DE2837934A1 - Electric water flow heater control system - has heating coil divided into three sections, with two sections temp. controlled - Google Patents
Electric water flow heater control system - has heating coil divided into three sections, with two sections temp. controlledInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur Regelung der Auslauftemperatur bei Device for regulating the outlet temperature at
elektrischen Durchlauferhitzern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern, bei welcher die Heizleistung von einem im Auslauf angeordneten Temperaturfühler mittels eines Reglers steuerbar ist. electric water heaters The invention relates to a device for regulating the outlet temperature in electric instantaneous water heaters, in which the heating power from a temperature sensor arranged in the outlet by means of a Controller is controllable.
Die Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern bietet besondere Schwierigkeiten. Elektrische Durchlauferhitzer haben eine sehr hohe installierte Heizleistung von beispielsweise 22 Kilowatt. Die Auslauftemperatur muß sehr genau eingehalten werden und darf nur geringfügig um die gewünschte Temperatur schwanken. Es ist schwierig, die Heizleistung entsprechend feinfühlig zu regeln.The regulation of the outlet temperature for electric water heaters offers particular difficulties. Electric water heaters have a very high installed heating capacity of, for example, 22 kilowatts. The outlet temperature must be adhered to very precisely and may only be slightly adjusted to the desired temperature vary. It is difficult to regulate the heating power accordingly sensitively.
Man kann die elektrische Heizleistung durch eine Phasenanschnittsteuerung stetig regeln. Eine Phasenanschnittsteuerung der hier vorliegenden hohen Leistungen ist jedoch wegen der dabei erzeugten Oberwellen und der dadurch hervorgerufenen Störungen nicht zulässig. Es ist nur zulässig, den Wechselstrom voll ein- oder auszuschalten, wobei durch einen Nullspannungsschalter dafür gesorgt wird, daß die Einschaltung und die Auschaltung jeweils in Zeitpunkten erfolgt, in denen die Wechselspannung sowieso durch null geht, so daß kein Phasenanschnitt erfolgt.The electrical heating power can be adjusted using a phase control regulate continuously. A phase control of the high power here however, is because of the harmonics generated and thereby evoked Interferences not allowed. It is only permissible to switch the alternating current fully on or off, whereby a zero voltage switch ensures that the switch-on and the switch-off takes place at times when the alternating voltage goes through zero anyway, so that there is no phase control.
Eine Regelung der Heizleistung durch Ein- und Ausschalten erfordert jedoch eine relativ hohe Schaltfrequenz, wenn die Forderung erfüllt werden soll, daß eine gewünschte Auslauftemperatur mit hoher Genauigkeit eingehalten wird. Wenn die Heizleistung mit niedriger Schaltfrequenz ein- und ausgeschaltet würde, dann würde aus einem Durchlauferhitzer abwechselnd kaltes oder zu heißes Wasser auslaufen, auch wenn die mittlere Heizleistung der gewünschten Temperatur entspricht.A regulation of the heating power by switching on and off requires but a relatively high switching frequency if the requirement is to be met, that a desired outlet temperature is maintained with high accuracy. if the heating power would be switched on and off with a low switching frequency, then a water heater would alternately run out of cold or too hot water, even if the average heating power corresponds to the desired temperature.
Eine hohe Schaltfrequenz der Ein- und Ausschaltung einer hohen Heizleistung führt jedoch wieder zu anderen Schwierigkeiten: Durch die Netzimpedanz beeinflußt die hohe Heizleistung des elektrischen Durchlauferhitzers die Netzspannung. Eine hohe Schaltfrequenz würde daher ein unangenehmes Flimmern elektrischer Glühlampen mit sich bringen. Die von den Versorgungsunternehmen zugelassene geschaltete Heizleistung ist daher umso kleiner, je höher die Schaltfrequenz ist. Diese Forderungen stehen dem Bemühen entgegen, die Auslauftemperatur eines Durchlauferhitzers hoher Leistung mit hoher Genauigkeit zu regeln.A high switching frequency for switching a high heating output on and off however leads to other difficulties: Affected by the line impedance the high heating output of the electric water heater the mains voltage. One high switching frequency would therefore cause an unpleasant flicker of electric light bulbs entail. The switched heating power approved by the utility company is therefore the smaller, the higher the switching frequency. These demands stand against the effort to reduce the outlet temperature of a high-performance instantaneous water heater to regulate with high accuracy.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern zu schaffen, welche auch bei Durchlauferhitzern hoher Leistung von beispielsweise 22 Kilowatt eine genaue Regelung der Auslauftemperatur gestattet.Accordingly, the object of the invention is to provide a device to regulate the outlet temperature in electric water heaters, which also applies to water heaters with a high output of, for example, 22 kilowatts allows precise regulation of the outlet temperature.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die installierte Heizleistung des Durchlauferhitzers in wenigstens zwei Stufen unterteilt ist und für die Temperaturregelung jeweils nur eine der Stufen geschaltet wird.According to the invention this object is achieved in that the installed Heating power of the water heater is divided into at least two stages and only one of the levels is switched for temperature control.
