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Verfahren zum Steuern der Auslauftemperatur eines elektrischen
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Durchlauferhitzers Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Steuern der Auslauftemperatur eines elektrischen Durchlauferhitzers
durch Leistungssteuerung gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1,
3 und 7.
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Es ist bekannt, elektrische Durchlauferhitzer zur Beheizung von kaltem
Brauchwasser einzusetzen, wobei diese Durchlauferhitzer entweder einphasig oder
dreiphasig betrieben werden können. Im einfachsten Fall ist bei einphasigem Betrieb
ein einziger Widerstand vorhanden, der von einem Wasserschalter bei Wasserdurchsatz
an die Spannung des speisenden Netzes gelegt wird. Die Maximalleistung des Durchlauferhitzers
ist damit durch den Widerstandswert des Widerstandes und die angelegte Spannung
definiert.
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Bei einem an einem Dreiphasensystem liegenden Durchlauferhitzer sind
in der Regel drei gleiche Widerstände an die Außenleiter des speisenden Netzes angeschlossen,
die Leistung des Durchlauferhitzers ergibt sich hier analog aufgrund der Widerstandswerte
und der anliegenden Dreiphasenspannung.
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Es hat sich gezeigt, daß die Leistung eines solchen Durchlauferhitzers
häufig zu klein oder auch bei geringem Zapfwasserdurchsatz zu groß ist.
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Zur Anpassung der Leistung ist schon vorgeschlagen worden, Widerstände
mit Phasenanschnittsteuerung oder mit Schwingungspaketsteuerung zu betreiben. Die
Phasenanschnittsteuerung ist bei Elektrowärmegeräten oberhalb einer bestimmten Leistung
nicht zugelassen, die Schwingungspaketsteuerung führt bei der Anwendung auf große
Leistungen generell zu einem unbefriedigenden Regelverhalten, wenn man die Bestimmungen
über die Netzrückwirkungen einhalten will.
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Aus diesem Grunde liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Auslauftemperatur
bei einem elektrischen Durchlauferhitzer auf zeitlich konstante aber einstellbare
Werte zu steuern.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt~erfindungsgemä durch ,wkwnnzweicbeesien
v Merkmale der Rebengeardneten-Ansprüche 1 und 3 sowie 7.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche und gehen weiter aus der
nachfolgenden Beschreibung hervor, die Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
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Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel anhand einer elektrischen
Schaltung zur Erläuterung des ersten Prinzips der Erfindung, Figur 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des zweiten Prinzips der Erfindung, Figur 3
Diagramme zur Erläuterung der Schaltung nach Figur 1, Figur 4 Diagramme zur Erläuterung
der Schaltung nach Figur 2, Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form einer
Schaltung für einen Durchlauferhitzer und Figur 6 Diagramme zur Erklärung des Ausführungsbeispieles
nach Figur 5.
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Die Figur 1 zeigt einen elektrischen Durchlauferhitzer in einer Einfachstausführung.
Es ist ein Durchlaufkanal 3 vorgesehen, in den ein elektrischer Widerstand R1 in
Form einer Blankdrahtwendel mit einer Länge L1 und einem bestimmten Widerstandswert
so angeordnet ist, daß er vom durchfließenden Medium, insbesondere Wasser, umspült
ist.
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Der Querschnitt des Kanals ist mit A bezeichnet, er ist über die Durchflußlänge
konstant. Aufgrund des treibenden Wassernetzdruckes entsteht in Richtung des Pfeiles
4 ein Durchsatz D, der einem bestimmten Volumen bezogen auf die Zeit t entspricht.
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Bei vorgegebenem Kanalquerschnitt A und vorgegebenem Durchsatz D resultiert
nach der Beziehung (1) V = A eine bestimmte Durchflußgeschwindigkeit V.
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Wenn im folgenden auf die Durchflußgeschwindigkeit abgestellt ist,
könnte nach Maßgabe der Gleichung 1 ebensogut durch Umstellung auf den Kanalquerschnitt
und auf den Durchsatz abgestellt werden.
