EP1701111B1 - Durchlauferhitzer - Google Patents

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EP1701111B1
EP1701111B1 EP05090064A EP05090064A EP1701111B1 EP 1701111 B1 EP1701111 B1 EP 1701111B1 EP 05090064 A EP05090064 A EP 05090064A EP 05090064 A EP05090064 A EP 05090064A EP 1701111 B1 EP1701111 B1 EP 1701111B1
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heater according
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    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
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    • F24H9/2014—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters using electrical energy supply
    • F24H9/2028—Continuous-flow heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
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    • F24H15/37—Control of heat-generating means in heaters of electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/407—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electrical switching, e.g. TRIAC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/414—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based

Definitions

  • the invention relates to a water heater according to the preamble of claim 1.
  • the triacs can be switched by means of Optotriacs, which have an integrated voltage zero-crossing detection circuit.
  • the time behavior is much less critical.
  • the problem here is that especially at low levels of heating power of the zero crossing of the Optotriacs can not be reliably detected and therefore the heating element can not be reliably turned on.
  • the object of the present invention is to provide a water heater with a cost-effective heating control, which reliably switches especially at low levels of heating power.
  • the invention solves this problem by the means of claim 1.
  • the second semiconductor switching element without integrated zero-crossing detection circuit is turned on when driven. Due to the low current generated thereby creates a defined potential at the heating element. This makes it possible for the first semiconductor switching element with integrated zero crossing detection to reliably detect the voltage zero crossing and reliably switch the corresponding semiconductor switching element.
  • the invention therefore makes the advantages of a semiconductor switching element used with integrated zero-crossing detection circuit, whereby by deliberate use of a semiconductor switching element without integrated zero-crossing detection circuit, the disadvantages described above are avoided.
  • the application of the invention to digital electronic in particular by means of a microcontroller or a microprocessor controlled water heater.
  • the water heater preferably has a temperature control in steps of at most 2 ° C, preferably 1 ° C and / or a gradation of the heating power in steps of at most 300 W, preferably at most 200 W.
  • the instantaneous water heater 10 comprises a water inlet 12, a water outlet 13, a water pipe 14 connecting the water inlet 12 to the water outlet 13 and, in the present embodiment, four resistance heating elements 11a-11d for heating water flowing through the water pipe 14.
  • Each heating element 11a, 11b, 11c, 11d has a first electrical connection line 15a, 15b, 15c or 15d and a second electrical connection line 16a, 16b, 16c or 16d which are connected to voltage supply lines 17A-17C for supplying the heating elements 11a. 11 d are connected.
  • Each heating element 11a, 11b, 11c, 11d is separable on both sides by means of triacs 18v, 18w, 18x, 18y, 18z from the supply lines 17A-17C.
  • the heating elements 11a-11d and selective connection and disconnection of the heating elements 11a-11d by means of the triacs 18v-18z can achieve a coarse gradation of the heating power of the instantaneous water heater 10 in steps of, for example, 4.5 kW up to a maximum total output of, for example, 27 kW become.
  • the triacs 18v-18z are driven for complete galvanic isolation by means of optically driven semiconductor control elements, here in the form of Optotriacs 19v, 19w, 19x, 19y and 19z, respectively.
  • the optotriacs 19v-19z are controlled by means of a programmable control device 30, in particular a suitable microcontroller or processor.
  • the connection of the Optotriacs 19v - 19z with the microcontroller 30 is shown purely schematically, other useful components can be provided.
  • the control device 30 is suitably programmed in order to achieve control of the water temperature to 1 ° C precisely or in power steps of 150 W by phase-controlled activation of the Optotriacs 19v-19z or the triacs 18v-18z.
  • the optotriacs 19v, 19w, and 19x each have an integrated zero-crossing detection circuit 20v, 20w, and 20x, respectively.
  • the optotriacs 19y and 19z each have no integrated zero-crossing detection circuit. In this way, it is ensured that each heating element 11 a, 11 b, 11 c, 11 d is connected to the supply lines 17A-17C on one terminal side with an optotriac with integrated zero-crossing detection circuit and on the other terminal side with an optotriac without integrated zero-crossing detection circuit.
  • the optotriacs 19v, 19w and 19x could be provided with no integrated zero-crossing detection circuit and the optotriacs 19y and 19z could be equipped with integrated zero-crossing detection circuitry.