Nach der Erfindung wird somit auf den Durchlauf erhitzer eine feste Heizleistung geschaltet, die von dem Regelspiel des Temperaturreglers nicht beeinflußt ist. Die Temperaturregelung erfolgt durch eine Stufe der Heizleistung, die wesentlich kleiner als die gesamte Heizleistung des Durchlauferhitzers sein kann. Die geringe Heizleistung dieser Stufe kann dann bei dem Regelspiel mit einer entsprechend hohen Frequenz geschaltet werden, so daß eine genaue Einhaltung einer gewünschten Auslauftemperatur gewährleistet ist.According to the invention is thus a solid on the flow heater Heating power switched, which is not influenced by the control cycle of the temperature controller is. The temperature control takes place through a stage of the heating power, which is essential can be smaller than the total heating power of the water heater. The minor one The heating output of this level can then be set with a correspondingly high level in the control cycle Frequency can be switched so that a desired outlet temperature can be precisely maintained is guaranteed.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden.The invention can be practiced in various ways.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further refinements of the invention are the subject of the subclaims.
Die Erfindung ist nachstehen an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer fest einschaltbaren Stufe der Heizleistung und zwei von je einem Regler geschalteten Stufen.The invention is based on a few exemplary embodiments below With reference to the accompanying drawings explained in more detail: Fig. 1 shows a first Embodiment of the invention with a permanently switchable level of heating power and two stages, each switched by a controller.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform mit einer bei Wasserdurchlauf fest einschaltbaren Stufe der Heizleistung, einer von dem Regler zur Temperaturregelung geschalteten Stufe und zwei weiteren Stufen, die in Abhängigkeit vom Reglerausgangssignal fest zuschaltbar sind. Fig. 2 shows a second embodiment with a water flow Permanently switchable level of heating power, one from the controller for temperature control switched stage and two further stages that depend on the controller output signal are permanently switchable.
Fig. 3 zeigt im einzelnen das Stellglied bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Fig. 3 shows in detail the actuator in the embodiment according to Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine bei Wasserdurchlauf fest einschaltbare Stufe und eine vom Regler zur Temperaturregelung geschalteten Stufe durch je eine Heizwendelanordnung realisiert ist, während eine dritte, mittlere Heizwendelanordnung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Reglers mit einer von zwei Heizleistungen beaufschlagt ist. Fig. 4 shows a third embodiment of the invention in which one level that can be permanently switched on when the water flows through, and one from the controller for temperature control switched stage is realized by a heating coil arrangement each while one third, middle heating coil arrangement depending on the output signal of the controller one of two heating powers is applied.
Fig. 5 zeigt das Stellglied bei der Ausführungsform nach Fig. 4. FIG. 5 shows the actuator in the embodiment according to FIG. 4.
Fig. 6 zeigt die Logikschaltung bei der Ausführungsform von Fig. 5. Fig. 6 shows the logic circuit in the embodiment of Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Heizwendelanordnung sowohl die "Regelstufe" als auch eine oder mehrere "Zusatzstufen" repräsentiert. Fig. 7 shows a fourth embodiment of the invention in which a heating coil arrangement, both the "control stage" and one or more "additional stages" represents.
Fig. 8 zeigt das Stellglied bei der Ausführungsform nach Fig. 7. FIG. 8 shows the actuator in the embodiment according to FIG. 7.
Fig. 9 zeigt Wellenzüge der Wechselspannung, wie sie bei der Ausführungsform von Fig. 7 und 8 auf die Heizwendel gegeben werden. Fig. 9 shows wave trains of the alternating voltage as they are in the embodiment 7 and 8 are placed on the heating coil.
Der Einfachheit der Darstellung halber ist in den Figuren als Wechselspannung jeweils eine Phase dargestellt, die auf Heizwendelanordnungen gegeben wird, welche ebenfalls jeweils durch eine einzige Heizwendel dargestellt sind. In der Praxis wird der elektrische Durchlauferhitzer mit Drehstrom betrieben, wobei jede Heizwendelanordnung aus wenigstens drei von den verschiedenen Phasen des Drehstroms beaufschlagten Heizwendeln besteht.For the sake of simplicity of illustration, it is shown in the figures as alternating voltage each shows a phase that is given to heating coil arrangements, which are also each represented by a single heating coil. In practice the electric water heater is operated with three-phase current, with each heating coil arrangement of at least three heating coils acted upon by the different phases of the three-phase current consists.
In Fig. 1 ist mit 10 der Durchlaufkanal eines elektrischen Durchlauferhitzers bezeichnet, der von einem Kaltwasseranschluß 12 zu einem Auslauf 14 führt. Am Auslauf ist ein Zapfventil 16 angeordnet. In dem Durchlaufkanal 10 sind strömungsmäßig hintereinandergeschaltet eine Heizwendelanordnung 18, eine Heizwendelanordnung 26 und eine Heizwendelanordnung 22 vorgesehen. Die Heizwendeln können die in Fig. 1 angegebenen Heizleistungen und 10 Kilowatt, 7,8 Kilowatt und 4,2 Kilowatt haben, so daß die gesamte Heizleistung des Durchlauferhitzers 22 Kilowatt beträgt. Die Heizwendelanordnung 18 stellt die erste Stufe der Heizleistung dar, die von einem auf den Wasserdurchfluß ansprechenden Schalter 24 mit dem Schaltkontakt 26 eingeschaltet wird, sobald der Wasserdurchfluß einen vorgegebenen Wert überschreitet.In Fig. 1, 10 is the flow channel of an electrical water heater which leads from a cold water connection 12 to an outlet 14. At the outlet a nozzle 16 is arranged. In the flow channel 10 are connected in series in terms of flow a heating coil assembly 18, a Heating coil assembly 26 and a Heating coil arrangement 22 is provided. The heating coils can be those indicated in FIG Have heating capacities and 10 kilowatts, 7.8 kilowatts and 4.2 kilowatts, so the total heating output of the water heater is 22 kilowatts. The heating coil arrangement 18 represents the first stage of the heating output, which is applied by one to the water flow responsive switch 24 with the switch contact 26 is turned on as soon as the Water flow exceeds a specified value.
