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Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung und/oder der Temperatur
eines Warmwasserbereitungsgerätes, insbesondere für Geräte mit Elektrodenheizung
heizung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung
und/oder der Temperatur eines Warmwasserbereitungsgerätes, insbesondere für Geräte
mit Elektrodenheizung, unter Verwendung von steuerbaren Halbleitern der Leistungselektronik.
Zur Erwärmung von Wasser mit elektrischer Energie hat die Industrie in den vergangenen
Jahren je nach Anwendungszweck die verschiedensten Geräte auf den Markt gebracht.
In die eine Gruppe der Geräte fallen solche Warmwasseranlagen, die Brauchwasser
unter Verwendung von Durchlauferhitzern oder Heißwasserspeichern erzeugen. Die zweite
Gruppe umfaßt Warmwasserradiatoren.
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Im allgemeinen ist es bekannt, daß die elektrische Energie in den
Geräten mit Hilfe von Rohrheizkörpern oder Blankdrahtheizkörpern umgesetzt und dem
Wasser zugeführt wird. Bei Warmwasserbereitungsgeräten mit Elektrodenheizung wird
das Wasser selbst als Energiewandler verwendet, da es in jedem Fall eine ausreichende
Leitfähigkeit aufweist. Der Vorteil dieser Geräte liegt darin, daß keine aufwendigen
Spezialheizkörper benötigt werden, die mit der Zeit durch Korrosion und/oder Kalkansatz
unbrauchbar werden können. Auch ein Durchbrennen von Heizdrähten erübrigt sich.
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Gegenüber diesen Vorteilen der Elektrodenheizung hat diese den Nachteil,
daß die Heizleistung ohne besondere Maßnahmen nicht konstant ist, da der jeweilige
Strom über ein Elektrodenpaar - abgesehen von der Netzspannung - eine starke Abhängigkeit
von der jeweiligen Leitfähigkeit und der Temperatur des zu erwärmenden Wassers hat,
und die Leitfähigkeit ist von Ort zu Ort sehr unterschiedlich.
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Aus der deutschen Patentschrift Nr. 864 135 ist ein Elektroden-Durchflußerhitzer
bekannt, bei dem eine Leistungsregelung des Stromes auf mechanischem Wege dadurch
bezweckt wird, daß der Abstand der Elektroden oder die wirksame Elektrodenfläche
durch Drehung geändert wird.
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Ebenfalls auf mechanischem Wege wird das Problem der Strom- bzw. Leistungsregelung
bei einer Warmwasserversorgungsanlage nach der deutschen Patentschrift Nr. 886 793
gelöst. Hierbei wird eine vom Wasser betätigte Steuervorrichtung vorgesehen, welche
die wirksame Oberfläche der Elektroden verändert.
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Diese bekannten Einrichtungen haben den grundsätzlichen Nachteil,
daß sie zur Regelung relativ teuere, nicht verschleißfeste mechanische Einrichtungen
benötigen. Diese Einrichtungen sind für kleinere Seriengeräte für Haushaltszwecke
ferner zu groß und damit unwirtschaftlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung von beweglichen
mechanischen Teilen in den Warmwassergeräten eine Schaltungsanordnung zur Regelung
der Heizleistung insbesondere für Warmwasserbereitungsgeräte mit Elektrodenheizung
unter Verwendung von steuerbaren Halbleitern der Leistungselektronik anzugeben,
die im Prinzip auch für Geräte mit Rohrheizkörpern anwendbar ist, wenn diese Geräte
auf eine Teilleistung ohne Umschaltung der Heizkörper einstellbar sein sollen. Ferner
soll mit Hilfe derselben Schaltungsanordnung zusätzlich die Temperatur des Wassers
auf einen vorzugebenden Wert regelbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöste daß für eine zyklische
Anschaltung in der Stromzuführung jedes von drei Heizkreisen in Sternschaltung ein
Triac mit einem diesem zugeordneten Nullspannungsdetektor vorgesehen ist, wobei
derjenige Nullspannungsdetektor, dessen zugeordneter Heizkreis in der zyklischen
Reihenfolge als erster einen Zündimpuls für den zugehörigen Triac erhält, einen
zusätzlichen Inhibit-Eingang aufweist, an den eine Baugruppe für Sperrsignale angeschlossen
ist, sowie Steuereingänge vorgesehen sind zum Anschhißton Gebern für Soll- und Ist-Temperaturen,
und daß die an den Heizkreis angeschlossene Elektrode desjenigen Triacs, der zyklisch
als erster gezündet wird, mit Steuereingängen der anderen beiden Nullspannungsdetektoren
derart verbunden ist, daß diese erst nach der Zündung des ersten Triacs wirksam
sind.