  • the switching on of the heating element 11 a is described by way of example.
  • a fixed first period of time for example, a few 100 microseconds before the voltage zero crossing (time 1 in Fig. 3 )
  • the controller 30 activates the optotriac 19v with integrated zero-crossing detection circuit 20v to compensate for the internal delay time of the optotriac 19v.
  • the controller 30 turns on the optotriac 19y with no integrated zero-crossing detection circuit.
  • the engagement of the corresponding triac 18y then causes a defined potential at the voltage input 21v of the optotriac 19v.
  • the integrated zero-crossing detection circuit 20v of the Optotriac 19v can therefore reliably set the voltage zero crossing (time point III in FIG Fig. 3 ) and turn on the triac 18v to cause current flow through the heater 11a.
  • both Optotriacs 19v and 19y are automatically deactivated and the current flow is interrupted.
  • the third period of time is preferably the same as the first period of time, in other words the times I and IV coincide.
  • the Heating element 11 a is to remain switched on a plurality of successive half-waves of the supply voltage in order to achieve a greater heating power, the Optotriacs 19v and 19y at time IV in Fig. 3 not switched off.
  • the second time period is preferably smaller than the first time period. However, this is not necessarily the case.
  • the second semiconductor control element can also be switched on simultaneously with the first semiconductor control element or temporally before the first semiconductor control element.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Es sind digitalelektronische Durchlauferhitzer mit beidseitig vom Netz trennbaren Heizelementen bekannt, bei denen die verwendeten Triacs mittels Optotriacs geschaltet werden. Dabei muss die Ansteuerung der Optotriacs mittels einer Software zum richtigen Zeitpunkt erfolgen, damit der Stromfluss im Nulldurchgang der Versorgungsspannung eingeschaltet wird. Hierzu sind relativ aufwendige und teure Microcontroller mit zeitkritischen Softwarefunktionen notwendig, da die erforderliche Reaktionszeit im Bereich von einigen 10 µs liegt.
  • Um die Ansteuerung über die Software zu vereinfachen, können die Triacs mittels Optotriacs geschaltet werden, die eine integrierte Spannungs-Nulldurchgangserkennungsschaltung aufweisen. Hierdurch wird das Zeitverhalten deutlich unkritischer. Problematisch hierbei ist, dass insbesondere bei geringen Stellgraden der Heizleistung der Nulldurchgang von den Optotriacs nicht zuverlässig erkannt werden kann und daher das Heizelement nicht zuverlässig eingeschaltet werden kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Durchlauferhitzer mit einer kostengünstigen Heizungsansteuerung bereitzustellen, die insbesondere auch bei geringen Stellgraden der Heizleistung zuverlässig schaltet.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Das zweite Halbleiterschaltelement ohne integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung wird bei Ansteuerung leitend. Aufgrund des dadurch erzeugten geringen Stroms entsteht ein definiertes Potential an dem Heizelement. Dies ermöglicht es dem ersten Halbleiterschaltelement mit integrierter Nulldurchgangserkennung, den Spannungs-Nulldurchgang zuverlässig zu erkennen und das entsprechende Halbleiterschaltelement zuverlässig zu schalten. Die Erfindung macht sich daher die Vorzüge eines Halbleiterschaltelements mit integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung zunutze, wobei durch gezielte Verwendung eines Halbleiterschaltelements ohne integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
  • Bevorzugt ist die Anwendung der Erfindung auf digitalelektronisch, insbesondere mittels eines Mikrocontrollers bzw. eines Microprozessors gesteuerte Durchlauferhitzer. Der Durchlauferhitzer weist vorzugsweise eine Temperaturregelung in Schritten von höchstens 2 °C, vorzugsweise 1 °C und/oder eine Abstufung der Heizleistung in Schritten von höchstens 300 W, vorzugsweise höchstens 200 W auf.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers;
    Fig. 2:
    eine schematische Darstellung einer Steuerschaltung für einen Durchlauferhitzer; und
    Fig. 3:
    ein Zeitdiagramm für die Darstellung von Spannungs- und Stromverläufen in dem Durchlauferhitzer.
