = 2,34 kW
P4'= 4 × 1,3 × 3 × 200 W = 3,12 kW.

Die drei Heizkörper werden dann so dimensioniert, daß sie näherungsweise diese Nennleistungen P2', P3' und P4' haben, was zu der gewünschten Gesamtleistung von 7 kW führt.

Die Grundformel ist oben nur bis zur Leistung P4 ausgeführt. Ersichtlich sich aus der Grundformel weitere mögliche Nennleistungen ableiten, im Beispielsfall bleibend ergibt sich P5 = 3 kW, P6 = 3,6 kW, P7 = 4,2 kW. Für den jeweiligen Einsatzfall läßt sich eine Gruppe von Nennleistungen auswählen und die zu verwendenden Heizkörper entsprechend dimensionieren. Dabei ist die Gruppe nicht auf die Verwendung von drei Heizkörpern beschränkt. Vorzugsweise werden unabhängig von der Anzahl der Heizkörper und der Höhe der Nennleistung solche Gruppen verwendet, deren Nummern bzw. Indizes i aufeinanderfolgen.

Eine der zahlreichen Dimensionierungs- und Auswahlmöglichkeiten besteht beispielsweise darin, daß für dP 333 W gesetzt wird. Es ergibt sich dann P1 = 1 KW, P2 = 2 kW, P3 = 3 KW. Für einen Durchlauferhitzer mit einer gewünschten Gesamtleistung von 6 kW werden dann drei Heizkörper mit diesen Nennleistungen verwendet.

Die beschriebene Schaltung läßt sich mit einem Mikroprozessor und einem entsprechenden Speicherbaustein aufbauen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizgeräts, insbesondere Durchlauferhitzers, mit wenigstens zwei Heizkörpern in im wesentlichen gleichen Leistungsdifferenzen dP zwischen Leistungsstufen, wobei dP klein im Vergleich zur Nennleistung der Heizkörper ist und in den Leistungsstufen eine verschiedene Anzahl von Netzhalbwellen in Durchschaltmustern auf die Heizkörper geschaltet werden, wobei jedes Durchschaltmuster 2 × n Halbwellen umfaßt und ebenso viele negative wie positive Halbwellen durchschaltet und n eine ungerade Zahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkörper an einer Netzphase parallelgeschaltet sind und ihre Nennleistungen Pi, wobei i = 1, 2, 3, . . ., näherungsweise derart bemessen sind, daß Pi = i × K × n × dP ist und daß in den aufeinanderfolgenden Durchschaltmustern schon in Leistungsstufen vor dem Erreichen der Nennleistung des einen Heizkörpers und dem Erreichen der Summennennleistung der Heizkörper der eine oder andere oder mehrere in Halbwellen durchgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß K ein Proportionalitätsfaktor zur Angleichung der Nennleistungen der Heizkörper an eine vorgegebene Gesamtleistung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur Heizkörper mit Leistungen mit aufeinanderfolgenden Nummern (i) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungen der Heizkörper näherungsweise +/-10% der Nennleistungen betragen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß n = 3 ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschaltmuster derart ausgewählt werden, daß die Leistungsanteile (a, b, c) der Heizkörper in jedem Durchschaltmuster möglichst geringe Leistungssprünge (Sp) aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Leistungsstufe P1/n ist, wobei P1 die Heizleistung des kleineren Heizkörpers ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorletzte Leistungsstufe P1 + P2 - P1/n oder P3 + P2 + P1 - P1/n ist.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Speicher (11) unter Adressen die 2 n-Halb­ wellen umfassenden Durchschaltmuster oder die n-Halbwellen umfassenden halben Durchschaltmuster ("0" - "13"; "1" bis "25") abgelegt sind und daß eine an Ausgängen (I bis VI) des Speichers (11) liegende Logik (17)' an der ein mit der doppelten Netzfrequenz getakteter Ringzähler (16) liegt, den Heizkörpern (2, 3) zugeordnete elektronische Schalter, insbesondere Triacs (14 , 15), schaltet, wobei die Steuerelektronik (6, 10) die Adressen je nach dem Wärmebedarf auf- oder absteigend aufruft.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringzähler (16) im Rhythmus von n-Halbwellen durchschaltet und ein Teiler (25) an einen Reset-Eingang des Speichers (11) derart gelegt ist, daß frühestens nach zwei n-Halbwellen ein anderes adressiertes Durchschaltmuster wirksam werden kann.