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Diese Schaltungsanordnung, die für drei Heizkreise in Stern-Schaltung
ausgelegt ist, hat den Vorteil, daß sie sowohl der Heizleistungsregelung und damit
im besonderen Maße der Strombegrenzung auf einen Mittelwert bei Elektrodenheizungen
als auch gleichzeitig der Temperaturregelung dienen kann. Einen ganz besonderen
Vorteil bietet die Schaltung durch die erfindungsgemäße folgeabhängige Steuerung
der beiden Nullspannungsdetektoren ohne Inhibit-Eingang, da für diese Detektoren
billigere Operationsverstärker verwendet werden können. Da nur für den einen Nullspannungsdetektor
mit dem Inhibit-Eingang eine Sperrsignale abgebende Baugruppe und Gebereinrichtungen
für die Soll-und Ist-Temperaturen vorgesehen zu werden brauchen, ist der Aufwand
besonders niedrig gehalten.
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Wenn ein Gerät nicht an Drehstrom, sondern mit einem einzigen Heizkreis
an Wechselstrom betrieben werden soll, kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ebenfalls in vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen. In dem Fall wird nur der Teil
der Schaltung benötigt, der im Schaltungszusammenhang mit dem jeweils zuerst zu
zündenden Triac steht.
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Eine die Schaltungsanordnung aufnehmende Elektronikplatte kann im
Hinblick auf die Bauteilanordnung so aufgebaut sein, daß u.U. mit Hilfe einer Sollbruchstelle
der nicht benötigte Schaltungsteil leicht anstelle eines mit Wechselstrom betriebenen
Gerätes eines für Drehstrom vorgesehen werden.
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Durch die vorliegende Universalschaltung wird also die Lagerhaltung
besonders wirtschaftlich, da unabhängig vom jeweiligen Einsatz nur eine einzige
Grundschaltung benötigt wird.
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Für Geräte mit Elektrodenheizung unabhängig von der Versorgungsspannung,
also bei Wechsel- oder Drehstrom, wird in vorteilhafter Weise nach einer besonders
zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung als Baugruppe zum Erzeugen von Sperrsignalen
und damit zur speziellen Leistungsregelung ein proportional-integral wirkender Regler
vorgesehen, der als Regelgröße die an einem im Stromkreis des jeweils zuerst zündbaren
Triacs befindlichen Shuntes abfallende Spannung erhält. An dieser Stelle wird besonders
darauf hingewiesen, daß es für das Wesen der Erfindung unerheblich ist, ob in den
Heizkreisen Triacs oder entsprechend wirkende elektronische Schalter der Leistungselektronik
eingesetzt werden.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführung mit geringem Platzbedarf für
eine gedruckte Schaltung hat der Regler, wenn dieser in bevorzugter Weise aus einem
Dualoperationsverstärker aufgebaut ist, wovon der eine Operationsverstärker in Verbindung
mit einem Diodenwiderstandsnetzwerk und einer Referenzspannungsquelle einen Stromdifferenzwert
zur Integration für den zweiten Operationsverstärker liefert, dessen Ausgang mit
dem zusätzlichen Inhibit-Eingang des einen Nullspannungsverstärkers verbunden ist.
