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Die beantragte Erfindung bezieht sich auf elektrische Heizsysteme, die von einem 50-60-Hz- oder 400-Hz- oder 1000-Hz-Wechselstromnetz gespeist werden, in dem WiderstandsHeizelemente, wie z.B. zweidimensionale Heizelemente auf Basis von Kohlefasern, leitenden Bändern, Heizkabel, Heizgewebe und -matten, Heizbänder, Heizstäbe oder -drähte, Heizelemente auf der Basis leitender Flüssigkeiten, Heizelemente, die speziell für die Beheizung transparenter oder reflektierender Oberflächen wie Fenster, Windschutzscheiben, Spiegel ausgelegt sind, als Wärmeentwicklungselemente verwendet werden.
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Die beantragte Erfindung ermöglicht es, moderne elektrisch sichere, energieeffiziente, geräuscharme Heizsysteme mit erhöhtem Komfort für Wohn-, öffentliche, industrielle Räume, Fahrzeuge, landwirtschaftliche Einrichtungen, z.B. Gewächshäuser, Tierställe, Lagerhallen, für Straßen- und Gartenanlagen, z.B. beheizte Wege, Gehsteige, Treppen, Bänke, Fahrbahnen, für Schneeschmelz- und Frostschutzanlagen, z.B. Dächer und Vordächer von Gebäuden, für konventionelle und spezielle beheizte Kleidung, für Bettausstattung, z.B. elektrische Decken, elektrische Bettdecken, für sanitäts-hygienische Gegenstände wie beheizte Klosettbecken und Sitzbecken herzustellen.
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Zur Zeit ist die Hauptstromquelle für die Mehrheit der elektrischen Heizsysteme das industrielle Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 50/60 Hertz mit einer Nennbetriebsspannung im Bereich von 110 - 420 Volt, und für autonome Einrichtungen mit lokalem elektrischen System (Flugzeuge, Schiffe, andere Fahrzeuge) ist die Energiequelle für die elektrische Heizung das Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 400 - 1000 Hz mit einer Nennbetriebsspannung von Hunderten von Volt. Der Kontakt des Benutzers mit stromführenden Teilen von Heizsystemen, die von solchen Energiequellen gespeist werden, birgt die Gefahr eines Stromschlags.
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Aus dem Stand der Technik wissen wir, wie man den Benutzer vor Stromschlägen in elektrischen Geräten, einschließlich elektrischer Heizsysteme, schützen kann.
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In GOST R IEC 335-1-94 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke“ als Mittel zum Schutz gegen Stromschlag ist die Verwendung der Basisisolierung, der doppelten oder verstärkten Isolierung stromführender Teile, die Einrichtung einer Erdungskontur, d.h. einer Umgebung stromführender Geräteketten mit dem stromführenden geerdeten Schirm, der den direkten Kontakt des Benutzers mit stromführenden Teilen verhindert, vorgesehen.
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Nach dem angegebenen GOST gilt ein Stromkreis mit einer Betriebsspannung von weniger als 42,4 Volt, die nach internationalen Normen als „Schutzkleinspannung“ definiert ist, als sicher.
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Ein universelles und zuverlässiges Mittel zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit, unabhängig von den Maßnahmen zur Isolierung stromführender Teile mit Hilfe elektrischer Isoliermaterialien und -strukturen, ist die Einführung einer speziellen Vorrichtung in elektrische Heizsysteme - ein Funktionselement, das den Wert der Betriebsspannung von Heizelementen auf ein sicheres Niveau, wie 12, 24, 36 oder 42,4 Volt, senkt und, was am wichtigsten ist, die galvanische Trennung von Stromkreisen des industriellen Versorgungsnetzes oder von lokalen Stromversorgungsnetzen und Wärmeentwicklungselementen gewährleistet.
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Dieses Funktionselement, das eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag ist, ist ein Sicherheitstrenntransformator, der die Stromspannung der Lastkreise auf eine Schutzkleinspannung reduziert und außerdem eine galvanische Trennung zwischen dem Versorgungskreis und den Lastkreisen gewährleistet. In der Fachliteratur wird der „Sicherheitstrenntransformator“ oft auch als „Sicherheitszwischenübertrager“ oder „Sicherheitsabspanntransformator“ bezeichnet.
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In GOST R IEC 335-1-94 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke“ wird ein solcher Transformator als „Sicherheitstrenntransformator“ definiert, d.h. ein Transformator, dessen Eingangswicklung von der Ausgangswicklung durch eine Isolierung elektrisch getrennt ist, die mindestens einer doppelten oder verstärkten Isolierung entspricht, und der dazu bestimmt ist, das Gerät oder seine Schaltkreise mit einer Schutzkleinspannung zu versorgen.
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Aus dem Stand der Technik ist ein System der elektrischen Raumbeheizung bekannt, und zwar für den Einsatz in der Fußbodenheizung mit einer Versorgungsspannung von 220 Volt AC, Frequenz von 50-60 Hz, in dem als wärmeerzeugendes Heizelement Infrarotfilm Heat Plus mit der Dicke von 0,5 mm von der südkoreanischen Firma Seggi Century Co.Ltd. verwendet wird, die acht auf eine stromführende Karbonbasis (neunte Schicht) aufgetragene Schichten enthält, von denen vier eine verstärkte Doppelisolierung der stromführenden Teile sind, die das wichtigste und einzige Mittel zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit des Heizsystems ist (siehe Informationen im Internet unter www.ec21.com).
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Das System der elektrischen Raumbeheizung, das einen elektrischen Deckenfolienelektroheizer mit einem Widerstands-Wärmeentwicklungselement enthält, ist aus dem Stand der Technik bekannt (Erfindungspatent der
Russischen Föderation Nr. 2389161 , Prioritätszeitpunkt 03.10.2008, veröffentlicht am 10.05.2010, Patentinhaber OOO Fabrik „Rationelle Heizsysteme“). In dem als Mittel zum Sicherheitsschutz die Elektroisolierfolien der vergrößerten Dicke verwendet werden, die zusätzlich den Elektroheizer vor dem Durchschlag des elektrischen Stroms bei der Überlastung des Netzes und vor den mechanischen Beschädigungen des Widerstands-Strahlungselementes schützen. Das angegebene System wird über das Wechselstromnetz mit einem Wert von 220 V Betriebsspannung betrieben.
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Der Nachteil des gegebenen Systems der Raumbeheizung ist, dass die Vergrößerung der Dicke der Elektroisolationsschichten den thermischen Wirkungsgrad des Beheizungssystems insgesamt negativ beeinflusst, durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Elektroisolationsmaterialien, die den Wärmeübergang von dem von ihnen geschützten Widerstandsbauteil auf die Oberfläche des Wärmeentwicklungselementes stört, was zur Vergrößerung der Kosten der Elektroenergie für die Beheizung führt.
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Das aus dem Stand der Technik bekannte System der elektrischen Heizung, das als Widerstands- Wärmeentwicklungselement die Folien „HeatLife 220/M2“ mit Erdung, hergestellt von der koreanischen Firma „Ondolia Co., Ltd“, verwendet. Der mehrschichtige Aufbau der Erdungsfolie ist auf der Internetseite http://www.heatlife.ru/product-details/hl-220-m2/ angegeben, deren Konstruktion in Südkorea zusammen mit dem Korean Institute of „Industrial Technologies“ patentiert ist, Erfindungsanmeldung Nr.
KR20100087907 , veröffentlicht am 06.08.2010.
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Die oben genannte Heizfolie mit Erdung 220/M2 wird für die vollständige Einzelbeheizung von Räumen, einschließlich Nassräumen (Duschen, Schwimmbäder, Bäder), verwendet. Als zusätzliches Mittel zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit des Heizsystems werden zusätzliche stromführende Erdungsschichten verwendet, die sich an der Ober- und Unterseite der Isolierschichten des Widerstands-Heizelements befinden.