Stromab von der eine zweite Stufe der Heizleistung repräsentierenden Heizwendelanordnung 20 ist ein erster Temperaturfühler 28 im Durchlaufkanal 10 angeordnet. Der Temperaturfühler 28 liefert einen Temperaturistwert für einen PID-Regler 30. Ein Temperatursollwert wird von einem Potentiometer 32 geliefert.Downstream of the representing a second stage of the heating power A first temperature sensor 28 is arranged in the heating coil arrangement 20 in the flow channel 10. The temperature sensor 28 supplies an actual temperature value for a PID controller 30. A temperature setpoint is provided by a potentiometer 32.
Der PID-Regler 30 schaltet über einen Triac mit Nullspannungsschalter 34 die zweite Stufe der Heizleistung.The PID controller 30 switches via a triac with zero voltage switch 34 the second stage of heating power.
Ein zweiter Temperaturfühler 36 ist im Auslauf 14 angeordnet.A second temperature sensor 36 is arranged in the outlet 14.
Er liefert einen Temperaturistwert für einen schalteneden PID-Regler 38. Der PID-Regler 38 erhält ebenfalls einen Sollwert von dem Potentiometer 32.It supplies an actual temperature value for a switching PID controller 38. The PID controller 38 likewise receives a setpoint value from the potentiometer 32.
Auf den PID-Regler 30 ist weiterhin die Differenz der mittleren Temperaturen aufgeschaltet, die von den Temperaturfühlern 36 und 28 gemessen werden.The difference between the mean temperatures is still on the PID controller 30 switched on, which are measured by the temperature sensors 36 and 28.
Der PID-Regler 30 ist so ausgelegt, daß er mit einer Schaltfrequenz von etwa 10 Schaltungen pro Minute arbeitet. Der PID-Regler 38 ist dagegen so ausgelegt, daß er etwa 100 Schaltungen pro Minute liefert.The PID controller 30 is designed to operate with a switching frequency of about 10 operations per minute works. The PID controller 38, on the other hand, is designed in such a way that that it delivers about 100 cycles per minute.
Durch die Heizwendelanordnung 20 wird eine zweite, relativ große Stufe der Heizleistung mit einer verhältnismäßig niedrigen Schaltfrequenz geschaltet. Die Schaltung der Heizleistung von 7,8 Kilowatt mit 10 Schaltungen pro Minute ist wegen der niedrigen Schaltfrequenz zulässig. Mit dieser zweiten Stufe erfolgt eine "Vorregelung" der Temperatur. Die geringe Leistung von 4,2 Kilowatt wird mit hoher Schaltfrequenz geschaltet. Sie braucht nur die Temperaturschwankungen herauszuregeln, die sich nach der Vorregelung durch den Regler 30 und die zweite Stufe noch ergeben. Wegen der geringen Heizleistung der dritten Stufe kann diese mit hoher Schaltfrequenz geschaltet werden, so daß sich im Auslauf 14 eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur ergibt, die mit hoher Genauigkeit einem gewünschten, am Potentiometer 32 eingestellten Sollwert entspricht.The heating coil arrangement 20 creates a second, relatively large step the heating power switched with a relatively low switching frequency. The switching of the heating output of 7.8 kilowatts with 10 switching operations per minute is permissible because of the low switching frequency. With this second stage one takes place "Pre-regulation" of the temperature. The minor one Output of 4.2 kilowatts is switched with a high switching frequency. You just need the temperature fluctuations out to regulate, which is after the pre-regulation by the controller 30 and the second Level still surrendered. Because of the low heating output of the third stage, this be switched with a high switching frequency, so that in the outlet 14 a substantially uniform temperature, which with high accuracy a desired, am Potentiometer 32 corresponds to the setpoint set.
In Fig. 2 ist mit 42 der Durchlaufkanal eines elektrischen Durchlauferhitzers bezeichnet, der wieder von einem Kaltwasseranschluß 44 zu einem Auslauf 46 verläuft, an welchem ein Zapfventil 48 vorgesehen ist. Die Heizleistung ist bei diesem Ausführungsbeispiel in vier Stufen unterteilt. Eine erste Stufe, repräsentiert durch eine Heizwendelanordnung 50 mit einer Heizleistung von 10 Kilowatt ist über einen auf den Wasserdurchfluß durch den Durchlaufkanal 42 ansprechenden Schalter 52 mit Schaltkontakt 54 fest einschaltbar, sobald ein vorgegebener Wasserdurchfluß durch den Durchlaufkanal 42 nach öffnen des Ventils 48 erreicht ist. Eine zweite und eine dritte Stufe im Auslauf 46 von je 3,9 Kilowatt sind durch die Heizwendelanordnungen 56 und 58 repräsentiert, die über ein Stellglied 60 eines stetigen PID-Reglers 62 in noch zu beschreibender Weise fest zuschaltbar sind. Eine vierte Stufe der Heizleistung ist durch eine auslaufseitig angeordnete Heizwendelanordnung 64 repräsentiert, die zur Temperaturregelung durch das Stellglied 60 ein- und ausschaltbar ist.In Fig. 2, 42 is the flow channel of an electrical flow heater denotes, which again runs from a cold water connection 44 to an outlet 46, on which a nozzle 48 is provided. The heating power is in this embodiment divided into four levels. A first stage, represented by a heating coil arrangement 50 with a heating power of 10 kilowatts is about one on the water flow through the flow channel 42 responsive switch 52 with switching contact 54 fixed can be switched on as soon as a predetermined water flow through the flow channel 42 after opening the valve 48 is reached. A second and a third stage in the outlet 46 of 3.9 kilowatts each are represented by heating coil arrangements 56 and 58, via an actuator 60 of a continuous PID controller 62 in yet to be described Way are permanently switchable. A fourth stage of the heating output is through an outlet side arranged heating coil arrangement 64 represents the temperature control by the actuator 60 can be switched on and off.