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Die beiden Enden des Widerstandes 5 und 6 sind über Zuleitungen 7
und 8 mit einer Speisespannungsquelle L1 und N verbunden, wobei in der Zuleitung
8 ein Schalter, vorzugsweise ein Triac V1 angeordnet ist, der eine Steuerelektrode
9 aufweist. Es besteht auch die Möglichkeit, die Zuleitungen 7 und 8 an zwei Außenleiter
eines Drehspannungsnetzes oder an ein Gleichspannungsnetz anzulegen. Die Steuerelektrode
9 ist an eine Schwingungspaketsteuerung 10 angeschlossen.
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Die Figur 2 zeigt ein weiter verfeinertes Ausführungsbeispiel basierend
auf den Oberlegungen zu Figur 1. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß
ein weiterer Widerstand R2 dem Widerstand R1 im Kanal 3 vorgeschaltet ist, sodaß
das zu erwärmende Wasser zunächst den Widerstand R2 umspült und anschließend den
Widerstand R1. Der Widerstand R2 ist gleichermaßen als Blankdrahtwiderstandswendel
ausgebildet, er weist einen bestimmten Widerstandswert und eine Länge L2 auf. Die
beiden Widerstände sind durch den Abstand LV voneinander getrennt. Der Kanalquerschnitt
A, die Durchflußgeschwindigkeit und der Durchsatz ergeben sich gemäß den Beziehungen
zu Figur 1. Der Widerstand R2 weist einen Anfang 11 und ein Ende 12 auf, wobei der
Anfang 11 über eine Zuleitung mit der Leitung 7 und das Ende 12 über einen weiteren
Triac V2 mit der Zuleitung 8 verbunden sind. Die beiden Steuerelektroden 9 bzw.
13 der Triacs sind mit der Schwingungspaketsteuerung 10 verbunden.
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Für die Schaltungen nach den Figuren 1 und 2 gilt noch folgendes:
Die Widerstände in beiden Figuren sind so ausgestaltet, daß die Widerstandsverteilung
linear über die Länge erfolgt. Die Schaltung nach Figur 2 kann abweichend von den
Leitern L1 und N eines Wechselspannungssystems auch an zwei oder drei Außenleitern
eines Dreiphasensystems oder an einer Gleichspannungsquelle betrieben werden.
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Wenn im folgenden von zeitlich konstanter Temperaturerhöhung gesprochen
wird, so bedeutet dies, daß zeitliche änderungen der Leistungen eingeschalteter
Widerstände, hervorgerufen durch die Netzfrequenz, unberücksichtigt bleiben.
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Bei Dauereinschaltuny des Widerstandes R1 entsteht an R1 die Leistung
P1.
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Die Temperaturerhöhung H1 wird dann am Punkt 1 im stationären Zustand,
bezogen auf den Einlaufpunkt 14
wobei CW die spezifische Wärmekapazität des Wassers ist.
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Entsprechendes gilt für die Dauereinschaltung des Widerstandes R2,
wodurch die Leistung P2 am Punkt 2 die Temperaturerhöhung, bezogen auf den Einlaufpunkt
14,
bewirkt.
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Bei Dauereinschaltung der Widerstände R1 und R2 entsteht im Punkt
1 im stationären Zustand die maximale Gesamttemperaturerhöhung (4) Hges max - H1
+ H2.
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Bei ausgeschaltetem Widerstand R2 entsteht beim Tasten des Widerstandes
R1 mit periodischer Schwingungspaketsteuerung ein zeitlicher Verlauf p1 der Leistung
und am Punkt 1 ein zeitlicher Verlauf der Temperaturerhöhung h1, bezogen auf die
Temperatur des Einlaufpunktes 14.