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Eine zusätzliche stromführende Erdungsschicht sammelt statische Elektrizität und Stromlecks von der Oberfläche der Folie, und eine separate Kupferschiene sammelt diese, um sie auf den Erdungskreislauf zu entladen.
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Aus dem Stand der Technik ist das System der elektrischen Beheizung von Räumen oder Passagierräumen von Fahrzeugen nach dem Gebrauchsmusterpatent der Russischen Föderation Nr. 7729, Prioritätszeitpunkt 20.11.1997, veröffentlicht am 16.09.1998, bekannt, das die Fußbodenheizungsvorrichtung enthält, die in Form einer stromführenden Platte aus Papier auf der Basis von diskreter Kohlefaser hergestellt ist, die beidseitig mit Polyamid-Glasfaser ausgekleidet ist, die auf ein wärmeisolierendes Material gelegt ist, auf das die Schicht des Fußbodenbelags (Kachel, Laminat) aufgebracht ist.
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Das oben genannte Heizsystem wird direkt oder über einen sicheren Trenntransformator an das Wechselstromversorgungsnetz mit 220V Spannung mit einer Frequenz von 50-60Hz angeschlossen.
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In diesem Gebrauchsmuster werden zwei Mittel zum Sicherheitsschutz in Form einer verstärkten Elektroisolierung der stromführenden Ketten verwendet, und es ist auch die Möglichkeit des Anschlusses des Widerstands-Heizelements an das elektrische Netz durch einen Sicherheitstrenntransformator vorgesehen, der mit der Frequenz des Versorgungsnetzes arbeitet und die Senkung der Versorgungsspannung auf die Schutzkleinspannung gewährleistet.
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Der Nachteil dieses elektrischen Heizsystems ist das akustische Geräusch des Sicherheitstrenntransformators im Betrieb.
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Aus dem Stand der Technik ist das System der elektrischen Raumbeheizung mit einer Schutzkleinspannung von nicht mehr als 30 V bekannt, das für den Prototyp ausgewählt wurde, die internationale Anmeldung der Erfindung RST/
KR 2003/002750 , Prioritätszeitpunkr 16.12.2002, das internationale Anmeldedatum 16.12.2003, das internationale Veröffentlichungsdatum
WO 2004/056155 vom 01.07.2004.
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Dieses Heizsystem wird aus dem industriellen Wechselstromnetz mit der Spannung 110V/220V und der Frequenz 50-60Hz versorgt, die elektrische Sicherheit des Systems wird durch die Verwendung eines Sicherheitstrenntransformators, der die Versorgungsspannung auf ein sicheres Niveau reduziert, sowie durch die galvanische Trennung des Stromkreises des Versorgungsnetzes und des Widerstands-Wärmeentwicklungselementes gewährleistet.
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In diesem System arbeitet der Sicherheitstrenntransformator mit der Netzfrequenz, d.h. 50-60 Hz - dieser Transformator ist niederfrequent.
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Die Verwendung eines Niederfrequenztransformators, der mit einer industriellen Netzfrequenz von 50/60 Hertz arbeitet, als Mittel zum elektrischen Sicherheitsschutz des elektrischen Heizsystems hat jedoch Nachteile, die die Zunahme der Verwendung von energieeffizienten Heizsystemen mit Widerstandsheizelementen, insbesondere der zweidimensionalen Folien, vor allem für Anwendungen im Wohnbereich bremsen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt (GOST 12.2.024-87 das System der Arbeitssicherheitsstandards (SASS). Geräusch. Leistungsöltransformatoren. Kontrollnormen und -verfahren), dass Niederfrequenztransformatoren während des Betriebs Vibrationen erzeugen und akustische Geräusche bei Frequenzen aussenden, die ein Vielfaches von 50/60 Hertz betragen.
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Im Muster sind die akustischen Schwingungen, die von einem niederfrequenten Sicherheitstrenntransformator mit einer Frequenz von 50-60 Hz erzeugt werden, das Ergebnis mechanischer Schwingungen der Wicklungen und der Magnetostriktion des Kerns unter der Einwirkung eines alternierender Magnetfeldes, das von den Transformatorwicklungen erzeugt wird, wenn der alternierender Strom dadurch fließt.
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Wenn alle anderen Bedingungen gleich sind (Frequenz, Spannung, Temperatur), ist die Leistung der akustischen Strahlung (Geräusch), die vom Transformator während des Betriebs erzeugt wird, proportional zur Leistung des Transformators. Je größer die Leistung eines Transformators, desto größer sind sein Gewicht und seine Abmessungen und desto mehr akustische Strahlung (Geräusch) erzeugt er.
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Da sich Heizsysteme durch eine ausreichend hohe Leistungsaufnahme auszeichnen, verwenden diese Niederfrequenztransformatoren von beträchtlichen Abmessungen und Gewicht, die im Betrieb ein konstantes akustisches Geräusch erzeugen.
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Zusätzliche Maßnahmen zur Geräusch- und Schwingungsisolierung von Niederfrequenztransformatoren, die in zu beheizenden Räumen installiert sind, erhöhen die Kosten für die Installation und den Betrieb des Heizsystems. Es gibt auch ein ähnliches Problem der Innenausstattung der Räume, das durch die großen Abmessungen und die Masse der niederfrequenten Sicherheitstrenntransformatoren verursacht wird, da das Volumen des zu beheizenden Raumes erhebliche zusätzliche Volumina umfassen muss, entweder strukturelle Elemente oder einzelne Möbelelemente, um den großformatigen Niederfrequenz-Sicherheitstrenntransformator unterzubringen (siehe Video „Carbontec-Fußbodenheizungssystem“ auf http://carbontecrus.ru/).
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Die akustische Strahlungsfrequenz von Transformatoren, die bei 50/60 Hertz arbeiten, liegt im für Menschen oder Tiere gut hörbaren Frequenzbereich. Die ständige Anwesenheit einer Person oder eines Tieres in einem zu beheizenden Raum, in dem das monotone Geräusch eines summenden Transformators ständig zu hören ist, stört den akustischen Komfort solcher Räume.
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Wenn ein niederfrequenter Sicherheitstrenntransformator außerhalb eines zu beheizenden Raumes installiert wird, um die Hörbarkeit seiner akustischen Geräusche zu reduzieren, löst dies das Geräuschproblem nicht vollständig, da eine Übertragung von Schwingungen (Geräusch) durch die Elemente von Baukonstruktionen erfolgt. Gleichzeitig stellt sich ein weiteres Problem, nämlich das Problem der Energieeffizienzverminderung im Heizsystem, das aus folgenden Gründen auftritt.
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Erstens beträgt der Wert des Wirkungsgrades von Niederfrequenz-Sicherheitstrenntransformatoren, die als Vorrichtung zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit von Heizungssystemen verwendet werden, nicht mehr als 94% - 96%.
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Die Entfernung des Transformators außerhalb des zu beheizenden Raumes bedeutet, dass die Wärmeverluste des Transformators außerhalb des zu beheizenden Raumes abgeführt werden, bzw. die Energieeffizienz des Heizsystems um mindestens 4% ... 6% niedriger ist als bei der Installation eines Sicherheits-Trenntransformators direkt im zu beheizenden Raum.
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Zweitens erfordert die Verwendung von Schutzkleinspannungen zur Versorgung von Widerstands-Wärmeentwicklungselementen eine proportionale Erhöhung des im Heizelementleistungskreis fließenden Stroms, um die Heizleistung des Heizsystems aufrechtzuerhalten. Die Erhöhung des Stromwertes, der in einem Stromkreis von Widerstands-Wärmeentwicklungselementen fließt, erfordert eine Vergrößerung des Querschnitts der Versorgungsleitungen.