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Zum Festlegen der Leistungsgrenze eines Warmwasserbereitungsgerätes
mit Elektrodenheizung kann die Referenzspannungsquelle des Reglers in vorteilhafter
Weise einstellbar gestaltet sein.
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Es ist aber auch in bevorzugter Weise möglich, in den durch die Referenzspannungsquelle
gespeisten Stromkreis einen einstellbaren Widerstand einzusetzen und damit die Leistungsgrenze
des Gerätes zu bestimmen.
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Werden die Warmwasserbereitungsgeräte mit Heizkörpern versehen, so
wird die zur Leistungsregelung vorzusehende Baugruppe zum Erzeugen von Sperrsignalen
nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Funktionsgenerator
für Signale mit einstellbarem Tastverhältnis im Bereich vom Schwellwert des Inhibit-Einganges
des einen Nullspannungsdetektors ausgeführt. Im einfachsten Fall kann als Funktionsgenerator
ein Rechtecksignalgenerator verwendet werden, der sich beispielsweise mit geringem
Aufwand an passiven Bauteilen und einer NAND-Glieder enthaltenden integrierten Digital-Schaltung
erstellen läßt.
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Der Funktionsgenerator kann in vorteilhafter Weise auch aus einem
Rampensignalgenerator bestehen in Verbindung mit einer Triggerschaltung, deren Triggerschwelle
einstellbar ist.
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Bei Warmwasserbereitungsgeräten mit Speicherung, die mit verbilligtem
Nachtstrom arbeiten, kann es mit Rücksicht auf die mit steigender Wassertemperatur
zunehmenden Wärmeverluste durch Abstrahlung vorteilhaft sein, den Aufheizvorgang
im wesentlichen auf das Ende der Nachtstromperiode zu legen, denn in den meisten
Fällen wird nachts kein Heißwasser benötigt. Dann steht morgens ausreichend heißes
Brauchwasser zur Verfügung, das noch bei niedrigem Tarif erwärmt wurde, ohne daß
die ganze Nacht über.das Wasser mit maximaler Temperatur gespeichert werden mußte.
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Zur Lösung dieses Problems bietet eine andere vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung eine Schaltungsvariante, bei welcher der Geber für die Soll-Temperatur
zeitveränderlich selbsttätig einstellbar ist, Dies kann beispielsweise mit Hilfe
eines durch eine Kurvenscheibe gesteuerten Potentiometers erfolgen, wobei die Drehung
der Kurvenscheibe in Abhängigkeit von einer Zeituhr erfolgt. Da die Soll-Temperaturwerte
im Prinzip als analoge Spannungswerte vorgegeben werden, ist jedoch auch eine Ausführung
denkbar, die ohne mechanisch bewegte Teile auskommt und lediglich einen speziellen
elektronischen Funktionsgenerator mit einem 24-Stunden-Programm enthält.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Warmwasserbereitungsgerät
mit Elektrodenheizung und Drehstromversorgung ist in der Zeichnung dargestellt und
nachstehend näher beschrieben.
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Die Elektrodenpaare EU, EV und EW der drei Heizkreise eines Warmwasserbereitungsgerätes
WT sind in Sternschaltung mit dem Drehstromnetz verbunden. In den Anschaltstromkreisen
der drei Elektrodenpaare EU, EV und EW ist je ein Triac TU bzw.
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TV bzw. TW vorgesehen, die mit den Eingangsklemmen U, V und W verbunden
sind. Im Stromkreis des Triacs TU ist ferner ein Shunt ST vorgesehen, also nur in
einer Phase, an dem im Betrieb des Warmwasserbereitungsgerätes eine Spannung abfällt,
die als Regelgröße für einen Regler RR dient. Im stilisiert dargestellten Warmwasserbereitungsgerät
WT befindet sich ferner ein NTC-Widerstand als Ist-Temperaturgeber WR in thermischem
Kontakt mit dem-zu erwärmenden Wasser.