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Bei Tasten des Widerstandes R2 und ausgeschaltetem Widerstand R1 entsteht
ein Leistungsverlauf p2 und im Punkt 1 ein Temperaturerhöhungsverlauf h2. Beim Tasten
der Widerstände R1 und R2 findet im Punkt 1 eine Oberlagerung der Verläufe h1 und
h2 statt.
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Für die weitere Betrachung wird vorausgesetzt, daß sich die bei periodischer
Tastung ergebenden Zeitverläufe von h1 und h2 nur durch die lineare Aufteilung der
Widerstände R1 und R2 über die Längen L1 und L2 ergeben.
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Alle weiteren Einflüsse, wie Speicherwirkung des Wassers und des Widerstandsdrahtes
sowie Wärmeübergang in Durchflußrichtung und weitere Vermischungsvorgänge werden
nicht betrachtet. Die Verläufe h1 und h2 der Temperaturerhöhung bestehen dann aus
Stücken konstanter Temperaturerhöhung und/oder aus Stücken mit linearen Anstiegen
bzw. Abfällen.
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Entscheidend für die Zeitverläufe h1 und h2 im Punkt 1 sind die Periodendauern
tp und die Tastverhältnisse
der angewandten Schwingungspaketsteuerungen sowie die Durchflußzeiten tL über die
Längen L1 bzw. L2 der entsprechenden Teilwiderstände, allgemein gemäß
und die Durchflußzeit tV über die Länge LV zwischen den Teilwiderständen gemäß
Die Steigungen S der linearen Anstiege und Abfälle in den Verläufen h1 und h2 ergeben
sich allgemein zu
und sind unabhängig vom Durchsatz D.
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Der Mittelwert der am Punkt 1 überlagerten Temperaturerhöhungs-Verläufe
h1 und h2 ergibt sich allgemein zu Hges mit (9) Hges = H1. T1 + H2 T2' wobei T1
und T2 die entsprechend angewandten Tastverhältnisse für die Schwingungspaketsteuerung
der Widerstände R1 und R2 sind.
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In den Diagrammen der Figuren 3, 4 und 6 sind Zeitverläufe der Leistungen
p dargestellt, die sich bei Anwendung von Wechselspannung als Leistungsmittelwerte
über die Zeiten tein bzw. taus ergeben.
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Die dargestellten Temperaturerhöhungsverläufe h basieren auf diesen
Mittelwerten der Leistung. Die Periodendauer p ergibt sich jeweils aus t i + .
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ein taus.
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Figur 3 zeigt die Anwendung von Schwingungspaketsteuerung gemäß dem
ersten Prinzip der Erfindung auf die Schaltung gemäß Figur 1, wobei die Periodendauer
tp der Schwingungspaketsteuerung abhängig vom Durchsatz bzw. der Durchflußgeschwindigkeit
gemäß Gleichung (10) gewählt wird,
wobei m eine beliebige ganze Zahl ist und in diesem Falle L identisch mit der Länge
L1 ist.
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Im ersten Beispiel der Figur 3 ist insbesondere tp = tL gewählt. Dabei
entsteht bei einem Tastverhältnis von T = 1/2 beim ersten Einschalten ein linearer
Anstieg der Temperaturerhöhung h1 bis zum Grenzwert 15 von H1 1/2, wonach die Temperaturerhöhung
konstant diesen Wert beibehält.
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Im zweiten Beispiel ist ein verändertes Tastverhältnis angenommen
(z. B.
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von 1/4), wobei sich nach einem ersten linearen Anstieg von h1 ein
konstanter Wert 16 (z. B. von H1 1/4) ergibt.
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Im dritten Beispiel ist die Periodendauer tp halb so groß wie die
Zeit tL gewählt (m = 2). Dabei entstehen nach Beginn der Schwingungspaketsteuerung
während zweier Zeiten tein lineare Anstiege, wonach die Temperaturerhöhung wieder
einen zeitlich konstanten Verlauf mit dem Wert 17 entsprechend H1h1/2 aufweist.
