DE19728333C2 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizgeräts - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Leistungssteuerung eines elektrischen HeizgerätsInfo
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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 haften, 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.
Bei einem elektrischen Durchlauferhitzer gemäß DE 195 04 470 A1 sind
vier Heizkörper vorgesehen, mit denen insgesamt einschließlich der
Null-Leistungsstufe sechzehn Leistungsstufen schaltbar sind. Der
Leistungssprung von Stufe zu Stufe beträgt dabei 1,3 kW und ist damit
so hoch, daß eine feinstufige Temperaturerhöhung von Stufe zu Stufe
nicht möglich ist.
Die DE 195 31 134 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Einstellung einer vorgebbaren Auslauftemperatur eines elektrischen
Durchlauferhitzers, wobei vorgesehen ist, daß mehrere
hintereinandergeschaltete Heizstufen separat betreibbar sind, derart,
daß die Temperaturerhöhung pro Heizleistungsstufe zur Erzielung einer
vorgebbaren Auslauftemperatur herangezogen wird. Nähere Angaben
über die Wahl der jeweiligen elektrischen Leistung ist dieser
Literaturstelle nicht zu entnehmen.
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 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 Anspruchs 1 und bezüglich der Einrichtung durch die
Merkmale des Patentanspruchs 9 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 P1 = 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-Impulse, 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:
P1 = 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.
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,
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 würde.
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 Heizkörpern. 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 der 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
unterschiedlich 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 = 138 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. 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
gleiche ist. 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
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
lassen 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 Gesamtleitung 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
praktisch 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 näherungsweise derart bemessen sind, daß Pi = i × K
× n × dP ist, i = 1, 2, 3... und K ein Proportionalitätsfaktor zur
Angleichung der Nennleistungen der Heizkörper an eine vorgegebene
Gesamtleistung oder 1 ist, und daß innerhalb einer oder mehrerer
Leistungsstufen Heizkörper unterschiedlicher Nennleistungen mit
solchen Durchschaltmustern geschaltet werden, daß ebenso viele
positive wie negative Halbwellen gegeneinander versetzt
durchgeschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den aufeinanderfolgenden Durchschaltmustern schon in den
Leistungsstufen vor dem Erreichen der Summennennleistung der eingeschalteten
Heizkörper ein anderer oder mehrere Heizkörper in Halbwellen
durchgeschaltet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb einer oder mehrerer Leistungsstufen Heizkörper
unterschiedlicher Nennleistung mit solchen Durchschaltmustern
geschaltet werden, daß in gleichen Halbwellen mehrere Heizkörper nur
dann durchgeschaltet werden, wenn Heizkörper in allen Halbwellen
dieser Leistungsstufe durchgeschaltet sind.
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 bei Verwendung von zwei Heizkörpern 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-Halbwellen
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.
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- 1997-07-03 DE DE1997128333 patent/DE19728333C2/de not_active Expired - Fee Related
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