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Darüber hinaus wird durch die Erhöhung der Länge der Versorgungsleitungen aufgrund der Ferninstallation des Transformators die Energieeffizienz des Heizsystems aufgrund zusätzlicher unproduktiver ohmscher Verluste in den Leitungen weiter verringert und die Arbeits- und Materialintensität der Installation des Heizsystems erhöht und damit die Kosten des Heizsystems und seines Betriebs erhöht.
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Das Ziel der beantragten Erfindung ist die Schaffung eines geräuscharmen, elektrisch sicheren und energieeffizienten elektrischen Heizsystems.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der ersten Variante des aus dem Wechselstromnetz mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeisten elektrischen Heizsystems, das mindestens ein Widerstandsheizelement und die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag enthält, zwischen dem Wechselstromnetzstromkreis und dem Widerstandsheizelement nacheinander eingeschaltet wird und auf der Basis von mindestens einem Sicherheitstrenntransformator ausgeführt ist, die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag zusätzlich mit einem Generator ausgestattet ist, der zwischen den Wechselstromversorgungskreis und den Sicherheitstrenntransformator nacheinander geschaltet ist, wobei der Eingang des Generators mit dem Wechselstromversorgungskreis verbunden ist, der Ausgang des Generators mit der Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators verbunden ist und die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators mit einem Widerstandsheizelement verbunden ist, wobei die Betriebsfrequenz des Generators so gewählt wird, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator erzeugten akustischen Strahlungssignals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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In der zweiten Ausführungsform des elektrischen Heizsystems, das aus dem Wechselstromnetz mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeist wird und mindestens ein Widerstandsheizelement und eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag enthält, die zwischen dem Netzstromkreis und dem Widerstandsheizelement nacheinander geschaltet ist und auf der Basis mindestens eines Sicherheitstrenntransformators hergestellt wird, ist die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag zusätzlich mit zwischen dem Netzversorgungskreis und dem Sicherheitstrenntransformator nacheinander geschalteten Generator und mindestens einem zwischen dem Sicherheitstrenntransformator und dem Widerstandsheizelement nacheinander geschalteten Ausgangsgleichrichter ausgestattet, wobei der Generatoreingang mit dem Wechselstromnetz verbunden ist, der Generatorausgang mit der Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators, die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators mit dem Ausgangsgleichrichtereingang und der Ausgangsgleichrichterausgang mit einem Widerstandsheizelement verbunden ist, wobei die Betriebsfrequenz des Generators so gewählt wird, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator erzeugten akustischen Strahlungssignals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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In der dritten Ausführungsform des elektrischen Heizsystems, das aus dem Wechselstromnetz mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeist wird und mindestens ein Widerstandsheizelement und eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag enthält, die zwischen dem Netzstromkreis und dem Widerstandsheizelement nacheinander geschaltet ist und auf der Basis von mindestens einem Sicherheitstrenntransformator hergestellt ist, die Schutzeinrichtung gegen Stromschlag ist zusätzlich mit einem Generator nacheinander zwischen dem Netzstromkreis und dem Sicherheitstrenntransformator und einem Generator nacheinander zwischen dem Sicherheitstrenntransformator und dem Widerstandsheizelement, mit mindestens einem Ausgangsgleichrichter und mindestens einer Ausgangsgleichrichter-Umpolarisierungseinheit ausgestattet, wobei der Generatoreingang an das Wechselstromversorgungsnetz angeschlossen ist, der Generatorausgang an die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators, die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators an den Eingang des Ausgangsgleichrichters, dessen Ausgang an den Eingang der Ausgangsgleichrichter-Umpolarisierungseinheit angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Widerstandsheizelement verbunden ist, wobei die Betriebsfrequenz des Generators so gewählt wird, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator erzeugten akustischen Strahlungssignals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag in allen Ausgestaltungen kann konstruktiv ganz oder teilweise als Gegenstand der Innenausstattung eines Raumes, z.B. als Bild, hergestellt werden.
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Es ist offenkundig, dass das wärmeeffizienteste und wirtschaftlichste System unter dem Aspekt der Minimierung der Kosten für die Raumbeheizung das elektrische Heizsystem ist, in dem als Widerstands-Wärmeentwicklungselement das zweidimensionale Folien-Heizelement mit der minimalen Anzahl und Dicke der Schutzschichten verwendet wird, die die elektrische Sicherheit und den mechanischen Schutz der stromführenden Teile der Heizelemente gewährleisten.
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Durch die Reduzierung der Anzahl und Dicke der Schutzschichten des Wärmeentwicklungselements im Kampf um die Wärmeeffizienz und Wirtschaftlichkeit des Heizsystems besteht jedoch das Problem, die elektrische Sicherheit des Heizsystems zu gewährleisten, das aus den gefährlichen industriellen und kommerziellen elektrischen Wechselstromnetzen mit einer Frequenz von 50-1000 Hz gespeist wird.
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Eines der Verfahren, die Wärmeeffizienz, die Wirtschaftlichkeit des elektrischen Heizsystems zu erhalten und gleichzeitig die erforderlichen elektrischen Sicherheitsstandards zu gewährleisten, ist die Verwendung eines Sicherheitstrenntransformators. Die Installation eines Sicherheitstrenntransformators in einem zu beheizenden Raum ist am rationellsten unter dem Aspekt der Erhöhung der Wärmeeffizienz durch die Nutzung der vom Transformator während seines Betriebs erzeugten Wärme.
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Als Mittel zum Sicherheitsschutz des Heizsystems sind Niederfrequenztransformatoren, die aus einem kommerziellen, industriellen Wechselstromversorgungsnetz mit einer Frequenz von 50-1000 Hz gespeist werden, heute weit verbreitet.
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Die Niederfrequenztransformatoren verbinden auf organische Weise die Einfachheit des Aufbaus mit den Funktionen der Reduzierung der Betriebsspannung auf ein sicheres Niveau und der galvanischen Trennung von Versorgungsnetz und Wärmeentwicklungselementschaltungen. Zu den Vorteilen von Niederfrequenztransformatoren gehört die Tatsache, dass der Transformatorausgang Wechselstrom enthält, der direkt an die Wärmeentwicklungselemente geliefert werden kann. Der Betrieb der elektrischen Kreise von Heizelementen auf dem Wechselstrom, im Unterschied zu ihrem Betrieb auf dem Gleichstrom, verringert wesentlich die Geschwindigkeit der elektrochemischen Korrosion der stromführenden Komponenten der Kette aus Wärmeentwicklungselementen und trägt zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Heizsystems, besonders bei der Arbeit unter den Bedingungen der erhöhten Feuchtigkeit bei.
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Die Niederfrequenztransformatoren, die in einem zu beheizenden Raum installiert sind, um die elektrische Sicherheit des Heizsystems zu gewährleisten, und die mit einer industriellen Netzfrequenz von 50-1000 Hz arbeiten, sind jedoch Quellen beständiger, monotoner (mit harmonischen Wellen, die ein Vielfaches der Netzfrequenz betragen) akustischer Strahlung (Geräusch), die die Bedingungen für einen komfortablen Aufenthalt von Mensch und/oder Tier in einem zu beheizenden Raum stören.
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Die Amplitude (Lautstärke) der vom Transformator abgegebenen akustischen Strahlung ist proportional zu seinem Gewicht und seinen Abmessungen, d.h. je größer die zur Beheizung eines Raumes erforderliche Leistung, je größer das Gewicht und die Abmessungen des zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit eingesetzten Transformators sind, desto höher ist die Intensität der von ihm erzeugten akustischen Strahlung (Geräusch).