Im Auslauf 46 ist ein Temperaturfühler 66 angeordnet, der einen Temperaturistwert für den PID-Regler 62 liefert. Ein Temperatursollwert wird von einem Potentiometer 68 vorgegeben.A temperature sensor 66 is arranged in the outlet 46, which provides an actual temperature value for the PID controller 62 delivers. A temperature setpoint is provided by a potentiometer 68 specified.
Das Stellglied 60 ist in Fig. 3 im einzelnen dargestellt. An einem Eingang 70 des Stellglied 60 liegt das Ausgangssignal des PID-Reglers. Dieses Ausgangssignal ist parallel auf die Eingänge dreier Komparatoren 72,74,76 geschaltet. An dem Komparator 72 liegt ein erstes Referenzsignal 78. Ein zweites Rererenzsignal liegt an einem Eingang 80 des zweiten Komparators 74. Vom Ausgang des Komparators 72 ist eine Schaltstufe 82 zum Einschalten der zweiten Stufe der Heizleistung (Heizwendel 56) steuerbar. Vom Ausgang des Komparators 74 ist eine Schaltstufe 84 zur Steuerung der dritten Stufe der Heizleistung (Heizwendel 58) steuerbar. Als Referenzspannung an dem dritten Komparator 76 dient das Signal eines Dreieckgenerators 86. Der Referenzspannung werden außerdem über Leitungen 88 und 90 die Ausgangssignale der Komparatoren 72 und 74 überlagert.The actuator 60 is shown in detail in FIG. On one Input 70 of actuator 60 is the output signal of the PID controller. This output signal is connected in parallel to the inputs of three comparators 72,74,76. At the comparator 72 is a first reference signal 78. A second Reference signal is at an input 80 of the second comparator 74. From the output of the comparator 72 is a switching stage 82 for switching on the second stage of the heating power (heating coil 56) controllable. From the output of the comparator 74 is a switching stage 84 for control the third stage of the heating power (heating coil 58) controllable. As a reference voltage the signal of a triangle generator 86 is used at the third comparator 76. The reference voltage The output signals of the comparators 72 are also output via lines 88 and 90 and 74 superimposed.
Der Ausgang des Komparators 76 steuert über je einen Nullspannungsschalter 92,94,96 und je einem Triac 98,100,102 die drei Phasen R,S,T des Drehstroms für die Heizwendelanordnung 64.The output of the comparator 76 controls one zero voltage switch each 92,94,96 and one triac 98,100,102 each, the three phases R, S, T of the three-phase current for the heating coil arrangement 64.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Der Dreieckgenerator 86 in Verbindung mit dem Komparator 76 bildet einen Pulsbreitenmoulator. Das Ausgangssignal des stetigen PID-Reglers 62 wird in eine stetig variable Pulsbreite umgesetzt. Je nach der Höhe des Signals 70 wird das Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer der Heizleistung der vierten Stufe verändert und damit die mittlere Heizleistung, die von der Heizwendelanordnung 64 abgegeben wird. Die Schaltfrequenz wird durch den Dreieckgenerator 86 fest vorgegeben und kann relativ hoch sein, beispielsweise 100 Schaltungen pro Minute betragen. Wenn das Ausgangssignal des PID-Reglers 62 einen durch die Referenzspannung am Eingang 78 des Komparators 72 vorgegebenen Grenzwert überschreitet, was andeutet, daß die von der Heizwendelanordnung 64 gelieferte Heizleistung nicht ausreicht, die gewünschte Auslauftemperatur herzustellen, dann wird über die Schaltstufe 82 die zweite Stufe der Heizleistung mit der Heizwendel 56 eingeschaltet.The arrangement described works as follows: The triangle generator 86 in conjunction with the comparator 76 forms a pulse width moulator. The output signal of the continuous PID controller 62 is converted into a continuously variable pulse width. Ever the ratio between the switch-on time and the switch-off time is determined by the level of the signal 70 the heating output of the fourth stage changes and thus the average heating output, which is emitted by the heating coil arrangement 64. The switching frequency is through the triangle generator 86 is fixed and can be relatively high, for example 100 switchings per minute. When the output of the PID controller 62 a limit value predetermined by the reference voltage at the input 78 of the comparator 72 exceeds, which indicates that the heating power supplied by the heating coil arrangement 64 is not sufficient to produce the desired outlet temperature, then the Switching stage 82 the second stage of the heating power with the heating coil 56 switched on.