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Aus Gleichung 10 läßt sich ableiten, daß bei vorgegebener Länge L
bzw.
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L1 des Widerstandes R bzw. R1 die Periodendauer tp der Schwingungspaketsteuerung
umgekehrt proportional zur Durchflußgeschwindigkeit V bzw.
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dem Durchsatz D des Mediums gesteuert wird.
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Es zeigt sich, daß bei der Anwendung von Schwingungspaketsteuerung
und Wahl der Periodendauer entsprechend der Beziehung (10) in einem Widerstand R
bzw. R1 im stationären Fall eine zeitlich konstante Temperaturerhöhung stattfindet.
Das bedeutet auch, daß auf einen oder mehrere Widerstände, die gleiche oder unterschiedliche
Widerstandswerte bzw.
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gleiche oder unterschiedliche Längen aufweisen können, bei Anwendung
von gleichen oder unterschiedlichen Schwingungspaketsteuerungen, wobei die Periodendauern
der angegebenen Beziehung (10) genügen, bei beliebigen Tastverhältnissen eine zeitlich
konstante gesamte Temperaturerhöhung erreicht wird.
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Bei Anwendung auf zwei oder mehr Widerstände sind die Abstände LV
zwischen den Widerständen ohne Bedeutung.
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Diese Ausführungen gelten insbesondere auch für die Anwendung von
Schwingungspaketsteuerungen auf die Widerstände R1 bzw. R2 nach Figur 2, wobei sich
der konstante Wert der Temperaturerhöhung gemäß Gleichung (9) ergibt und, wie auch
bei den anderen Ausführungsbeispielen, über die Tastverhältnisse einstellbar ist.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Schaltung bzw. die Ausführung
der Schwingungspaketsteuerung zunächst nur für einen bestimmten Kanalquerschnitt
des Durchlauferhitzers Gültigkeit hat. Weicht die bauliche Konstruktion des Durchlauferhitzers
ab oder wird die Steuerung für einen anderen Durchlauferhitzer angewandt, so ist
die Periodendauer der Schwingungspaketsteuerung dem jeweiligen aktuellen Kanalquerschnitt
anzupassen.
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Das bedeutet auch, daß bei Anwendung der Steuerung auf variable Durchsätze,
beispielsweise durch Androsseln des Zapfventils im Zuge des variierenden Uffnungsgrades
des Zapfventils, die Periodendauer der Schwingungspaketsteuerung fortlaufend zu
ändern ist.
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Die nun folgenden Ausführungen zu Figur 4 beziehen sich auf die Anwendung
des zweiten Prinzips der Erfindung auf das Schaltbild gemäß Figur 2, bei dem Voraussetzung
ist, daß wenigstens ein oder mehrere Abstände LV zwischen zwei oder mehreren Widerständen
vorhanden sind. In jedem Fall gilt, daß zwei oder mehr Widerstände im Durchflußweg
des Wassers oder sonstigen Mediums nacheinander liegen. Weiterhin müssen die Widerstände
so ausgebildet sein, so daß an ihnen bei Dauereinschaltung die gleichen Leistungen
entstehen (d. h. bei gleicher Versorgungsspannung müssen die Widerstandswerte gleich
sein) und daß sie gleiche Längen aufweisen.
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Bevorzugt sind sie als identische Blankdrahtwiderstandswendel ausgebildet.
Werden die Widerstände abweichend von Figur 2 an Versorgungsspannungen unterschiedlicher
Größe betrieben, so müssen die Widerstandswerte so ausgebildet sein, daß in den
Widerständen gleiche Leistungen bei Dauereinschaltung abfallen.
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Bei einer solchen Anordnung wird die Periodendauer umgekehrt proportional
zum Durchsatz gemäß Gleichung (11)
gewählt. Hierin bedeutet n die Anzahl der Widerstände. Auf alle Widerstände finden
hierbei Schwingungspaketsteuerungen mit gleicher Periodendauer tP Anwendung. Weiterhin
sind auch die Tastverhältnisse aller Schwingungspaketsteuerungen gleich.