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Eine wirksame Lösung des Problems der Erhaltung des akustischen Komforts in dem zu beheizenden Raum, in dem sich der Transformator befindet, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen elektrischen Sicherheit des Heizsystems und seiner Wärmeeffizienz und damit seiner Wirtschaftichkeit, ist die zusätzliche Versorgung der elektrischen Sicherheitseinrichtung mit einem Generator, der zwischen dem Stromversorgungskreis und dem Sicherheitstrenntransformator nacheinander geschaltet ist, dessen Betriebsfrequenz so gewählt wird, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator erzeugten akustischen Signals ausserhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Der Generator liefert die umgewandelten Stromfrequenzen des kommerziellen, industriellen Stromversorgungsnetzes 50-1000 Hz in Wechselstrom, dessen Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt, zum Beispiel eine Frequenz über 20.000 Hz.
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Ein solches elektrisches Frequenzsignal wird dem Eingang des Sicherheitstrenntransformators zugeführt, der ein akustisches Signal gleicher oder mehrerer Frequenzen auszustrahlen beginnt, das auch außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt, wodurch der akustische Komfort ihres Aufenthalts in einem zu beheizenden Raum gewährleistet wird, d.h. der Sicherheitstrenntransformator erzeugt während seines Betriebs kein monotones, reizendes Brummen.
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Die erste Ausgestaltung ist effizient und zweckmäßig zur Verwendung in Fällen, in denen eine elektrische Sicherheitseinrichtung, die einen Sicherheitstrenntransformator enthält, in unmittelbarer Nähe zu einem Widerstandsheizelement angeordnet ist, d.h. sie hat kurze Anschlußleitungen mit einem Widerstandselement, die einen niedrigen Wert ihrer eigenen parasitären Induktivität haben, und das Widerstandsheizelement selbst ist ein zweidimensionales Folienheizelement, das ebenfalls einen niedrigen Wert seiner eigenen parasitären Induktivität hat. Der niedrige Wert der intrinsischen parasitären Induktivität der Anschlussleitungen und des Widerstandsheizelements ermöglicht einen freien Fluss von hochfrequenten Strömen über 1000 Hz, z.B. 20000 Hz im Lastkreis.
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Die zweite Ausgestaltung ist für Fälle vorgesehen, in denen sich der Sicherheitstrenntransformator in einem beträchtlichen Abstand vom Widerstandsheizelement befindet und die Anschlussleitungen zwischen dem Ausgang des Sicherheitstrenntransformators eine große Länge haben, kraft dessen diese einen erhöhten Wert der intrinsischen parasitären Induktivität aufweisen, wobei in diesem Fall das Widerstandsheizelement durch ein zweidimensionales Folienheizelement mit geringer intrinsischen parasitärer Induktivität hergestellt werden kann, oder im zweiten Fall, wenn die Anschlussleitungen zwischen dem Ausgang des Sicherheitstrenntransformators lang sind und daher einen hohen Wert der parasitären Induktivität aufweisen und das Widerstandsheizelement Kabel-, Band oder Spulentyp hat, die ebenfalls einen hohen Wert ihrer intrinsischen parasitären Induktivität aufweisen.
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Der hohe induktive Anteil des Lastkreises des elektrischen Heizsystems verhindert, dass der Strom durch das Heizelement fließt. Gleichzeitig sinkt durch eine Verringerung des Wertes des durch das Heizelement fließenden Stroms die Heizleistung, während die Wärmeeffizienz des Heizsystems reduziert wird. Um die unzureichende Erwärmung des Widerstandsheizelements in Heiz systemen mit hoher parasitärer Induktivität und hoher Wechselstromfrequenz auszugleichen, ist es notwendig, entweder die Spannung im Lastkreis zu erhöhen, was den elektrischen Sicherheitsanforderungen des Systems widerspricht, oder auf die Versorgung des Heizelements mit gleichgerichtetem (Gleich-)Strom umzuschalten.
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Um dieses Problem zu lösen, muss mindestens ein Gleichrichter zwischen dem Ausgang des Sicherheitstrenntransformators und dem Stromkreis des Widerstandsheizelements nacheinander geschaltet werden, der den Wechselstrom vom Ausgang des Sicherheitstrenntransformators in einen gleichgerichteten (Gleich-)Strom umwandelt, der in den Lastkreis eingespeist wird.
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Gleichzeitig spielt der Wert des induktiven Anteils der Anschlussleitungen und des Widerstandsheizelements keine Rolle mehr, da bekannt ist, dass das Vorhandensein eines induktiven Anteils im stromführenen Kreis kein Hindernis für den Fluss des gleichgerichteten (Gleich-)Stroms darstellt.
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So erlaubt der Aufbau der zweiten Ausführungsform des elektrischen Heizsystems, Einschränkungen bei der räumlichen Anordnung der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag, die bei hohen Frequenzen (über 1000 Hz) arbeitet, und bei dem Aufbau von Widerstandsheizelementen auszuschließen. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz des Heizsystems durch die Möglichkeit der Platzierung der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag auf der Basis des Sicherheitstrenntransformators sowie der stromführenden Kreise innerhalb des zu beheizenden Raumes und der akustische Komfort des Heizsystems durch den geräuscharmen Betrieb des Sicherheitstrenntransformators bewahrt.
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Die dritte Ausgestaltung ist für Fälle vorgesehen, in denen ein elektrisches Heizsystem in Nassräumen installiert ist. Bei der Platzierung von Widerstandsheizelementen und anderen stromführenden Kreisen des Heizsystems unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit, z.B. in Badezimmern, Balkonen, Schwimmbädern, Gartenwegen, Gewächshäusern, Viehhöfen, Bauernhöfen, besteht bei der Verwendung von gleichgerichtetem (Gleich-)Strom im Lastkreis die Gefahr einer beschleunigten Korrosion der elektrochemischen Zerstörung der leitenden Kreise und Elemente des elektrischen Heizsystems, was zur Zerstörung der elektrischen Isolierung der stromführenden Kreise an den Stellen der Korrosion führt, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Heizsystems führt.
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Eine wirksame Methode zur Bekämpfung des Phänomens der elektrochemischen Korrosion der elektrischen Schaltungselemente im Heizsystem besteht darin, eine Umpolarisierungseinheit der Ausgangsspannung des Ausgangsgleichrichters in das Heizsystem einzubeziehen, dessen Eingang mit dem Ausgangsgleichrichter nacheinander und dessen Ausgang mit einem Widerstandsheizelement nacheinander geschaltet ist.
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Die Umpolarisierungseinheit ermöglicht eine periodische Umpolarisierung des im Lastkreis fließenden Stroms, d.h. sie sorgt für den Betrieb der Lastkreise bei Wechselstrom. Der periodische Stromumpolarisierung mit der Frequenz von einigen zehn oder hundert Hertz reduziert die Geschwindigkeit des Verlaufs der elektrochemischen Prozesse in den stromführenden Kreisen und Elementen des Heizsystems stark, was die elektrische Sicherheit des Heizsystems durch die Verlangsamung der Korrosionsprozesse der stromführenden Kreise und der Verlangsamung der Zerstörung der elektrischen Isolierschichten der stromführenden Kreise erhöht und den vorzeitigen Ausfall des Heizsystems verhindert und seine Betriebsdauer verlängert.
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Die beanspruchte Erfindung wird in den Zeichnungen erläutert:
- - Strukturschaltplan der ersten Ausführungsform des beanspruchten elektrischen Heizsystems;
- - Strukturschaltplan der zweiten Ausführungsform des beanspruchten elektrischen Heizsystems;
- - Strukturschaltplan der dritten Ausführungsform des beanspruchten elektrischen Heizsystems;
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Das für die erste Ausführungsform beanspruchte elektrische Heizsystem, das aus dem Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeist wird, enthält mindestens ein Widerstandsheizelement 2 und eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3, die zwischen dem Wechselstromnetzkreis 1 und dem Widerstandsheizelement 2 nacheinander geschaltet sind. Das beanspruchte elektrische Heizsystem der ersten Ausführungsform kann aus einem industriellen Handelsnetz mit einem Wechselstrom von 50-60 Hz und auch aus lokalen unabhängigen Stromnetzen mit einer Wechselstromfrequenz von 400-1000 Hz von festen und beweglichen Gegenständen zu Lande, zu Wasser, unter Wasser, in der Luft und im Weltraum gespeist werden.