Diese zugeschaltete Heizleistung wird gleichzeitig dadurch berücksichtigt, daß über Leitung 88 das Ausgangssignal des Komparators 72 dem Referenzsignal des Dreieckgenerators 86 überlagert wird. Die vierte Stufe der Heizleistung mit Heizwendelanordnung 64 braucht dann nur noch den Restbetrag der Heizleistung aufzubringen, der zum Erreichen des Temperatursollwerts im Auslauf 46 erforderlich ist. Reicht auch die Zuschaltung der Heizwendelanordnung 56 zum Erreichen des Temperatursollwerts nicht aus, dann überschreitet das Ausgangssignal des PID-Reglers 62 auch das Referenzsignal am Eingang 80 des Komparators 84, wodurch über die Schaltstufe 84 auch die dritte Stufe der Heizleistung über die Heizwendelanordnung 58 zugeschaltet wird. Auch diese Zuschaltung wird über Leitung 90 durch ein entsprechendes Anheben des Referenzsignals am Komparator 76 berücksichtigt.This switched-on heating power is taken into account at the same time, that via line 88 the output signal of the comparator 72 corresponds to the reference signal of the Triangle generator 86 is superimposed. The fourth level of heating power with Heating coil arrangement 64 then only needs to raise the remaining amount of heating power required to achieve it of the temperature setpoint in outlet 46 is required. The connection is also sufficient the heating coil assembly 56 to achieve the temperature setpoint is not off, then If the output signal of the PID controller 62 also exceeds the reference signal at the input 80 of the comparator 84, whereby the third stage of the Heating power is switched on via the heating coil arrangement 58. This connection too is generated via line 90 by a corresponding increase in the reference signal at the comparator 76 taken into account.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind in einem Durchlaufkanal 104 des Durchlauferhitzers, der wieder von einem Kaltwasseranschluß 106 zu einem Auslauf 108 verläuft und in dessen Auslauf ein Zapfventil 110 angeordnet ist, drei strömungsmäßig hintereinander geschaltete Heizwendelanordnungen 112,114,116 angeordnet. Die Heizwendelanordnung 112 repräsentiert wieder eine Grundstufe der Heizleistung, die von einem auf den Durchfluß durch den Durchlaufkanal 104 ansprechenden Schalter 118 mit Schaltkontakt 120 fest eingeschaltet wird, sobald der Durchfluß durch den Durchlaufkanal 104 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Heizwendelanordnung 114 repräsentiert in noch zu erläuternder Weise eine zweite und dritte Stufe der Heizleistung, die zuschaltbar sind, wenn die über die vierte Stufe mit der Heizwendelanordnung 116 erfolgende Temperaturregelung nicht ausreicht, um am Auslauf 108 die gewünschte Auslauftemperatur zu erzielen.In the embodiment of FIG. 4 are in a flow channel 104 of the water heater, which again from a cold water connection 106 to a Runs outlet 108 and in the outlet of which a nozzle 110 is arranged, three Heating coil arrangements 112, 114, 116 arranged one behind the other in terms of flow. The heating coil arrangement 112 again represents a basic level of heating power, that of a switch responsive to the flow through the passageway 104 118 with switching contact 120 is firmly switched on as soon as the flow through the Passage channel 104 exceeds a predetermined value. The heating coil arrangement 114 represents, in a manner to be explained, a second and third stage of the Heating output that can be switched on when the fourth stage with the heating coil arrangement 116 taking place temperature control is not sufficient to at the outlet 108 the desired To achieve outlet temperature.
Im Auslauf 108 ist ein Temperaturfühler 122 angeordnet, der einen Temperaturistwert für einen stetigen PID-Regler 124 liefert. Der Temperatursollwert des PID-Reglers 124 wird wieder durch ein Potentiometer 126 vorgegeben. Das Ausgangssignal des PID-Reglers 124 wird auf einen Eingang 126 eines Stellgliedes 128 gegeben, welches die Heizleistungen auf die Heizwendelanordnung 114 und 116 aufschaltet.In the outlet 108, a temperature sensor 122 is arranged, the one Provides actual temperature value for a continuous PID controller 124. The temperature setpoint of the PID controller 124 is again specified by a potentiometer 126. The output signal of the PID controller 124 is applied to an input 126 of an actuator 128, which switches on the heating power to the heating coil arrangement 114 and 116.
Das Stellglied 128 ist in Fig. 5 dargestellt.The actuator 128 is shown in FIG.
Das Stellglied 128 weist wieder drei Komparatoren 130,132 und 134 auf, denen parallel das am Ausgang 126 des PID-Reglers 124 erscheinende Ausgangssignal zugeführt wird. Die Komparatoren 130 und 132 erhalten an Eingängen 136 bzw. 138 abgestufte Referenzsignale. Als Referenzsignal für den Komparator 134 dient das Ausgangssignal eines Dreieckgenerators 140. Wie bei der Ausführung nach Fig. 3 sind die Ausgangssignal der Komparatoren 130 und 132 über Leitungen 142 bzw. 144 dem Ausgangssignal des Dreiecksgenerators 144 als Referenzspannungen für den Komparator 134 überlagert. Der Ausgang des Komparators 134 steuert, ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 über Nullspannungsschalter 146,148 und 150 und Triac 152,154, 156 die drei Phasen R,S,T, die der Heizwendelanordnung 116 zugeführt werden.The actuator 128 again has three comparators 130, 132 and 134 to which the output signal appearing at the output 126 of the PID controller 124 in parallel is fed. Comparators 130 and 132 receive inputs 136 and 138, respectively graded reference signals. This serves as the reference signal for the comparator 134 Output of a triangle generator 140. As in the embodiment of FIG the outputs of comparators 130 and 132 on lines 142 and 144, respectively Output signal of triangle generator 144 as reference voltages for the comparator 134 superimposed. The output of the comparator 134 controls similarly to the embodiment 3 via zero voltage switches 146,148 and 150 and triac 152,154, 156 the three phases R, S, T, which are fed to the heating coil arrangement 116.
