EP4776752A1 - Verfahren zur ansteuerung von heizelementen eines elektrischen durchlauferhitzers, verfahren zum betreiben eines elektrischen durchlauferhitzers, elektrischer durchlauferhitzer und computerprogrammprodukt - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird ein pulsweitenmoduliertes Signal (26) zur Ansteuerung von Heizelementen (2,3) eines elektrischen Durchlauferhitzers (1) mittels elektronischer Bauelemente mit einer Periodenzeit (16), wobei innerhalb der Periodenzeit (16) ein Übergang (29) von einem ersten Muster (14) mit einer ersten durchschnittlichen Leistung (31) zu einem zweiten Muster (15) mit einer zweiten durchschnittlichen Leistung (32) erfolgt, und zwischen dem ersten Muster (14) und dem zweiten Muster (15) ein Zwischenmuster ZM vorhanden ist, das eine Zwischenleistung in einem Bereich zwischen erster Leistung (31) und zweiter Leistung (32) einstellt. Zudem wird ein Durchlauferhitzer (1) sowie ein Verfahren zu dessen Betreiben und ein Computerprogrammprodukt angegeben. Die Erfindung ermöglicht das bei dem Betrieb des Durchlauferhitzers (1) auftretende Flicker signifikant zu mindern.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen eines elektrischen Durchlauferhitzers, einen elektrischen Durchlauferhitzer und ein Computerprogrammprodukt.
• Elektrische Durchlauferhitzer zur Erwärmung eines Medienstromes, beispielsweise Wasser zur Warmwasserversorgung, weisen in der Regel eine Heizeinrichtung umfassend mindestens ein Heizelement oder einen Heizstab auf, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und an das zu erhitzende Wasser abgibt. Insbesondere bei Durchlauferhitzern kann dabei eine hohe Leistung von häufig mehr als 15 Kilowatt [kW] umgesetzt werden. Zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Heizgerätes kommt hierzu eine Leistungselektronik zum Einsatz, die elektronische Bauteile umfasst, beispielweise Halbleiterbauelemente, wie TRIACs.
• Die Leistungselektronik bzw. die Halbleiterbauelemente steuern die Heizelemente bei einem Erkennen einer Durchströmung des Durchlauferhitzers mit dem Medienstrom in der Regel mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM-Signal) an, sodass die Heizelemente das durchströmende Wasser erwärmen. Häufig kommt ein PWM-Signal mit einer Periodenzeit von (ca.) einer Sekunde zum Einsatz. Mit diesem werden ein oder mehrere Heizelemente mit Mustern angesteuert, so dass sich eine voreingestellte, vom Wassermassenstrom und der Einlauftemperatur abhängige Auslauftemperatur ergibt. Die Leistungselektronik bzw. die Halbleiterbauelemente werden hierzu für High- und Low-Phasen des PWM-Signals nicht immer dauerhaft ein und ausgeschaltet, sondern es werden einzelne Halbwellen, beispielsweise bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz einer Länge von 10 Millisekunden, geschaltet. Derartige kurze Muster des PWM-Signals, deren Zeit bis zu Wiederholung möglichst gering ist, haben sich im Hinblick auf einen Flicker-Wert als vorteilhaft erwiesen. Somit umfasst ein elektrischer Aufnahmestrom eines derartigen Durchlauferhitzers durch das PWM-Signal nur sehr niedrige Frequenzen und durch die Halbwellenmodulation nur sehr hohe Frequenzen. Mittlere Frequenzen, die sich negativ auf den Flicker-Wert auswirken, werden vermieden.
• Nachteilig sind nur sehr begrenzt Möglichkeiten zur Minderung des Flicker-Wertes bekannt.
• Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen eines elektrischen Durchlauferhitzers, einen elektrischen Durchlauferhitzer sowie ein Computerprogrammprodukt vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden und insbesondere eine weitere Möglichkeit zur Minderung des Flicker-Wertes angeben. Insbesondere soll die Erfindung dabei die Komplexität eines Durchlauferhitzers nicht steigern und möglichst auch bei Bestandsgeräten umsetzbar sein.
• Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
• Hierzu trägt Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen eines elektrischen Durchlauferhitzers mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM-Signal), das eine Periodenzeit aufweist, wobei innerhalb der Periodenzeit ein Übergang von einem ersten Muster mit einer ersten durchschnittlichen Leistung zu einem zweiten Muster mit einer zweiten durchschnittlichen Leistung erfolgt. Bei dem Übergang ist zwischen dem ersten Muster und dem zweiten Muster ein Zwischenmuster (ZM) vorhanden, das eine Zwischenleistung in einem Bereich zwischen erster durchschnittlicher Leistung und zweiter durchschnittlicher Leistung einstellt.
• Das Verfahren kann insbesondere permanent und dauerhaft beim Betrieb des Durchlauferhitzers zur Ansteuerung des mindestens einen Heizelements genutzt werden und dient einer Minderung des durch den Betrieb des Durchlauferhitzers ausgelösten Flickers. Insofern kann das Verfahren zur Ansteuerung mindestens eines Heizelementes auch als Verfahren zur Minderung des beim Betrieb auftretenden Flickers eines Durchlauferhitzers verstanden werden.
• Der elektrische Durchlauferhitzer ist dazu eingerichtet, einen Medienstrom (insbesondere einen Flüssigkeitsstrom oder Wasserstrom) zu erwärmen. Hierzu kann das Heizgerät einen Heizblock mit, insbesondere widerstandsbasierten, Heizelementen aufweisen, die (mittelbar oder unmittelbar) in Kontakt mit dem Medienstrom gebracht, diesem Wärmeenergie zuführen können. Der Durchlauferhitzer wird beim Betrieb von einer zu erwärmenden Flüssigkeit mit einer Durchströmungsgeschwindigkeit v_e durchströmt, wobei die Durchströmungsgeschwindigkeit v_e auch als Massenstrom oder Volumenstrom der Flüssigkeit verstanden werden kann.
• Das mindestens eine widerstandsbasierte Heizelement kann insbesondere einen Heizwendel und/oder einen Heizstab oder eine Vielzahl von Heizwendeln oder/oder Heizstäben umfassen. Das mindestens eine widerstandsbasierte Heizelement kann insbesondere dazu eingerichtet sein, elektrischen Strom bzw. Energie in Wärmeenergie umzuwandeln, die auf den Flüssigkeitsstrom übertragbar ist. Das Heizelement kann in der Regel in direkten Kontakt mit dem zu erwärmenden Flüssigkeitsstrom gebracht werden, womit kurze Reaktionszeiten der Heizeinrichtung realisierbar sind. Hierfür sind aus dem Stand der Technik Heizdrähte bekannt.
• Der elektrische Durchlauferhitzer kann dazu eingerichtet sein, mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle zur Energieversorgung verbunden zu werden. Die dreiphasige Wechselstromquelle kann beispielsweise ein dreiphasiger Anschluss eines Haushalts, häufig auch als Drehstromanschluss bezeichnet, sein.
• Zur Regelung oder Steuerung des mindestens einen Heizelements des Durchlauferhitzers kommen elektronische Bauteile zum Einsatz. Diese sind häufig Halbleiterschalter, wie TRIACs, die (hohe) Heizströme schalten können. TRIACs werden auch als Zweirichtungs-Thyristortriode oder Symistor bezeichnet. Die elektronischen Bauteile bzw. die Halbleiterschalter steuern die Heizelemente mit dem pulsweitenmodulierten (PWM-)Signal an. Das PWM-Signal weist eine Periodenzeit T auf, innerhalb derer ein erstes Muster und ein zweites Muster auftritt, sowie ein Übergang von dem ersten Muster zu dem zweiten Muster oder umgekehrt. Das Verhältnis der Dauer von eingeschalteten Heizelementen zur Dauer von ausgeschalteten Heizelementen innerhalb einer Periodenzeit T wird als Tastverhältnis bezeichnet und ist ein Maß für die (relative) Leistung des zumindest einen Heizelements, also das Verhältnis einer aktuellen Heizleistung zu einer Nennleistung des Durchlauferhitzers. Eine Halbwelle der Wechselspannung des Versorgungsnetzes hat eine von der Frequenz der Versorgungsspannung abhängige zeitliche Länge, beispielsweise von 10 Millisekunden [ms] bei einer Frequenz des Versorgungsnetzes von 50 Hertz, wobei eine Vollwelle entsprechend 20 Millisekunden andauert. Zur Erwärmung können dabei nur vollständige Halbwellen genutzt werden. Als vorteilhaft hat sich im Hinblick auf Flicker herausgestellt, dass man