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Als Widerstandsheizelement 2 in dem beanspruchten Heizsystem können zweidimensionale Heizelemente auf der Basis von Kohlefaser, stromführendem Film, Heizkabeln, Heizgitter und -gewebe, Band-, Stab- oder Drahtheizungen, Heizelemente auf der Basis von stromführenden Flüssigkeiten, Heizelemente, die speziell für die Beheizung von transparenten oder reflektierenden Oberflächen wie Fenstern, Windschutzscheiben, Spiegeln ausgelegt sind, sowie alle anderen Heizelemente, deren Funktionsprinzip auf der Abgabe von Wärme beruht, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter mit elektrischem Widerstand fließt, verwendet werden.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 basiert auf mindestens einem Sicherheitstrenntransformator 4, der zwei Hauptfunktionen hat: die Absenkung der Versorgungsspannung auf eine Schutzkleinspannung, z.B. nach den europäischen Normen nicht mehr als 42,4 V (GOST IEC 60335-1-2008) und nicht mehr als 30 V nach den Normen der USA, Kanadas, Japans, und die galvanische Trennung von Stromkreisen des industriellen gewerblichen Wechselstromspeisenetz oder der lokalen Stromversorgungsnetze und des Lastkreises (Widerstands-Wärmeentwicklungselemente).
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Um sicherzustellen, dass während des Betriebs des Schlüsselelements der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3, nämlich des Sicherheitstrenntransformators 4, keine akustischen Geräusche auftreten, ist es notwendig, das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator 4 abgestrahlten akustischen Strahlungssignals aus dem Hörbereich der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane zu bringen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt (GOST 12.2.024-87 das System der Arbeitssicherheitsstandards (SASS). Geräusch. Leistungsöltransformatoren. Kontrollnormen und -verfahren), dass Transformatoren während des Betriebs Vibrationen erzeugen und akustische Geräusche bei Frequenzen ausstrahlen, die dem an den Transformatoreingang zugeführten Wechselstrom vielfach sind. Dabei entspricht die größte Amplitude des akustischen Signals, das der Transformator während seines Betriebs abgibt, in der Regel dem Wert der Frequenz der zweiten harmonischen Welle (doppelter Wert) der Frequenz des dem Transformatoreingang zugeführten Wechselstroms. Wenn der Wechselstromfrequenzwert des Transformatoreingangs ein akustisches Signal im Transformator anregt, dessen Frequenzspektrum außerhalb des Frequenzbereichs der Hörorgane liegt, dann werden ein solcher Transformator und darauf basierende Geräte von Menschen und/oder Tieren als geräuscharm, d.h. akustisch angenehm empfunden.
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Um sicherzustellen, dass das beanspruchte elektrische Heizsystem in der auf dem Sicherheitstrenntransformator 4 basierenden Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 geräuscharm arbeitet, ist es notwendig, die Betriebsfrequenz des Sicherheitstrenntransformators 4 so zu wählen, dass das Frequenzspektrum des von ihm abgegebenen akustischen Signals über oder unter dem Frequenzbereich seiner Hörbarkeit durch die menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Wenn die Merkmale der Ausführungsform des Sicherheitstrenntransformators 4 und die Besonderheiten seiner elektrischen Betriebsarten es erlauben, ein akustisches Signal mit einer Frequenz abzugeben, die ungeraden Werten, beginnend mit dem ersten, den harmonischen Frequenzen des ihn speisenden Wechselstroms, entspricht, dann ist es für den akustischen Komfort der menschlichen Hörorgane notwendig, den Frequenzwert des Sicherheitstrenntransformators 4 unter 20 Hz oder über 20.000 Hz zu wählen.
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Die Pegel der Amplituden-Frequenz-Charakteristik, die von den menschlichen Hörorganen wahrgenommen werden, sowie die zulässigen Normen für die Lärmbelastung in Wohn- und Nichtwohngebäuden sind in GOST 23337-2014 „Internationale Norm“ definiert. Geräusch. Lärmmessverfahren für Gebäudegebiete und Räumlichkeiten von Wohn- und öffentlichen Gebäuden“, sowie in GOST R ISO 8253-1-2012 „Akustik. Audiometrische Prüfverfahren. Teil 1. Die Tonschwellenaudiometrie für Luft- und Knochenleitung“ und im Internet unter http://www.ksp-msk.ru/page_919.html.
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Wenn die Merkmale der Ausführungsform des Sicherheitstrenntransformators 4 und die Merkmale seiner elektrischen Betriebsarten es erlauben, ein akustisches Signal mit einer Frequenz abzugeben, die den geraden Werten der harmonischen Welle der Frequenz des ihn speisenden Wechselstroms (beginnend mit der zweiten harmonischen Welle) entspricht, dann ist es unter Berücksichtigung des Wertes des Amplitudenmaximums der zweiten harmonischen Welle (d.h. doppelte Multiplizität der Frequenz des akustischen Signals des Transformators, das während seines Betriebs abgegeben wird, der Frequenz des ihn speisenden Wechselstroms) notwendig, die Betriebsfrequenz zu wählen.
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Aus praktischer Sicht ist es für die Realisierung des beanspruchten elektrischen Heizsystems für das oben angeführte Ausführungsbeispiel am zweckmäßigsten, die Arbeitsfrequenz des Sicherheitstrenntransformators 4 im oberen Teil des Frequenzbereichs zu wählen, der seinen geräuscharmen Betrieb in der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 ab 10 000 Hz und darüber gewährleistet.
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Der Aufbau des Sicherheitstrenntransformators 4 kann wie im Patent der Russischen Föderation für die Erfindung Nr. 2074432 „Matrixtrafo“ oder im Patent der Russischen Föderation für die Erfindung Nr. 2065631 „Transformator und Verfahren zu seiner Herstellung“, Rechtsinhaber Wasilij Arsenjewitsch Chabusow, Wladimir Fjodorowitsch Chudjakow, beschrieben umgesetzt werden.
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Der Ausgangskreis des Sicherheitstrenntransformators 4, der mit Frequenzen arbeitet, die den Benutzern im zu beheizenden Raum akustischen Komfort bieten, ist direkt mit der Last verbunden, nämlich mit einem Widerstandsheizelement 2.
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Die Wahl der hohen Betriebsfrequenz des Sicherheitstrenntransformators 4 ist vorzuziehen, weil sie auch einen zusätzlichen positiven Effekt in Form einer erheblichen Reduzierung des Gewichts, der Abmessungen und der Arbeitsintensität seiner Herstellung und dementsprechend einer erheblichen Reduzierung des Gewichts und der Abmessungen des auf seiner Basis gebauten Geräts zum Schutz gegen elektrischen Schlag 3 hat.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 ist zusätzlich mit einem Generator 5 ausgestattet, der zwischen dem Wechselstrom-Versorgungskreis 1 und dem Sicherheitstrenntransformator 4 nacheinander geschaltet ist.
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Dabei ist der Eingang des Generators 5 an die Wechselstromversorgung 1 und der Ausgang des Generators 5 an die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4 angeschlossen, die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators 4 ist an ein Widerstandsheizelement 2 angeschlossen. Der Generator 5 erzeugt Wechselstrom, dessen Amplitude, Form und Frequenz notwendig ist, um den geräuscharmen Betrieb des Sicherheitstrenntransformators 4 zu gewährleisten.