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Die auf zwei benachbarte Widerstände angewandten Schwingungspaketsteuerungen
weisen eine Phasenverschiebung gegeneinander auf, die umgekehrt proportional zum
Durchsatz identisch mit der Zeit t entsprechend dem Abstand LV zwischen den Widerständen
gemäß Gleichung (7) gewählt wird, wobei die Schwingungspaketsteuerung des in Strömungsrichtung
nachfolgenden Widerstandes gegenüber der anderen um die Zeit t nacheilt.
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Das erste Beispiel zeigt Kurvenzüge der zeitlichen Verläufe der Leistungen
Pl und p2 bei einem Tastverhältnis von T = 1/2.
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Aus Pl resultiert am Punkt 1 ein Verlauf h1, aus p2 allein resultiert
am Punkt 2 ein Verlauf h22, der verzögert um die Zeit tL + tv den Verlauf h2 an
Punkt 1 ergibt. h1 und h2 überlagern sich am Punkt 1 zu dem Verlauf h, der zeitlich
konstant ist, wobei sich bei dem gewählten Tastverhältnis der Gesamtwert 18 von
Hges max 1/2 ergibt.
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Im zweiten Beispiel sind die Verhältnisse bei einem Tastverhältnis
von T = 1/8 angegeben. Es resultiert durch Oberlagerung ein zeitlich konstanter
Verlauf von h, der bei dem angegebenen Tastverhältnis einen gegenüber dem ersten
Beispiel kleineren Wert 19 von H ges max' 1/8 aufweist.
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Das dritte Beispiel zeigt eine Situation, in der angenommen ist, daß
der Durchfluß gegenüber dem ersten und zweiten Beispiel halbiert ist, wodurch bedingt
doppelt so große Zeiten tL bzw. tV vorliegen. Dies bedingt gegenüber dem ersten
und zweiten Beispiel verdoppelte Periodendauern tp P sowie eine doppelt so große
Phasenverschiebung zwischen den Schwingungspaketsteuerungen für R1 und R2.
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Bei dem gewählten Tastverhältnis von T = 1/4 ergibt die Oberlagerung
der Verläufe h1 und h2 den Verlauf 20 von h mit einem zeitlich konstanten Wert von
Hges max 1/4. Da die maximal mögliche Temperaturerhöhung H ges max vom Durchfluß
D abhängig ist, ergibt sich ein Gesamtwert 20, der identisch mit dem Gesamtwert
des ersten Beispieles (18) ist. Bei der Anwendung des Verfahrens muß der Durchsatz
bzw.
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die Durchflußgeschwindigkeit erfaßt werden und die Periodendauer tp
der Schwingungspaketsteuerungen bzw. die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungspaketsteuerungen
entsprechend eingestellt werden.
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Durch gleiche Variation des Tastverhältnisses T bei allen Schwingungspaketsteuerungen
wird die Gesamtleistung P ges zwischen den Werten O und Pges max feinstufig einstellbar,
wobei in allen Fällen die Temperaturerhöhung zeitlich konstant ist.
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Bei Anschluß der Schaltungen gemäß Figur 1 und 2 an eine Gleichspannungsversorgung
tritt anstelle der Schwingungspaketsteuerung eine Impul sbrei tensteuerung.
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Bei Anwendung von Schwingungspaketsteuerung und Schalten im Nulldurchgang
des Stromes sind nur diskrete Tastverhältnisse T möglich, so daß bei Vollwellensteuerung
die minimale Einschaltzeit bzw. die minimale Ausschaltzeit eine Netzperiode, bei
Halbwellensteuerung eine halbe Netzperiode beträgt.