neben einer dauerhaften Ansteuerung (jede Halbwelle wird zur Erwärmung genutzt) und einem dauerhaften Auslassen der Ansteuerung (keine Halbwelle wird zur Erwärmung genutzt) sich wiederholende Muster verwendet, die beispielsweise 30 ms lang sind. Dabei hat sich insbesondere ein ⅓-Muster als vorteilhaft im Hinblick auf auftretenden Flicker erwiesen. Bei diesem ⅓-Muster wird jede dritte Halbwelle zur Wärmeerzeugung genutzt und beim $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster wird jede dritte Halbwelle nicht zur Wärmeerzeugung genutzt. Das pulsweitenmodulierte Signal (z.B. mit einer Länge der Periodenzeit T von 700 ms) kann sich dann aus zwei von diesen vier möglichen (sich mehrfach wiederholenden) Mustern zusammensetzen, wobei es innerhalb einer Periodenzeit T einen Übergang von einem ersten Muster zu einem zweiten Muster gibt und bei einem stationären Betrieb ohne Modulation innerhalb der darauffolgenden Periodenzeit T ein Übergang zurück von dem zweiten Muster zu dem ersten Muster. Dabei hat das erste Muster eine erste durchschnittliche Leistung und das zweite Muster eine zweite durchschnittliche Leistung. Die erste und zweite durchschnittliche Leistung kann dabei als mittlere Leistung verstanden werden, die durch das erste bzw. zweite Muster initiiert, durch das mindestens eine Heizelement erbracht wird. Der Übergang eines Musters zu einem anderen Muster und dessen Häufigkeit ist dabei maßgeblich für auftretendes Flicker verantwortlich. Das Muster mit weniger Leistung (z.B. hat das ⅓-Muster weniger als das $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster) wird als Low-Zeit und das Muster mit höherer Leistung als High-Zeit der Periodenzeit T bezeichnet. Eine Periode mit der Periodenzeit T setzt sich immer aus nur genau einer High- und genau einer Low-Zeit zusammen. Dabei werden in der Regel alle Heizelemente des Durchlauferhitzers mit der gleichen Periodenzeit geschaltet. Die Periodenzeit wird häufig in einem Bereich zwischen 0,5 Sekunden und einer Sekunde eingestellt, wodurch der auftretende Flickerwert gemindert werden kann.
• Eine Idee der Erfindung kann darin erkannt werden, bei dem Übergang von dem ersten Muster zu dem zweiten Muster die damit verbundene sprunghafte Änderung von der ersten durchschnittlichen Leistung zur zweiten durchschnittlichen Leistung durch Einführung einer Zwischenleistung, die zwischen erster und zweiter durchschnittlicher Leistung liegt, abzumildern. Die erste durchschnittliche Leistung und die zweite durchschnittliche Leistung ergibt sich durch Schalten der Spannungspulse als Wärmeleistung der Erwärmung. Die Zwischenleistung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese eine sprunghafte Änderung von der ersten durchschnittlichen Leistung zu der zweiten durchschnittlichen Leistung vermeidet. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, den Gradienten der Leistung beim Übergang von der ersten Leistung zur zweiten Leistung gegenüber einer Ansteuerung des mindestens einen Heizelementes nach dem Stand der Technik zu mindern. Es hat sich gezeigt, dass ein auftretender Flickerwert mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens zur Ansteuerung des mindesten seinen Heizelements deutlich gesenkt werden kann.
• Das Zwischenmuster ist zwischen dem ersten Muster und dem zweiten Muster angeordnet. Insbesondere kann das Zwischenmuster 2 oder 4 (geschaltete oder ungeschaltete) Halbwellen lang sein.
• Nachfolgend sind beispielhaft vorteilhafte Zwischenmuster für typische Übergänge von 0-, ⅓-, $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -, 1- Mustern angegeben. Dabei bezeichnet ein 0-Muster ein Muster bei der keine Halbwelle geschaltet wird und dementsprechend keine Leistungsabgabe durch die Heizelemente erfolgt und ein 1-Muster ein Muster, bei dem jede Halbwelle geschaltet ist und somit die Heizelemente eine Leistung entsprechend der Nennleistung abgeben. In den nachfolgenden Tabellen der Muster bezeichnet N eine negative Halbwelle, P eine positive Halbwelle, 1 eine geschaltete Halbwelle, 0 eine ungeschaltete Halbwelle sowie ZM das Zwischenmuster.