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Der Generator 5 kann nach jedem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltplan gestaltet werden, z.B. wie in Buch von A A. Bas, W.P. Milowsorow, A.K. Musolin „Sekundäre Stromversorgungsquellen mit transformatorlosem Eingang“, Hrsg. „Radio und Kommunikation“, 1987, S. 27, .4 oder S. 57 .28 beschrieben.
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Die Betriebsfrequenz des Generators 5 ist so gewählt, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstransformator 4 abgegebenen akustischen Signals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 des beanspruchten Aufbaus in der ersten Ausführungsform kann strukturell ganz oder teilweise als Gegenstand der Innenausstattung eines Raumes, z.B. als Bild, ausgeführt werden.
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Die Verwendung des Sicherheitstrenntransformators 4 im beanspruchten Heizsystem, das mit hoher Frequenz arbeitet, insbesondere des Sicherheitstrenntransformators 4 mit dem Matrixaufbau, erlaubt es, ihn mit geringen Abmessungen und Gewicht und in verschiedenen geometrischen Formen herzustellen, was es ermöglicht, ihn leicht in das Innere des zu beheizenden Raumes einzupassen und ihn leicht in die Gegenstände der Technik und Innenausstattung des zu beheizenden Raumes zu integrieren, wie z.B. Regale, Platten, Lampen, Wandleuchten, Bodenständer, Nachttische, Vasen, Skulpturen, Fußleisten usw.
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Das beanspruchte Heizsystem für die in der gezeigte erste Ausführungsform funktioniert wie folgt: der Eingang von Generator 5 wird vom industriellen kommerziellen Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz von 50-60 Hz gespeist. Der Generator 5 erzeugt an seinem Ausgang Wechselstrom mit einer Frequenz, die die Abwesenheit von akustischen Geräuschen während des Betriebs des Sicherheitstrenntransformators 4 gewährleistet, der mit dem Generator 5 in die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 eintritt. Der elektrische Wechselstrom vom Ausgang des Generators 5 wird in den Eingang, nämlich die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4, eingespeist. Der Sicherheitstrenntransformator 4 wandelt diese Spannungen in eine Schutkleinspannung um, z.B. 3, 6, 12, 24, 30, 36, 42,4 V, die in den Lastkreis eines Widerstandsheizelements 2 eingespeist wird. Wenn der Strom durch das Widerstandsheizelement 2 fließt, wird Wärme erzeugt, und die freigesetzte Wärme wird zur Beheizung des Raums verwendet.
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So wurde auf der Basis der beantragten Erfindung ein energieeffizientes, elektrisch sicheres System der elektrischen Heizung mit einer geräuscharmen, kompakten Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 geschaffen, die es erlaubt, sie direkt in den zu beheizenden Räumen zu platzieren.
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Das für die zweite Ausführungsform beanspruchte elektrische Heizsystem, das aus dem Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeist wird, ist in gegeben und enthält mindestens ein Widerstandsheizelement 2 und eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3, die zwischen dem Wechselstromnetzkreis 1 und dem Widerstandsheizelement 2 nacheinander geschaltet sind. Das beanspruchte elektrische Heizsystem der zweiten Ausführungsform kann aus einem industriellen Handelsnetz mit einem Wechselstrom von 50-60 Hz und auch aus lokalen unabhängigen Stromnetzen mit einer Wechselstromfrequenz von 400-1000 Hz von festen und beweglichen Gegenständen zu Lande, zu Wasser, unter Wasser, in der Luft und im Weltraum gespeist werden.
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Als Widerstandsheizelement 2 in dem beanspruchten Heizsystem nach der zweiten Ausführungsform können zweidimensionale Heizelemente auf der Basis von Kohlefaser, stromführendem Film, Heizkabeln, Heizgitter und -gewebe, Band-, Stab- oder Drahtheizungen, Heizelemente auf der Basis von stromführenden Flüssigkeiten, Heizelemente, die speziell für die Beheizung von transparenten oder reflektierenden Oberflächen wie Fenstern, Windschutzscheiben, Spiegeln ausgelegt sind, sowie alle anderen Heizelemente, deren Funktionsprinzip auf der Abgabe von Wärme beruht, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter mit elektrischem Widerstand fließt, verwendet werden.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 basiert auf mindestens einem Sicherheitstrenntransformator 4, der zwei Hauptfunktionen hat: die Absenkung der Versorgungsspannung auf eine Schutzkleinspannung, z.B. nach den europäischen Normen nicht mehr als 42,4 V (GOST IEC 60335-1-2008) und nicht mehr als 30 V nach den Normen der USA, Kanadas, Japans, und die galvanische Trennung von Stromkreisen des industriellen gewerblichen Wechselstromspeisenetz oder der lokalen Stromversorgungsnetze und des Lastkreises (Widerstands-Wärmeentwicklungselemente).
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Um sicherzustellen, dass während des Betriebs des Schlüsselelements der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3, nämlich des Sicherheitstrenntransformators 4, keine akustischen Geräusche auftreten, ist es notwendig, das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstrenntransformator 4 abgestrahlten akustischen Strahlungssignals aus dem Hörbereich der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane zu bringen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt (GOST 12.2.024-87 das System der Arbeitssicherheitsstandards (SASS). Geräusch. Leistungsöltransformatoren. Kontrollnormen und -verfahren), dass Transformatoren während des Betriebs Vibrationen erzeugen und akustische Geräusche bei Frequenzen ausstrahlen, die dem an den Transformatoreingang zugeführten Wechselstrom vielfach sind. Dabei entspricht die größte Amplitude des akustischen Signals, das der Transformator während seines Betriebs abgibt, in der Regel dem Wert der Frequenz der zweiten harmonischen Welle (doppelter Wert) der Frequenz des dem Transformatoreingang zugeführten Wechselstroms. Wenn der Wechselstromfrequenzwert des Transformatoreingangs ein akustisches Signal im Transformator anregt, dessen Frequenzspektrum außerhalb des Frequenzbereichs der Hörorgane liegt, dann werden ein solcher Transformator und darauf basierende Geräte von Menschen und/oder Tieren als geräuscharm, d.h. akustisch angenehm empfunden.
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Um sicherzustellen, dass das beanspruchte elektrische Heizsystem in der auf dem Sicherheitstrenntransformator 4 basierenden Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 geräuscharm arbeitet, ist es notwendig, die Betriebsfrequenz des Sicherheitstrenntransformators 4 so zu wählen, dass das Frequenzspektrum des von ihm abgegebenen akustischen Signals über oder unter dem Frequenzbereich seiner Hörbarkeit durch die menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Wenn die Merkmale der Ausführungsform des Sicherheitstrenntransformators 4 und die Besonderheiten seiner elektrischen Betriebsarten es erlauben, ein akustisches Signal mit einer Frequenz abzugeben, die ungeraden Werten, beginnend mit dem ersten, den harmonischen Frequenzen des ihn speisenden Wechselstroms, entspricht, dann ist es für den akustischen Komfort der menschlichen Hörorgane notwendig, den Frequenzwert des Sicherheitstrenntransformators 4 unter 20 Hz oder über 20.000 Hz zu wählen.
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Die Pegel der Amplituden-Frequenz-Charakteristik, die von den menschlichen Hörorganen wahrgenommen werden, sowie die zulässigen Normen für die Lärmbelastung in Wohn- und Nichtwohngebäuden sind in GOST 23337-2014 „Internationale Norm“ definiert. Geräusch. Lärmmessverfahren für Gebäudegebiete und Räumlichkeiten von Wohn- und öffentlichen Gebäuden“, sowie in GOST R ISO 8253-1-2012 „Akustik. Audiometrische Prüfverfahren. Teil 1. Die Tonschwellenaudiometrie für Luft- und Knochenleitung“ und im Internet unter http://www.ksp-msk.ru/page_919.html.