Die Ausgangssignal der Komparatoren 130 und 132 liegen an je einem Eingang B bzw. C einer Logikschaltung 158 an. An einem Eingang A der Logikschaltung 158 liegt eine Rechteckspannung, die dadurch erhalten wird, daß die Netzspannung durch eine Schaltstufe 160 in eine Rechteckspannung umgesetzt und durch einen Binärteiler 162 in eine Rechteckspannung von der halben Netzfrequenz umgesetzt wird. Diese letztere Rechteckspannung liegt am Eingang A der Logikschaltung 158.The output signals of the comparators 130 and 132 are each at one Input B or C of a logic circuit 158. At an input A of the logic circuit 158 is a square wave voltage, which is obtained by the fact that the line voltage converted into a square wave voltage by a switching stage 160 and by a binary divider 162 is converted into a square wave voltage of half the line frequency. This latter Square-wave voltage is applied to input A of logic circuit 158.
Das Ausgangssignal der Logikschaltung 158 steuert über Nullspannungsdetektoren 160,162 und 164 und Triacs 166,168, 170 die Stromzufuhr zu der Heizwendelanordnung 114.The output of logic circuit 158 controls zero voltage detectors 160,162 and 164 and triacs 166,168, 170 supply power to the heating coil assembly 114.
Die Logikschaltung ist in Fig. 6 im einzelnen dargestellt. Die beiden Eingänge A und B'liegen gemeinsam an einem UND-Glied 172. Der Ausgang des UND-Gliedes 172 liegt an einem Eingang eines ODER-Gliedes 174. Der zweite Eingang des ODER-Gliedes 174 wird von dem Eingang C der Logikschaltung 158 gebildet. Der Ausgang des ODER-Gliedes 174 bildet den Ausgang der Logikschaltung, der an den Nullspannungsschalter 160,162 und 164 anliegt.The logic circuit is shown in detail in FIG. The two Inputs A and B 'are common to an AND element 172. The output of the AND element 172 is at one input of an OR gate 174. The second input of the OR gate 174 is formed by the input C of the logic circuit 158. The output of the OR gate 174 forms the output of the logic circuit, which is sent to zero voltage switch 160, 162 and 164 is present.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Über die Heizwendelanordnung 116 wird in der in Zusammenhang mit Fig. 3 schon beschriebenen Weise eine Heizleistung von 4,2 Kilowatt mit einem Pulsbreitenverhältnis ein- und ausgeschaltet, das direkt proportional dem Ausgangssignal des Reglers 124 ist. Die Schaltfrequenz beträgt wieder 100 Schaltungen pro Minute. Wenn durch die über die Heizwendelanordnung 116 zugeführte Heizleistung der Temperatursollwert im Auslauf 108 nicht erreicht werden kann, dann treten Ausgangssignale am Regler 124 auf, die entweder nur den Komparator 130 oder sowohl den Komparator 130 als auch den Komparator 132 zum Ansprechen bringen. Wenn keiner der Komparatoren 130 und 132 anspricht, dann schaltet die Logikschaltung keine Heizleistung auf die Heizwendelanordnung 114. Spricht nur der Komparator 130 an, dann wird jeder zweite Wellenzug der Wechselspannung zu der Heizwendelanordnung 114 durchgelassen. Bei Ansprechen beider Komparatoren 130 und 132 wird die volle Wechselspannung auf die Heizwendelanordnung 114 gegeben. Die Heizleistung der Heizwendelanordnung 114 ist daher zwischen der maximalen Heizleistung von 7,8 Kilowatt, der halben Heizleistung von 3,9 Kilowatt und der Heizleistung 0 umschaltbar, je nach dem Ansprechen der Komparatoren 130 und 132.The arrangement described works as follows: Via the heating coil arrangement 116 becomes a heating power in the manner already described in connection with FIG. 3 of 4.2 kilowatts with a pulse width ratio on and off that directly is proportional to the output signal of the controller 124. The switching frequency is again 100 switchings per minute. If by the heating coil arrangement 116 supplied heating power, the temperature setpoint in outlet 108 cannot be reached can, then output signals occur at the controller 124, which either only the comparator 130 or both the comparator 130 and the comparator 132 to respond. If neither of the comparators 130 and 132 responds, then the logic circuit switches No heating power to the heating coil arrangement 114. Only the comparator 130 speaks on, then every second wave train of the alternating voltage is sent to the heating coil arrangement 114 let through. When both comparators 130 and 132 respond, the full AC voltage is applied to the heating coil arrangement 114. The heating power of the heating coil arrangement 114 is therefore between the maximum heating output of 7.8 kilowatts, half the heating output of 3.9 kilowatts and the heating output 0 switchable, depending on the response of the Comparators 130 and 132.