  a) Übergang von 1/3-Muster zu 0-Muster
  1/3-Muster						ZM		0-Muster
  1	0	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  b) Übergang von 0-Muster auf 1/3-Muster
  0-Muster						ZM				1/3-Muster
  0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	1	0	0	1	0	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  c) Übergang von 2/3-Muster zu 1/3-Muster
  2/3-Muster						ZM		1/3-Muster
  1	1	0	1	1	0	1	0	1	0	0	1	0	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  d) Übergang von 1/3-Muster auf 2/3-Muster
  1/3-Muster						ZM				2/3-Muster
  1	0	0	1	0	0	1	0	1	0	1	1	0	1	1	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  e) Übergang von 1-Muster zu 2/3-Muster
  1-Muster						ZM		2/3-Muster
  1	1	1	1	1	1	0	1	1	1	0	1	1	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  f) Übergang von 2/3-Muster auf 1-Muster
  2/3-Muster						ZM				1-Muster
  1	1	0	1	1	0	1	1	1	0	1	1	1	1	1	1
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N

  Somit zeigt b) die Umkehr des Übergangs a), der Übergang d) die Umkehrung des Übergangs c) und der Übergang f) die Umkehrung des Übergangs e). Bei dem Übergang a) stellt sich bei dem Zwischenmuster ZM eine Zwischenleistung ein, da das ⅓-Muster, dass jede dritte Halbwelle schaltet durch das Zwischenmuster ZM abgeschlossen wird bewirkt, dass die vierte Halbwelle geschaltet wird, wodurch sich eine Zwischenleistung zwischen der ersten durchschnittlichen Leistung von 1/3 der Nennleistung und der zweiten durchschnittlichen Leistung von 0 einstellt. Die Zwischenleistung bewirkt dabei, dass die durchschnittliche Leistung nicht sprunghaft von der ersten Leistung zur zweiten Leistung geändert wird, sondern die Änderung der Leistung einen von dem Zwischenmuster bestimmten Zeitraum andauert. Insbesondere kann die Änderung von der ersten Leistung zu der zweiten Leistung bei einem Übergang mit einem Zwischenmuster von 10 Millisekunden bis 100 Millisekunden andauern. Es besteht auch die Möglichkeit ein Zwischenmuster mehrmals zu wiederholen. Allerdings sollte dabei darauf geachtet werden, das möglichst ein geringes oder kein Ungleichgewicht positiver und negativer Halbwellen genutzt wird. Gemäß einer Ausgestaltung kann auch ein längeres Zwischenmuster eingesetzt werden, welches für sich genommen kein Ungleichgewicht positiver und negativer Halbwellen erzeugt. Dieses längere Zwischenmuster kann ein oder mehrere Halbwellen Pause enthalten. Ein Beispiel in Anlehnung an das Zwischenmuster a): Hier sind im ⅓-Muster zwischen den Halbwellen immer zwei Halbwellen Pause gezeigt. Möglich wäre, im Übergang einmal drei Halbwellen Pause zu lassen, bevor es dann auf das 0-Muster übergeht. Denkbar wäre auch eine Pause von vier Halbwellen hinzuzufügen, bevor es auf das 0-Muster geht. Dann wäre dieses Zwischenmuster 70 ms lang.
• Gemäß einer Ausgestaltung kann das erste Muster, das zweite Muster und das Zwischenmuster ZM positive und negative Halbwellen umfassen, die von den elektronischen Bauelementen auf die Heizelemente geschaltet und zur Erwärmung genutzt werden. Dabei kann die Anzahl der geschalteten positiven Halbwellen weitestgehend der Anzahl der geschalteten negativen Halbwellen entsprechen. Vorteilhaft wird so weitestgehend eine gleiche Anzahl positiver und negativer Halbwellen aus dem Versorgungsnetz entnommen. So würde eine Entnahme von Gleichstrom, die bei einem Ungleichgewicht von positiven und negativen Halbwellen auftreten würde, zu einer Belastung des Versorgungsnetzes führen. Bei den oben gezeigten Übergängen ist dies bei den Übergängen a) in Verbindung mit b) und dem Übergang e) in Verbindung mit Übergang f) der Fall. Bei dem Übergang c) und d) ergeben die beiden Zwischenmuster eine Ungleichheit von drei positiven Halbwellen zu null negativen Halbwellen. Ohne Vorhandensein von Zwischenmustern, also bei PWM-Signalen nach dem Stand der Technik, wurde ein Ausgleich erreicht, indem die Anzahl der Halbwellen im ⅓-Muster durch sechs und nicht lediglich durch drei teilbar ist. Dies bewirkt, dass das ⅓-Muster mit 6 Halbwellen immer die gleiche Anzahl an geschalteten positiven und negativen Halbwellen hat, wie das $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster mit drei Halbwellen, wodurch die Muster neutral wirken und dem Versorgungsnetz keinen Gleichstrom entnehmen.