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Damit ist die Leistung nicht kontinuierlich sondern feinstufig einstellbar,
wobei sich die Stufenweite aus der minimalen Einschaltdauer tejn bzw. der minimalen
Ausschaltdauer taus ergibt, die beispielsweise bei Vollwellensteuerung der Zeit
von einer Netzperiode (20 ms) entsprechen.
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Damit ist unter der Einschränkung des Schaltens im Strom-Nulldurchgang
bei beiden betrachteten Prinzipien nach Figur 3 bzw. Figur 4 im allgemeinen keine
exakte Anpassung der Periodendauern t entsprechend den Gleichungen 10 bzw. 11 sowie
beim betrachteten Prinzip nach Figur 4 im allgemeinen keine exakte Anpassung der
Phasenverschiebung entsprechend Gleichung 7 bei beliebigen angenommenen oder vorliegenden
Durchsätzen D möglich. Unter der Wahl der Periodendauer umgekehrt proportional zum
Durchsatz bzw. gemäß Gleichung 10 bzw. 11 bzw. der Wahl der Phasenverschiebung umgekehrt
proportional zum Durchsatz bzw. gemäß Gleichung 7 ist dann zu verstehen, daß die
nächstliegende mögliche Periodendauer bzw. Phasenverschiebung gewählt wird.
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Ergibt sich beispielsweise aus Gleichung 10 bzw. Gleichung 11 eine
Periodendauer von tp = 132 ms, so wird bei Schalten im Strom-Nulldurchgang und bei
Anwendung von Vollwellensteuerung bei der Netzfrequenz von 50 Hz die Periodendauer
tp = 140 ms (7 Netzperioden) gewählt.
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Entsprechendes gilt für die Wahl der Phasenverschiebung. Infolge nicht
exakt angepaßter Periodendauern bzw. Phasenverschiebungen entstehen geringfügige
zeitliche änderungen der Temperaturerhöhung.
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Gegenüber der Anwendung von Schwingungspaketsteuerung auf einen einzelnen
Widerstand entsprechend großer Leistung ergibt die Anwendung der Erfindung bei der
Verwendung mehrerer Widerstände kleinerer Leistung wesentlich geringere Netzrückwirkungen
(Flicker), da bei der Anwendung der Erfindung zu diskreten Zeiten immer nur ein
kleinerer Widerstand ein- bzw. ausgeschaltet wird. Es hat sich gezeigt, daß die
Netzrückwirkungen (Flicker) bei Anwendung der Erfindung besonders klein werden,
wenn auf die Widerstände Schwingungspaketsteuerungen gleicher Periodendauer und
gleichen Tastverhältnisses angewandt werden und die Phasenverschiebungen
zwischen
den Schwingungspaketsteuerungen identisch der Einschaltzeit tein bzw. identisch
der Ausschaltzeit taus gewählt werden.
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Zur Auswahl eines der Prinzipien entsprechend Figur 3 oder Figur 4
für einen konkreten Anwendungsfall gilt folgendes: Das Verfahren nach Figur 3 läßt
allgemeinere Realisierungen zu, da die Widerstände hinsichtlich ihrer Größe bzw.
der geometrischen Ausführung unterschiedlich sein können und auf die Widerstände
auch Schwingungspaketsteuerungen nicht identischer Periodendauern anwendbar sind.
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Bedingt durch die relativ kurzen Periodendauern tp entstehen andererseits
relativ große Netzrückwirkungen, wodurch sich die erzielbare maximale Leistung entsprechend
begrenzt.
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Bei dem Verfahren gemäß Figur 4 bestehen Einschränkungen hinsichtlich
der Ausführung der Widerstände, da alle Widerstände hinsichtlich der darstellbaren
Leistungen und der Abmessungen gleich ausgeführt sein müssen. Weiterhin müssen die
Schwingungspaketsteuerungen der Widerstände alle die gleiche Periodendauer tp aufweisen.