An dem Eingang A liegt eine Rechteckspannung mit einer Frequenz, die der halben Netzfrequenz entspricht. Sind die Signale an den Eingängen B und C beide 0, dann ist auch der Ausgang des UND-Gliedes 172 im Zustand 0, und auch das ODER-Glied 174 liefert das Ausgangssignal 0. Es wird dann kein Triac 166,168,170 hindurchgesteuert. Ist nur das Ausgangssignal des Komparators 130 "L", also logisch 1, dann erscheint am Ausgang des UND-Gliedes 172 eine Rechteckspannung von der halben Netzfreuenz. Es wird somit jeweils abwechselnd eine Periode der Wechselspannung durchgelassen und die nächste Periode gesperrt Wenn auch der Komparator 132 anspricht. dann liegt an dem Eingang C ständig das Signal "L", so daß das ODER-Glied 174 ständig das Ausgangssignal "L" liefert. Dann werden alle Perioden der Wechselspannung durchgeschaltet.At the input A is a square wave voltage with a frequency that corresponds to half the network frequency. Are the signals at inputs B and C both 0, then the output of the AND element 172 is also in the 0 state, as is the OR element 174 supplies the output signal 0. No triac 166,168,170 is then passed through. If only the output signal of the comparator 130 is "L", that is to say logical 1, then appears at the output of the AND element 172 a square-wave voltage of half the mains frequency. One period of the alternating voltage is thus allowed to pass alternately in each case and the next period blocked if the comparator 132 responds as well. then lies to the Input C constantly the signal "L", so that the OR gate 174 constantly supplies the output signal "L". Then all the periods of alternating voltage switched through.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 verbindet ein Durchlaufkanal 176 einen Kaltwasseranschluß 178 und einen Auslauf 280, in welchem ein Zapfventil 182 angeordnet ist. Im Durchlaufkanal liegen strömungsmäßig hintereinander eine Heizwendelanordnung 184 und eine Heizwendelanordnung 186. Die Heizwendelanordnung 184, welche eine Grundstufe der Heizleistung von 10 Kilowatt repräsentiert ist in üblicher Weise bei Erreichen eines vorgegebenen Durchflusses über einen Kontakt 188 fest einschaltbar.In the embodiment according to FIG. 7, a flow channel 176 connects a cold water connection 178 and an outlet 280 in which a nozzle 182 is arranged. A heating coil arrangement is arranged one behind the other in terms of flow in the flow channel 184 and a heating coil arrangement 186. The heating coil arrangement 184, which is a basic stage the heating power of 10 kilowatts is represented in the usual way when it is reached of a predetermined flow rate can be permanently switched on via a contact 188.
Im Auslauf 180 ist ein Temperaturfühler 190 angeordnet, der einen Temperaturistwert für einen stetigen PID-Regler 192 liefert. Der Temperatursollwert des PID-Reglers 192 wird wieder von einem Potentiometer 194 geliefert. Das Ausgangssignal am Ausgang 196 des PID-Reglers liegt an einem Stellglied 198 an.In the outlet 180, a temperature sensor 190 is arranged, the one Supplies the actual temperature value for a continuous PID controller 192. The temperature setpoint of the PID controller 192 is again supplied by a potentiometer 194. The output signal An actuator 198 is present at the output 196 of the PID controller.
Das Stellglied 198 ist in Fig. 8 näher dargestellt.The actuator 198 is shown in more detail in FIG.
Das Stellglied 198 enthält m Komparatoren 200.1... 200.m-1 und 200.m. Die Ausgangsspannung am Ausgang 196 des PID-Reglers 192 liegt parallel an allen Komparatoren 200.1 bis 200.m an.The actuator 198 contains m comparators 200.1 ... 200.m-1 and 200.m. The output voltage at output 196 of PID controller 192 is parallel across all of them Comparators 200.1 to 200.m.
Gestufte Referenzspannungen liegen an Eingängen 202.1... 202.m-1 der Komparatoren 200.1 bis 200.m-1 an. An dem Eingang 202.m des Komparators 200.m liegt ein Dreieckgenerator 204.Stepped reference voltages are available at inputs 202.1 ... 202.m-1 of the Comparators 200.1 to 200.m-1. Is at the input 202.m of the comparator 200.m a triangle generator 204.
Der Referenzspannung von dem Dreieckgenerator 204 sind über Leitungen 206.1 bis 206.m-1 die Ausgangssignale der Komparatoren 200.1 bis 200.m-1 überlagert.The reference voltage from the triangle generator 204 are via leads 206.1 to 206.m-1 are superimposed on the output signals of the comparators 200.1 to 200.m-1.
Die Ausgänge der Komparatoren 200.1 bis 200.m liegen an einer Logikschaltung 208 an. Die Logikschaltung 208 erhält außerdem die m Ausgänge eines Dualzählers 210 mit m Flip-Flops. Die Netzspannung wird in einer Gleichrichter- und Schaltstufe 212 gleichgerichtet und in eine Rechteckspannung der doppelten Netzfrequenz umgesetzt. Diese Rechteckspannung ist auf den Dualzähler geschaltet.The outputs of the comparators 200.1 to 200.m are connected to a logic circuit 208 at. The logic circuit 208 also receives the m outputs of a binary counter 210 with m flip-flops. the Mains voltage is supplied in a rectifier and switching stage 212 rectified and converted to a square-wave voltage of twice the line frequency implemented. This square wave voltage is switched to the dual counter.
Das Ausgangssignal der Logik schaltung 208 steuert über Nullspannungsschalter 214,216,218 und Triacs 220,222 und 224 die drei Phasen R,S,T des Drehstroms, der auf die Heizwendelanordnung 186 geschaltet ist.The output of logic circuit 208 controls zero voltage switches 214,216,218 and triacs 220,222 and 224 the three phases R, S, T of the three-phase current, the is connected to the heating coil arrangement 186.