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Wenn die Merkmale der Ausführungsform des Sicherheitstrenntransformators 4 und die Merkmale seiner elektrischen Betriebsarten es erlauben, ein akustisches Signal mit einer Frequenz abzugeben, die den geraden Werten der harmonischen Welle der Frequenz des ihn speisenden Wechselstroms (beginnend mit der zweiten harmonischen Welle) entspricht, dann ist es unter Berücksichtigung des Wertes des Amplitudenmaximums der zweiten harmonischen Welle (d.h. doppelte Multiplizität der Frequenz des akustischen Signals des Transformators, das während seines Betriebs abgegeben wird, der Frequenz des ihn speisenden Wechselstroms) notwendig, die Betriebsfrequenz zu wählen.
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Aus praktischer Sicht ist es für die Realisierung des beanspruchten elektrischen Heizsystems für das oben angeführte Ausführungsbeispiel am zweckmäßigsten, die Arbeitsfrequenz des Sicherheitstrenntransformators 4 im oberen Teil des Frequenzbereichs zu wählen, der seinen geräuscharmen Betrieb in der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 ab 10 000 Hz und darüber gewährleistet.
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Der Aufbau des Sicherheitstrenntransformators 4 kann wie in der Ausführungsform eines beanspruchten elektrischen Heizsystems beschrieben realisiert werden.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 in der zweiten Ausführungsform der beanspruchten Einrichtung ist zusätzlich mit einem zwischen dem Wechselstrom-Versorgungskreis 1 und dem Sicherheitstrenntransformator 4 nacheinander geschalteten Generator 5 und mindestens einem zwischen dem Sicherheitstrenntransformator 4 und dem Widerstandsheizelement 2 nacheinander geschalteten Ausgangsgleichrichter 6 ausgestattet, wobei der Eingang des Generators 5 mit dem Wechselstrom-Versorgungskreis 1 und der Ausgang des Generators 5 mit der Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4 verbunden ist. Die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators 4 ist mit dem Eingang des Ausgangsgleichrichters 6 verbunden und der Ausgangsgleichrichter 6 ist mit einem Widerstandsheizelement 2 verbunden.
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So wird der Ausgangskreis des Sicherheitstrenntransformators 4, der bei den Frequenzen arbeitet, die den Benutzern im zu beheizenden Raum akustischen Komfort bieten, über den Ausgangsgleichrichter 6 an die Last angeschlossen.
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Der Aufbau des Ausgangsgleichrichters 6 kann wie in Buch von A. A. Bas, W.P. Milowsorow, A.K. Musolin „Sekundäre Stromversorgungsquellen mit transformatorlosem Eingang“, Hrsg. „Radio und Kommunikation“, 1987, S. 26, .2 c. beschrieben realisiert werden.
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Die zweite Ausgestaltung ist für Fälle vorgesehen, in denen sich der Sicherheitstrenntransformator 4 in einem beträchtlichen Abstand vom Widerstandsheizelement 2 befindet und die Anschlussleitungen zwischen dem Ausgang des Sicherheitstrenntransformators 4 eine große Länge haben, kraft dessen diese einen erhöhten Wert der intrinsischen parasitären Induktivität aufweisen, wobei in diesem Fall das Widerstandsheizelement 2 durch ein zweidimensionales Folienheizelement mit geringer intrinsischen parasitärer Induktivität hergestellt werden kann, oder im zweiten Fall, wenn die Anschlussleitungen zwischen dem Ausgang des Sicherheitstrenntransformators 4 und dem Widerstandsheizelement 2 eine große Länge haben und daher einen hohen Wert der parasitären Induktivität aufweisen und das Widerstandsheizelement 2 Kabel-, Band oder Spulentyp hat, die ebenfalls einen hohen Wert ihrer intrinsischen parasitären Induktivität aufweisen.
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Der hohe induktive Anteil des Lastkreises des elektrischen Heizsystems verhindert, dass der Wechselstrom durch das Widerstandsheizelement 2 fließt. Gleichzeitig sinkt durch eine Verringerung des Wertes des durch das Widerstandsheizelement 2 fließenden Stroms die Heizleistung, während die Wärmeeffizienz des Heizsystems reduziert wird. Um die unzureichende Erwärmung des Widerstandsheizelements 2 in Heizsystemen mit hoher parasitärer Induktivität und hoher Wechselstromfrequenz auszugleichen, ist es notwendig, entweder die Spannung im Lastkreis zu erhöhen, was den elektrischen Sicherheitsanforderungen des Systems widerspricht, oder auf die Versorgung des Widerstandsheizelements 2 mit gleichgerichtetem (Gleich-)Strom umzuschalten.
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Um dieses Problem zu lösen, wird in der zweiten Ausgestaltung mindestens ein Ausgangsgleichrichter 6 in der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 zwischen den Ausgang des Sicherheitstrenntransformators 4 und den Stromkreis des Widerstandsheizelements 2 geschaltet, der den Wechselstrom vom Ausgang des Sicherheitstrenntransformators 4 in einen gleichgerichteten (Gleich-)Strom umwandelt, der in den Lastkreis eingespeist wird.
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Gleichzeitig spielt der Wert des induktiven Anteils der Anschlussleitungen und des Widerstandsheizelements 2 keine Rolle mehr, da bekannt ist, dass das Vorhandensein eines induktiven Anteils im stromführenden Kreis kein Hindernis für den Fluss des gleichgerichteten (Gleich-)Stroms darstellt.
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So erlaubt der Aufbau der zweiten Ausführungsform des elektrischen Heizsystems, Einschränkungen bei der räumlichen Anordnung der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag, die bei hohen Frequenzen (über 1000 Hz) arbeitet, und bei dem Aufbau von Widerstandsheizelementen 2 auszuschließen. Gleichzeitig wird der akustische Komfort des Heizsystems durch den geräuscharmen Betrieb des Sicherheitstrenntransformators 4 und die Energieeffizienz des Heizsystems durch die Möglichkeit der Anbringung der Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 auf der Basis des Sicherheitstrenntransformators 4 sowie durch stromführende Kreise innerhalb des zu beheizenden Raumes bewahrt.
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Der Generator 5 erzeugt Wechselstrom, dessen Amplitude, Form und Frequenz notwendig ist, um den geräuscharmen Betrieb des Sicherheitstrenntransformators 4 zu gewährleisten.
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Die Betriebsfrequenz des Generators 5 ist so gewählt, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstransformator 4 abgegebenen akustischen Signals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Der Aufbau des Generators 5 kann wie in der Ausführungsform eines beanspruchten Heizsystems beschrieben umgesetzt werden.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 des beanspruchten Aufbaus in der zweiten Ausführungsform kann strukturell ganz oder teilweise als Gegenstand der Innenausstattung eines Raumes, z.B. als Bild, ausgeführt werden.
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Das beanspruchte Heizsystem für die in der gezeigte zweite Ausführungsform funktioniert wie folgt: der Eingang von Generator 5 wird vom industriellen kommerziellen Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz von 50-60 Hz gespeist. Der Generator 5 erzeugt an seinem Ausgang Wechselstrom mit einer Frequenz, die die Abwesenheit von akustischen Geräuschen während des Betriebs des Sicherheitstrenntransformators 4 gewährleistet, der mit dem Generator 5 in die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 eintritt. Der elektrische Wechselstrom vom Ausgang des Generators 5 wird in den Eingang, nämlich die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4, eingespeist. Der Sicherheitstrenntransformator 4 wandelt diese Spannungen in eine Schutzkleinspannung, z.B. 3, 6, 12, 24, 30, 36, 42,4 V um, die dem Eingang des Ausgangsgleichrichters 6 zugeführt wird, der den an seinem Eingang eingespeisten Wechselstrom in einen gleichgerichteten (Gleich-)Strom umwandelt, der weiter in den Lastkreis, nämlich ein Widerstandsheizelement 2, eingespeist wird. Wenn der Strom durch das Widerstandsheizelement 2 fließt, wird Wärme erzeugt, und die freigesetzte Wärme wird zur Beheizung des Raums verwendet.