Da aber gegenüber dem Verfahren nach Figur 3 die Periodendauern tP größer sind,
entstehen vergleichsweise kleinere Netzrückwirkungen, welches zu größeren erzielbaren
Gesamtleistungen führt.
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Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist ein Durchlauferhitzer unterstellt,
der drei gleich große Widerstände R1, R2 und R3 aufweist, die im Durchflußkanal
3 in Serie miteinander liegen.
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Die Widerstände weisen wirksame Längen L1, L2 und L3 auf, die, wie
auch deren Abstände Lv, gleich sind. Es sei darauf hingewiesen, daß bei Anwendung
des ersten Prinzips nach Figur 3 weder die Widerstände noch ihre Länge noch die
Abstände zwischen ihnen gleich sein müssen.
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Am Anfang 14 des Durchflußkanals ist ein Wasserschalter 21 angeordnet,
der feststellt, ob Wasserdurchsatz im Kanal 3 stattfindet. Bei Wasserdurchsatz betätigt
er über eine Stange 22 einen dreiphasigen Schalter 23, der die Außenleiter L1 bis
L3 eines speisenden Drehstromnetzes mit einer verketteten Spannung von 380 V auf
die Heizwendel schaltet.
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Es ist ein Durchsatzfühler 24 am Kanal anfang 14 angeordnet, der über
eine Meßleitung 25 auf die Schwingungspaketsteuerung 10 geschaltet ist.
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Weiterhin ist ein Einlaßtemperaturfühler 26 vorgesehen, der über eine
Meßleitung 27 gleichfalls mit der Steuerung 10 verbunden ist. An einem Sollwertgeber
28 kann eine gewünschte Auslauftemperatur in der Zapfleitung 4 vorgegeben werden,
die sich stromab des Zapfventils anschließt.
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Der Widerstand R3 ist über einen Triac V3 sowohl mit einem Außenleiter
wie auch mit seiner anderen Stromzuführung mit einem anderen Außenleiter des Drehstromnetzes
verbunden. Die beiden anderen Widerstände R1 und R2 sind mit den beiden anderen
Außenleitern verbunden, so daß eine Dreieckschaltung entsteht. Sämtliche Steuerelektroden
der Triacs sind mit der Steuerung 10 verbunden.
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Obwohl die Widerstände R1 bis R3 als gleich angenommen werden, besteht
die Möglichkeit, sie in ihrer Leistungsabgabe unterschiedlich zu gestalten, desgleichen
können die wirksamen Längen und die Abstände LV unterschiedlich gestaltet werden,
wobei auch mehr als drei Widerstände vorgesehen sein können. Die Speisung der Widerstände
muß nicht durch einen Drehstromnetz geschehen, es wäre auch ein einphasiger Anschluß
möglich oder eine gemischte Schaltung, beispielsweise auch in Sternschaltung.
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Weiterhin können zusätzlich zu den steuerbaren Widerständen R1 bis
gegebenenfalls R3 auch weitere Festwertwiderstandsstufen zu- oder abgeschaltet vorhanden
sein, mit denen eine Grundlast eingestellt werden kann.
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In der dargestellten Ausführungsform können die Widerstände mit einer
Schwingungspaketsteuerung gemäß den Ausführungen zu Figur 3 betrieben werden, wobei
die Widerstände in ihren Ausführungen und Längen sowie Abständen voneinander unterschiedlich
sein können. Demgemäß sind dann auch die Periodendauern der Schwingungspaketsteuerungen
unterschiedlich, wobei dann die Steuerung 10 entsprechend der Zahl der Widerstände
aufzuteilen wäre.
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Unter der Prämisse, daß die Widerstände gleich sind, gleiche Längen
aufweisen und gleiche Abstände voneinander besitzen, sollen die nachfolgenden Erklärungen
gemäß Figur 6 gelten. Die Steuerung erfolgt dann unter Obernahme der Ausführung
zu Figur 4.