Die Nullspannungsschalter 214,216,218 und Triacs 220,222, 224 werden von der Logischaltung 208 so gesteuert, daß zur Temperaturregelung in Abhängigkeit vom Ausgang des Pulsbreit:enmodulators, der von dem Komparator 200.m in Verbindung mit dem Dreieckgenerator 204 gebildet ist, eine Umschaltung zwischen zwei aufeinanderfolgenden, durch je eine Folge von Wellenzügen der Wechselspannung bestimmten Stufen der Heizleistung erfolgt.The zero voltage switches 214,216,218 and triacs 220,222, 224 are controlled by the logic circuit 208 so that for temperature control as a function of from the output of the pulse width modulator, that of the comparator 200.m in connection is formed with the triangle generator 204, a switchover between two successive, by a sequence of wave trains of the alternating voltage determined stages of the heating power he follows.
In Fig. 9 sind für m=3 die in den Stufen O,I,II und III der Heizleistung auf die Heizwendelanordnung 86 gegebenen Wellenzüge der Wechselspannung dargestellt. In der Stufe 0 wird keine Wechselspannung auf die Heizwendelanordnung 186 gegeben.In FIG. 9, for m = 3, those in stages O, I, II and III of the heating power are shown Shown on the heating coil assembly 86 given wave trains of the alternating voltage. In stage 0, no alternating voltage is applied to the heating coil arrangement 186.
In der Stufe I wird jede dritte Halbwelle auf die Heizwendelanordnung durchgeschaltet. Wie man sieht, ist dabei jeweils eine Halbwelle positiv und die nächste Halbwelle negativ, so daß der Gleichstrommittelwert, wie erforderlich, verschwindet.In stage I, every third half-wave is applied to the heating coil arrangement switched through. As you can see, one half-wave is positive and the next half-wave negative, so that the DC mean value disappears as required.
In der Stufe II wird jeweils eine Periode der Wechselspannung auf die Heizwendelanordnung 186 durchgeschaltet. Dann wird eine Halbwelle gesperrt und anschließend wieder eine volle Periode durchgeschaltet. Auch hier ist der Gleichstrommittelwert 0. In der III Stufe schließlich ist die volle Heizleistung auf die Heizwendelanordnung 186 geschaltet. Der Pulsbreitenmodulator 200.m,204 bewirkt nun mit dem Pulsbreitenverhältnis, daß durch das Ausgangssignal des PID-Reglers 192 bestimmt ist, die Heizleistung zwischen jeweils zwei benachbarten Stufen umgeschaltet wird, also beispielsweise zwischen Stufe I und Stufe II. Zwischen welchen Stufen diese Umschaltung erfolgt wird bestimmt davon, welche der Komparatoren 200.1 bis 200.m-1 angesprochen haben.In stage II, one period of the alternating voltage is applied the heating coil arrangement 186 is switched through. Then a half-wave is blocked and then switched through again for a full period. Here, too, is the mean DC value 0. Finally, in the III stage, the full heating power is applied to the heating coil arrangement 186 switched. The pulse width modulator 200.m, 204 now effects with the pulse width ratio, that is determined by the output signal of the PID controller 192, the heating power is switched between two adjacent stages, so for example between level I and level II. Between which levels this changeover takes place will determines which of the comparators 200.1 to 200.m-1 have responded.
Wenn die Heizwendelanordnung 186 für eine Leistung von 12,6 Kilowatt ausgelegt ist, dann ergeben sich Stufen der Heizleistung von 0 Kilowatt, 4,2 Kilowatt, 8,4 Kilowatt und 12,6 Kilowatt. Insgesamt ist die maximale Heizleistung des Durchlauferhitzers wieder etwa 22 Kilowatt. Mit der hohen Schaltfrequenz von 100 Schaltungen pro Minute wird jedoch in jedem Fall nur eine kleine Leistung von 4,2 Kilowatt geschaltet.If the heating coil assembly 186 for an output of 12.6 kilowatts is designed, then there are stages of heating power of 0 kilowatts, 4.2 kilowatts, 8.4 kilowatts and 12.6 kilowatts. Overall is the maximum heating output of the instantaneous water heater again about 22 kilowatts. With the high switching frequency of 100 operations per minute however, only a small output of 4.2 kilowatts is switched in each case.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann auch die Heizwendelanordnung 184 weggelassen werden. Stattdessen kann die-Heizleistung der bei Heizwendelanordnung 186 bei m=5 z.B.In a further embodiment of the invention, the heating coil arrangement 184 can be omitted. Instead, the heating output can be that of the heating coil arrangement 186 at m = 5 e.g.
zwischen den Stufen O Kilowatt, 4,4 Kilowatt, 8,8 Kilowatt, 13,2 Kilowatt, 17,6 Kilowatt und 22 Kilowatt geschaltet werden.between the levels O kilowatt, 4.4 kilowatt, 8.8 kilowatt, 13.2 kilowatt, 17.6 kilowatts and 22 kilowatts can be switched.
Die Schaltung der Leistung mit einer kleinen Subharmonischen der Netzfrequenz, wie dies in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 und 7 geschieht, ist so schnell, daß sie nicht als Flimmern an einer Lampe in Erscheinung tritt. Der Oberwellengehalt, der durch das Weglassen von Halbwellen auftritt, hält sich bei der Schaltung jeweils im Nulldurchgang in tragbaren Grenzen.The switching of the power with a small subharmonic of the mains frequency, as it happens in the embodiments according to FIGS. 4 and 7, is so fast that it does not appear as a flicker on a lamp. The harmonic content, which occurs due to the omission of half-waves, remains with the circuit in each case in the zero crossing within acceptable limits.
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