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Das beanspruchte elektrische Heizsystem durch die zweite Ausführungsform, die alle oben in der ersten Ausführungsform beschriebenen Vorteile besitzt, ermöglicht die Verwendung der Widerstandsheizelemente 2 im Heizsystem, die aufgrund der Konstruktionsmerkmale der Ausführung einen hohen Wert der parasitären Induktivität eines stromführenden Kreises besitzen, der den Bereich der möglichen Anwendung des beanspruchten Heizsystems erweitert.
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Die dritte Ausführungsform des beanspruchten elektrischen Heizsystems, die in dargestellt ist, eignet sich am besten für die Installation in Nassräumen. In solchen Räumlichkeiten besteht die Gefahr einer beschleunigten elektrochemischen Korrosionszerstörung der leitenden Kreise und Elemente des elektrischen Heizsystems, was zu einer beschleunigten Zerstörung der stromführenden Kreise und ihrer Isolierung an den Stellen der Korrosion führt, was einen vorzeitigen Ausfall des Heizsystems zur Folge hat.
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Das für die dritte Ausführungsform beanspruchte elektrische Heizsystem, das aus dem Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz im Bereich von 50-1000 Hz gespeist wird, ist in gegeben und enthält mindestens ein Widerstandsheizelement 2 und eine Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3, die zwischen dem Wechselstromnetzkreis 1 und dem Widerstandsheizelement 2 nacheinander geschaltet sind. Das beanspruchte elektrische Heizsystem der dritten Ausführungsform kann aus einem industriellen Handelsnetz mit einem Wechselstrom von 50-60 Hz und auch aus lokalen unabhängigen Stromnetzen mit einer Wechselstromfrequenz von 400-1000 Hz von festen und beweglichen Gegenständen zu Lande, zu Wasser, unter Wasser, in der Luft und im Weltraum gespeist werden.
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Die Widerstandsheizelemente, deren Aufbau oben in den ersten und zweiten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, können als Widerstandsheizelement 2 in der dritten Ausführungsform des beanspruchten Heizsystems verwendet werden.
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Zur Bekämpfung der elektrochemischen Korrosion der Elemente von elektrischen Stromkreise des Widerstandsheizelements 2 in der dritten Ausführungsform des elektrischen Heizsystems ist die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 zusätzlich mit einem Generator 5 ausgestattet, der zwischen dem Wechselstromversorgungskreis 1 und dem Sicherheitstrenntransformator 4 nacheinander und zwischen dem Sicherheitstrenntransformator 4 und das Widerstandsheizelement 2 nacheinander geschaltet ist, mit mindestens einem Ausgangsgleichrichter 6 und mindestens einer Umpolarisierungseinheit 7 des Ausgangsgleichrichters 6. Dabei ist der Eingang des Generators 5 an das Wechselstromversorgungsnetz 1 angeschlossen, der Ausgang des Generators 5 an die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4, die Ausgangswicklung des Sicherheitstrenntransformators 4 an den Eingang des Ausgangsgleichrichters 6, dessen Ausgang mit dem Eingang der Umpolarisierungseinheit 7 der Ausgangsspannung des Ausgangsgleichrichters 6 verbunden ist. Der Ausgang der Umpolarisierungseinheit 7 ist mit einem Widerstandsheizelement 2 verbunden.
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Die Betriebsfrequenz des Generators 5 ist so gewählt, dass das Frequenzspektrum des vom Sicherheitstransformator 4 abgegebenen akustischen Signals außerhalb des Hörbereichs der menschlichen und/oder tierischen Hörorgane liegt.
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Die Umpolarisierungseinheit 7 ermöglicht eine periodische Umpolarisierung des im Kreis des Widerstandsheizelements 2 fließenden Stroms, d.h. sie sorgt für den Betrieb der Lastkreise bei Wechselstrom. Der periodische Stromumpolarisierung mit der Frequenz von einigen zehn oder hundert Hertz reduziert die Geschwindigkeit des Verlaufs der elektrochemischen Prozesse in den stromführenden Kreisen und Elementen des Heizsystems stark, was die elektrische Sicherheit des Heizsystems durch die Verlangsamung der Korrosionsprozesse der stromführenden Kreise und der Verlangsamung der Zerstörung der elektrischen Isolierschichten der stromführenden Kreise erhöht und den vorzeitigen Ausfall des Heizsystems verhindert und seine Betriebsdauer verlängert.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 des beanspruchten Aufbaus in der dritten Ausführungsform kann strukturell ganz oder teilweise als Gegenstand der Innenausstattung eines Raumes, z.B. als Bild, ausgeführt werden.
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Der Aufbau des Sicherheitstrenntransformators 4, des Generators 5, des Ausgangsgleichrichters 6 kann auf die gleiche Weise wie in der zweiten Ausführungsform der beanspruchten Erfindungen beschrieben durchgeführt werden.
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Der Aufbau der Umpolarisierungseinheit 7 der Ausgangsgleichrichter-Ausgangsspannung 6 in der dritten Ausführungsform der beanspruchten Erfindung kann so durchgeführt werden, wie es in im Patent für die Erfindung der Russischen Föderation Nr. 2510864 „Brückenspannungswandler“, Prioritätszeitpunkt 07.12.2012, Offenlegungstag - 10.04.2014 dargestellt ist.
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Das beanspruchte Heizsystem für die in der gezeigte dritte Ausführungsform funktioniert wie folgt: der Eingang von Generator 5 wird vom industriellen kommerziellen Wechselstromnetz 1 mit einer Frequenz von 50-60 Hz gespeist. Der Generator 5 erzeugt an seinem Ausgang Wechselstrom mit einer Frequenz, die die Abwesenheit von akustischen Geräuschen während des Betriebs des Sicherheitstrenntransformators 4 gewährleistet, der mit dem Generator 5 in die Schutzeinrichtung gegen elektrischen Schlag 3 eintritt. Der elektrische Wechselstrom vom Ausgang des Generators 5 wird in den Eingang, nämlich die Primärwicklung des Sicherheitstrenntransformators 4, eingespeist. Der Sicherheitstrenntransformator 4 wandelt diese Spannungen in eine Schutzkleinspannung, z.B. 3, 6, 12, 24, 30, 36, 42,4 V um, die dem Eingang des Ausgangsgleichrichters 6 zugeführt wird, der den an seinem Eingang eingespeisten Wechselstrom in einen gleichgerichteten (Gleich-)Strom umwandelt. Der gleichgerichtete (Gleich-)Strom, der an den Eingang der Umpolarisierungseinheit 7 der Ausgangsgleichrichter-Ausgangsspannung 6 weitergeleitet wird. Die Umpolarisierungseinheit 7 führt eine periodische Umpolarisierung des im Stromkreis des Widerstandsheizelements 2 fließenden Stroms durch, wodurch der Prozess der elektrochemischen Korrosion (Abbau) der stromführenden Kreise und der Isolierung des Widerstandsheizelements 2 verlangsamt wird.
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Im elektrischen Heizsystem auf allen drei Ausführungsformen kann die Schutzeinrichtung gegen den elektrischen Schlag 3 konstruktiv in Form eines einheitlichen Monoblockbaus und in Form eines konstruktiv abgefertigten, unabhängigen Funktionseinheiten 4, 5, 6, 7, die dessen Bestandteil bilden, ausgeführt werden, die auf Abstand voneinander montiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 2389161 [0011]
- KR 20100087907 [0013]
- KR 2003/002750 [0020]
- WO 2004/056155 [0020]