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Zur Vereinfachung der Zeichnung sind verschiedene Leitungen nicht
vollständig gezeichnet, sondern unterbrochen und mit einem Pfeil versehen. Zusammengehörende
Leitungen tragen dementsprechend übereinstimmende Bezugszeichen.
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Zur Steuerung der drei Triacs TU, TV und TW sind drei diesen zugeordnete
Nullspannungsdetektoren NR 1, NR 2 und NR 3 vorgesehen, deren Steuersignale über
die Leitungen 8, 7 und 6 auf die nachgeschalteten Triacs gelangen. Jeder Nullspannungsdetektor
hat die Auf gabe, den zugehörigen Triac im Nulldurchgang der Wechselspannung an
dem Triac zu zünden. Eine derartige Verfahrensweise hat bekanntlich den Vorteil,
daß es auf diese Art und Weise keine Hochfrequenzstörungengibt, die sonst durch
kostspielige zusätzliche Entstörschaltmittel unterdrückt werden müßten.
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Alle drei Nullspannungsdetektoren NR 1, NR 2 und NR 3 enthalten jeweils
als aktives Element einen handelsüblichen integrierten Baustein NR 11 bzw. NR 21
bzw. NR 31. Die beiden Bausteine NR 21 und NR 31 sind gleichartig und unterscheiden
sich vom Baustein NR 11 dadurch, daß dieser einen zusätzlichen Inhibit-Eingang NR
12 aufweist. Wenn auf diesen Eingang ein dessen Schwellspannung übersteigendes Sperrsignal
gelangt, gibt der Baustein NR 11 keine Zündimpulse, die sonst zweimal pro Periode
der zugeordneten Phase erwartet werden können, mehr an den Triac TU ab. über die
Leitungen 1 und 3 wird der Nullspannungsdetektor NR 1 mit der Sternspannung versorgt,
die zwischen den Klemmen 0 und U liegt. Entsprechendes gilt sinngemäß für die Leitungen
1 und 4 des Nullspannungsdetektors NR 2 im Hinblick auf die Klemmen 0 und V bzw.
für die Leitungen
1 und 5 des Detektors NR 3 und die Klemmen 0
und W. Der Ist-Temperaturgeber WR im Warmwasserbereitungsgerät WT ist über die Leitung
10 mit einem Steuereingang des Bausteines NR 11 des Nullspannungsdetektors NR 1
verbunden.
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Als Soll-Temperaturgeber SR dienen mehrere Widerstände SR 1, SR 2
in Verbindung mit einem Stufenschalter SR 3.
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Dieser Soll-Temperaturgeber ist ebenfalls an einen Steuereingang der
Baugruppe NR 11 angeschlossen. Der Widerstand SR 1 dient zur Vorgabe eines maximalen
oberen Temperaturwertes, der nicht überschritten werden soll. Mit Hilfe der Widerstände
SR 2 kann die Wasser-Soll-Temperatur in drei Stufen eingstellt werden. Eine derartige
Beschaltung der Steuereingänge des Bausteines NR 11 hat den Vorteil, daß bei einer
unzulässigen Veränderung des Wertes eines der Widerstände SR 2 oder beim Defekt
des Schalters SR3 keine unerwünscht hohe Temperatur vorgegeben wird, da diese Temperatur
ausschließlich von der Einstellung des Widerstandes SR 1 abhängt.
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Die mit dem Elektrodenpaar EU verbundene Elektrode TU 1 des Triacs
TU ist über die Leitung 9 mittelbar über Entkopplungswiderstände und Dioden an Steuereingänge
der Bausteine NR 21 und NR 31 der beiden in ihrer Konzeption gegenüber dem Baustein
NR 11 einfacher und damit billiger aufgebauten Nullspannungsdetektoren NR 2 und
NR 3 angeschlossen.