  • Der Durchlauferhitzer 10 umfasst einen Wassereinlauf 12, einen Wasserauslauf 13, eine den Wassereinlauf 12 mit dem Wasserauslauf 13 verbindende Wasserleitung 14 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Widerstands-Heizelemente 11a - 11d zum Erhitzen von durch die Wasserleitung 14 fließendem Wasser. Jedes Heizelement 11a, 11b, 11c, 11d weist eine erste elektrische Anschlussleitung 15a, 15b, 15c bzw. 15d und eine zweite elektrische Anschlussleitung 16a, 16b, 16c bzw. 16d auf, die mit Spannungsversorgungsleitungen 17A - 17C zur Versorgung der Heizelemente 11 a - 11 d verbunden sind. Jedes Heizelement 11a, 11b, 11c, 11d ist mittels Triacs 18v, 18w, 18x, 18y, 18z von den Versorgungsleitungen 17A-17C beidseitig trennbar. Dies ist insbesondere bei Heizelementen mit Blankheizdraht vorteilhaft, um einen vorzeitigen Verschleiß infolge elektrolytischer Prozesse zu vermeiden. Durch geeignete Wahl der individuellen Heizleistungen der Heizelemente 11a - 11 d und selektive Zu- und Abschaltung der Heizelemente 11 a - 11 d mittels der Triacs 18v - 18z kann eine grobe Abstufung der Heizleistung des Durchlauferhitzers 10 in Schritten von beispielsweise 4.5 kW bis zu einer maximalen Gesamtleistung von beispielsweise 27 kW erreicht werden.
  • Die Triacs 18v - 18 z werden zur vollständigen galvanischen Trennung mittels optisch angesteuerter Halbleitersteuerelemente, hier in Form von Optotriacs 19v, 19w, 19x, 19y bzw. 19z angesteuert. Die Optotriacs 19v - 19z werden mittels einer programmierbaren Steuereinrichtung 30, insbesondere einem geeigneten Microcontroller bzw. -prozessor gesteuert. Die Verbindung der Optotriacs 19v - 19z mit dem Microcontroller 30 ist rein schematisch dargestellt, weitere zweckmäßige Bauelemente können vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 30 ist geeignet programmiert, um durch phasengerechte Ansteuerung der Optotriacs 19v - 19z bzw. der Triacs 18v - 18z eine Steuerung bzw. Regelung der Wassertemperatur auf 1 °C genau, bzw. in Leistungsschritten von 150 W, zu erreichen.
  • Die Optotriacs 19v, 19w und 19x weisen jeweils eine integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung 20v, 20w bzw. 20x auf. Dagegen weisen die Optotriacs 19y und 19z jeweils keine integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung auf. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass jedes Heizelement 11 a, 11 b, 11 c, 11 d auf einer Anschlussseite mit einem Optotriac mit integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung und auf der anderen Anschlussseite mit einem Optotriac ohne integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung mit den Versorgungsleitungen 17A - 17C verbunden ist. Andere Schaltungen sind denkbar, bspw. könnten in einer anderen Ausführungsform die Optotriacs 19v, 19w und 19x ohne integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung und die Optotriacs 19y und 19z mit integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung ausgestattet sein.
  • Im folgenden wird beispielhaft das Einschalten des Heizelements 11 a beschrieben. Zur Illustration sind in Fig. 3 die zwischen den Versorgungsleitungen 17A und 17C anliegende Versorgungsspannung, die Steuerspannung zur Ansteuerung des Optotriacs 19v mittels der Steuereinrichtung 30, die Steuerspannung zur Ansteuerung des Optotriacs 19y mittels der Steuereinrichtung 30 und der Strom durch das Heizelement 11a über der Zeit aufgetragen. Eine festgelegte erste Zeitspanne von beispielsweise einigen 100 µs vor dem Spannungsnulldurchgang (Zeitpunkt 1 in Fig. 3) aktiviert die Steuereinrichtung 30 den Optotriac 19v mit integrierter Nulldurchgangserkennungsschaltung 20v, um die interne Verzögerungszeit des Optotriacs 19v auszugleichen. Später, nämlich eine festgelegte zweite Zeitspanne von beispielsweise einigen 10 µs vor dem Spannungsnulldurchgang (Zeitpunkt II in Fig. 3) schaltet die Steuereinrichtung 30 den Optotriac 19y ohne integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung ein. Die Einschaltung des entsprechenden Triac 18y bewirkt dann ein definiertes Potential an dem Spannungseingang 21v des Optotriac 19v. Die integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung 20v des Optotriac 19v kann daher zuverlässig den Spannungsnulldurchgang (Zeitpunkt III in Fig. 3) erkennen und den Triac 18v einschalten, um Stromfluss durch das Heizelement 11a zu bewirken.