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In Figur 6 sind beispielhaft analog zu Figur 4 drei Leistungsverläufe
p1, P2 und p3 entsprechend den getasteten Widerständen R1, R2 und R3 dargestellt.
Die Periodendauer der Schwingungspaketsteuerungen beträgt tp = 3. tL, wobei entsprechend
der drei gesteuerten Widerstände die Zahl n in Gleichung (11) drei beträgt.
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Die Phasenverschiebungen zwischen den drei Schwingungspaketsteuerungen
betragen tv, wobei angenommen wurde, daß die Abstände LV zwischen den Widerständen
gleich groß sind. Im Beispiel ist das Tastverhältnis zu T = 1/2 angenommen. Der
Leistungsverlauf p1 führt zu einem Verlauf der Temperaturerhöhung h1 in Punkt 1,
bezogen auf die Einlauftemperatur im Punkt 14.
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Entsprechend führen die Leistungsverläufe P2 und p3 zu den Verläufen
h2 und h3 in diesem Punkt. Durch Oberlagerung der Verläufe h1, h2 und h3 ergibt
sich in Punkt 1 der Verlauf h. Dieser weist nach einem linearen Anstieg zu Beginn
der Schwingungspaketsteuerungen einen konstanten Wert 30 auf. Dieser konstante Wert
Hges ergibt sich zu (12) H = H1. T + H2. T + H3. T = 3. H1 T = H ges max . T H 2
ges max Sind die Abstände zwischen den Widerständen unterschiedlich, so führt dies
zu unterschiedlichen Zeiten tv und damit zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen
zwischen den Schwingungspaketsteuerungen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist es möglich, relativ
hohe Leistungen darzustellen, ohne weiteres im Bereich von 20 - 30 kW. Zieht man
allerdings die Netzrückwirkungen (Flicker) in Betracht, so wird das System bei etwa
7 kW seine Grenze finden. Diese Grenze kann jedoch nach oben herausgeschoben werden,
indem man zusätzlich zu der betrachteten gesteuerten Leistungsstufe Festleistungsstufen
hinzuschaltet, die einphasig oder auch dreiphasig betrieben werden können.
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Bei Einbau in handelsübliche Durchlauferhitzer und damit vorgegebenen
Längen der Widerstände, die wiederum die Periodendauern der Schwingungspaketsteuerung
bedingen, hat sich herausgestellt, daß Wasserdurchflüsse von 3 - 10 l.min 1 zu Periodendauern
führen, die unter Berücksichtigung der Netzrückwirkungen eine entsprechend steuerbare
Leistungsstufe ermöglichen.
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Die Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3 führen in äquivalenter Weise
zu einem sehr guten Steuerverhalten für die Auslauftemperatur des Durchlauferhitzers,
die überraschend in sehr engen Grenzen bei relativ kleinem baulichen Aufwand konstant
gehalten werden kann. Innerhalb der allgemeinen Arbeitsregel für die Ansprüche 1
und 3 führen die Bemessungsregeln der Ansprüche 2 und 4 zum Optimum der Bemessung
der Periodendauer beim jeweiligen Verfahren.
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Die Angabe des Anspruchs 5 bezieht vorteilhaft die Phasenverschiebung
mit ein, so daß die Steuerung hierbei noch verbessert wird. Gleiches gilt für die
Bemessungsregel der Phasenverschiebung nach Anspruch 6, die auch hier einen optimalen
Wert angibt.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 7 ergibt eine besonders vorteilhafte
allgemeine Anweisung, wie die Phasenverschiebung in Relation zur Einschaltdauer
zu wählen ist, um die Steuerung größerer Leistungen netzrückwirkungsarm zu ermöglichen.
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Es ist auch möglich, beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 stromab
des letzten beheizten Widerstandes einen Temperaturfühler als Istwert-Geber vorzusehen,
damit kann aus der Steuerung eine Auslauftemperaturregelung gemacht werden.
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