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Hierdurch wird erreicht, daß die beiden Nullspannungsdetektoren NR
2 und NR 3 erst dann wirksam geschaltet sind und beim Nulldurchgang der ihnen zugeordneten
Sternspannung einen Impuls an die nachgeschalteten Triacs TV und TW abgeben können,
wenn der Triac TU vorher durch den Nullspannungsdetektor NR 1 gezündet wurde. Somit
ergibt sich für das Einschalten der drei Triacs eine fest vorgegebene zyklische
Folge, in welcher der Triac TU jeweils zuerst gezündet wird und seinen Heizkreis
einschaltet.
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Wie bereits im allgemeinen Beschreibungsteil darauf hingewiesen wurde,
ergeben sich durch diese Abhängigkeitssteuerung besondere Vorteile hinsichtlich
der Verwendung der Schaltung für Dreh- oder Wechselstrom und im Hinblick auf den
übrigen Schaltungsaufwand wie Geber für Soll- und Ist-Temperaturwerte sowie eine
die Leistungsregelung betreffende Baugruppe.
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Die Baugruppe RR hat die Aufgabe, zur Leistungsregelung über die Leitung
11 auf den Inhibit-Eingang NR 12 des Bausteines NR 11 Sperrsignale zu geben und
stellt einen proportionalintegral wirkenden Regler dar. Dieser Regler besteht im
wesentlichen aus einem Dual-Operationsverstärker, von dem der eine Operationsverstärker
RR 1 im Schaltungszusammenhang mit einem Dioden-Widerstandsnetzwerk sowie einer
Referenzspannungsquelle RR 11 und einem an diese angeschlossenen einstellbaren Widerstand
RR12 zur Leistungsvorgabe einen Stromdifferenzwert erzeugt. Hierzu ist der Operationsverstärker
RR 1 über die Leitungen 2 und 3 mit dem Shunt ST verbunden.
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Die Erzeugung der Referenz- sowie der Versorgungsgleichspannungen
ist nicht besonders dargestellt.
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Der erzeugte Stromdifferenzwert wird vom zweiten Operationsverstärker
RR 2 übernommen und integriert. Als Ergebnis liefert der Ausgang RR 21 des zweiten
Operationsverstärkers RR 2 das Sperrsignal für den Nullspannungsdetektor NR 1, derart,
daß ein unzulässig hoher mittlerer Strom über den Shunt ST die Sperrsignalamplitude
ansteigen läßt. Übersteigt die Sperrsignalamplitude die Schwellspannung des Inhibit-Einganges
NR 12 des Bausteines NR 11, so setzen die Zündimpulse für den Triac TU aus. Als
Folge davon bleiben wegen der Sperrung der Nullspannungsdetektoren NR 2 und NR 3
auch die Zündimpulse für die anderen beiden Triacs TV und TW aus. Die Zündimpulse
für die drei Triacs TU, TV und TW setzen ebenfalls aus, wenn die jeweils eingestellte
Soll-Temperatur (Geber SR) erreicht ist.
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Einige Schaltungsbesonderheiten werden nachstehend noch zusätzlich
erläutert: Die Diode RR22 im Schaltungszusammenhang mit dem Operationsverstärker
RR 2 hat die Aufgabe, ein inverses Aufladen des parallel liegenden Kondensators
zu verhindern, wenn der Verbraucherstrom über den Shunt ST einen vorgegebenen Wert
unterschreitet.
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Die Dioden RR 13, die vorzugsweise einen scharfen Kennlinienknick
aufweisen sollten, verhindern eine Überlastung der Triacs bei zu niederohmigem Lastwiderstand.
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Der Kondensator NR 13 im Nullspannungsdetektor NR 1 verhindert eine
Unterbrechung oder Verst melung eines bereits ausgelösten Zündimpulses für den Triac
TU bei nicht eindeutigem Sperrsignal am Inhibit-Eingang NR 12.