  • Wenn das Heizelement 11 a eine Halbwelle der Versorgungsspannung eingeschaltet bleiben soll, werden eine festgelegte dritte Zeitspanne vor dem erneuten Spannungsnulldurchgang (Zeitpunkt IV in Fig. 3) beide Optotriacs 19v und 19y ausgeschaltet. Im folgenden Spannungsnulldurchgang (Zeitpunkt V in Fig. 3) werden beide Optotriacs 19v und 19y automatisch deaktiv und der Stromfluss wird unterbrochen. Die dritte Zeitspanne ist vorzugsweise gleich groß wie die ersten Zeitspanne, mit anderen Worten fallen die Zeitpunkte I und IV zusammen. Hierdurch kann eine Reduzierung der Rechenzeit der Steuereinrichtung 30 erreicht werden.
  • Wenn das Heizelement 11 a mehrere aufeinander folgende Halbwellen der Versorgungsspannung eingeschaltet bleiben soll, um eine größere Heizleistung zu erreichen, werden die Optotriacs 19v und 19y im Zeitpunkt IV in Fig. 3 nicht ausgeschaltet.
  • Wie zuvor beschrieben ist die zweite Zeitspanne vorzugsweise kleiner ist als die erste Zeitspanne. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Das zweite Halbleitersteuerelement kann auch gleichzeitig mit dem ersten Halbleitersteuerelement oder zeitlich vor dem ersten Halbleitersteuerelement eingeschaltet werden.

Claims (15)

  1. Durchlauferhitzer mit mindestens einem mit Versorgungsleitungen (17) verbundenen Widerstands-Heizelement (11), das Anschlussleitungen (15, 16) umfasst, die mittels entsprechender Halbleiterschaltelemente (18) vollständig von den Versorgungsleitungen (17) getrennt werden, wobei die Halbleiterschaltelemente (18) mittels Halbleitersteuerelementen (19) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussleitung (15) des Heizelements (11) mittels eines ersten Halbleitersteuerelements mit integrierter Spannungs-Nulldurchgangserkennungsschaltung (20) und eine andere Anschlussleitung (16) des Heizelements (11) mittels eines zweiten Halbleitersteuerelements ohne integrierte Spannungs-Nulldurchgangserkennungsschaltung mit den Versorgungsleitungen (17) verbunden ist.
  2. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlauferhitzer eine digitale Steuereinrichtung (30) umfasst.
  3. Durchlauferhitzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinrichtung (30) zum Ansteuern des ersten Halbleitersteuerelements programmiert ist.
  4. Durchlauferhitzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinrichtung (30) zum Einschalten des ersten Halbleitersteuerelements um eine festgelegte erste Zeitspanne vor dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung programmiert ist.
  5. Durchlauferhitzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitspanne mindestens 100 µs, vorzugsweise mindestens 200 µs beträgt.
  6. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinrichtung (30) zum Ansteuern des zweiten Halbleitersteuerelements programmiert ist.
  7. Durchlauferhitzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinrichtung (30) zum Einschalten des zweiten Halbleitersteuerelements um eine festgelegte zweite Zeitspanne vor dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung programmiert ist.
  8. Durchlauferhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitspanne kleiner ist als die erste Zeitspanne.
  9. Durchlauferhitzer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitspanne mindestens 10 µs, vorzugsweise mindestens 20 µs beträgt.
  10. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinrichtung (30) zum Ausschalten des ersten Halbleitersteuerelements und/oder des zweiten Halbleitersteuerelements um eine festgelegte dritte Zeitspanne vor dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung programmiert ist.
  11. Durchlauferhitzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zeitspanne gleich der ersten Zeitspanne ist.
  12. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitersteuerelemente (19) Triacs sind.
  13. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitersteuerelemente (19) optisch angesteuert werden.
  14. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente (18) Triacs sind.
  15. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (11) einen Blank-Heizdraht umfasst.
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