• Bei einem hier in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Verfahren gezeigten pulsweitenmodulierten Signal mit Zwischenmustern kann eine Ungleichheit von positiven Halbwellen und negativen Halbwellen gemäß einer Ausgestaltung durch eine Veränderung der Anzahl der Halbwellen im ersten oder zweiten Muster ausgeglichen werden. So kann beispielsweise bei dem Übergängen c) und d) das ⅓-Muster N*6+3 Halbwellen umfassen. Die dadurch bewirkte Verschiebung der Halbwellen schafft einen Ausgleich der negativen und positiven Halbwellen und verhindert so eine Entnahme von Gleichstrom aus dem Versorgungsnetz. Nachfolgend ein Beispiel eines derartig angepassten PWM-Signals:

  g) Periodenzeit mit 2/3 Muster und 1/3 Muster
  2/3-Muster						ZM		1/3-Muster									ZM
  1	1	0	1	1	0	1	0	1	0	0	1	0	0	1	0	0	1	0	1	0
  P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P	N	P

  Im Ergebnis kann die Hinzunahme von drei Halbwellen zu einer durch sechs teilbaren Anzahl Halbwellen beim ⅓-Muster einen Ausgleich der Anzahl der positiven und negativen Halbwellen bewirken.
• Gemäß einer Ausgestaltung kann ein erstes Zwischenmuster eine Ungleichheit von geschalteten positiven und negativen Halbwellen aufweisen und ein auf das erste Zwischenmuster in der darauffolgenden Periodenzeit auftretendes zweites Zwischenmuster die Ungleichheit von geschalteten positiven und negativen Halbwellen des ersten Zwischenmusters ausgleichen, so dass in zwei aufeinander folgenden Periodenzeiten die Summe aller geschalteten positiven Halbwellen gleich der Summe aller geschalteten negativen Halbwellen ist. Dies ist beispielhaft in den oben gezeigten Übergängen a) und b) der Fall.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauferhitzers vorgeschlagen. Der Durchlauferhitzer umfasst dabei mindestens ein Heizelement, das von einem elektronischen Bauelement, insbesondere einem TRIAC, mit einem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert wird.
• Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Durchlauferhitzer vorgeschlagen. Dieser umfasst mindestens ein Heizelement, und mindestens ein elektronisches Bauelement zum Ansteuern des mindestens einen Heizelements. Der Durchlauferhitzer umfasst zudem ein Regel- und Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Durchlauferhitzers zu regeln und zu steuern, beispielsweise eine Auslauftemperatur zu regeln. Das Regel- und Steuergerät des Durchlauferhitzers kann insbesondere einen Prozessor aufweisen und/oder über diesen verfügen. Der Prozessor kann beispielsweise das auf einem Speicher (insbesondere des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Das Regel- und Steuergerät kann hierfür insbesondere mit dem mindestens einen Halbleiterbauelement zur Ansteuerung des mindestens einen Heizelements elektrisch verbunden sein. Zudem können auf dem Speicher des Regel- und Steuergerätes im Rahmen der Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens erfasste oder benötigte Daten hinterlegt werden oder sein, beispielsweise anzuwendende Muster oder Zwischenmuster.
• Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, dass einen hier vorgestellten Durchlauferhitzer bzw. ein Regel- und Steuergerät des Durchlauferhitzers dazu veranlasst, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen.
• Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter ("erste", "zweite", ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann ("mindestens ein"), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
• Die im Zusammenhang mit dem Verfahren vorgeschlagenen Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer sowie dem Computerprogramm auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
• Hier wird somit ein Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen eines Durchlauferhitzers mit einem pulsweitenmodulierten Signal, ein Durchlauferhitzer und ein Computerprogrammprodukt angegeben, die die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren, der Durchlauferhitzer und das Computerprogrammprodukt zumindest dazu bei, den beim Betrieb des Durchlauferhitzers auftretende Flicker erheblich zu reduzieren. Dadurch kann beispielsweise die Verwendung einer längeren Anschlussleitung des Durchlauferhitzers ermöglicht werden. Die Erfindung kann vorteilhaft ohne besonderen Aufwand auch bei bestehenden Durchlauferhitzern durch ein Nachrüsten des Computerprogrammproduktes eingesetzt werden.
• Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
• Fig. 1: einen hier vorgeschlagenen elektrischen Durchlauferhitzer,
• Fig. 2a): Muster einer $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Modulation
• Fig. 2b): Muster einer ⅓-Modulation,
• Fig. 3: ein PWM-Signal einer Periodenzeit mit ⅓-Muster und $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster,
• Fig. 4a): eine Leistung der Heizwendel nach dem Stand der Technik beim Übergang vom ⅓-Muster zum 0-Muster,
• Fig. 4b): eine resultierende Heizleistung des Durchlauferhitzers nach dem Stand der Technik beim Übergang vom ⅓-Muster zum 0-Muster,
• Fig. 5a): die Leistung der Heizwendel beim Übergang vom ⅓-Muster zum 0-Muster bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
• Fig. 5b): die resultierende Heizleistung des Durchlauferhitzers beim Übergang vom ⅓-Muster zum 0-Muster bei Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens, und
• Fig. 6: einen Vergleich der Parameterverläufe des Flicker-Wertes eines Durchlauferhitzers nach dem Stand der Technik und eines hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzers.
• Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen elektrischen Durchlauferhitzer 1 zur Erwärmung eines Flüssigkeitsstromes, wie einem Wasserstrom, der durch einen Kaltwasserzulauf 8 zugeführt und durch einen Warmwasserauslauf 9 entnommen wird, wobei der Flüssigkeitsstrom das Heizgerät 1 in einer Durchströmungsrichtung 11 durchströmt. Beispielhaft umfasst der Durchlauferhitzer 1 zwei Heizelemente 2, 3 die in Reihe angeordnet sind. Dabei wird ein erstes Heizelement 2 in der Durchströmungsrichtung 11 zuerst durchströmt und dann das zweite Heizelement 3. Zudem weist der Durchlauferhitzer 1 einen Einlauftemperatursensor 7, der die Temperatur des in den Kaltwasserzulauf 8 einströmenden Kaltwassers erfasst, einen Auslauftemperatursensor 10, der die Temperatur des aus dem Warmwasserauslauf 9 ausströmenden Warmwassers erfasst, sowie ein Motorventil 4 auf. Ein Durchflusssensor 5 ist dazu eingerichtet, eine Durchströmungsgeschwindigkeit des Wassers durch den Durchlauferhitzer 1 zu erfassen, also den, den Durchlauferhitzer 1 durchströmenden, Masse- oder Volumenstrom des Wassers zu ermitteln.
• Der Durchlauferhitzer 1 umfasst ein Regel- und Steuergerät 12, das zur Regelung und Steuerung des Durchlauferhitzers 1, und dabei auch zur Ansteuerung der Heizelemente 2, 3 eingerichtet ist. Das Regel- und Steuergerät 12 kann hierfür mit den Heizelementen 2, 3, dem Einlauftemperatursensor 7, dem Auslauftemperatursensor 10, dem Durchflusssensor 5 sowie einer Anzeige- und Bedieneinrichtung 6 elektrisch verbunden sein. Die Anzeige- und Bedieneinrichtung 6 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine von einem Nutzer eingestellte Zielauslauftemperatur zu erfassen. Ein hier vorgeschlagenes Verfahren in Form eines Computerprogrammprodukts 13 kann auf einem Speicher des Regel- und Steuergeräts 12 hinterlegt sein und beim Betrieb des Durchlauferhitzers 1 ausgeführt werden.
• Fig. 2a und 2b) zeigen Muster des pulsweitenmodulierten Signals 26, davon die Fig. 2a) ein erstes Muster 14, das als $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster ausgebildet ist, das wiederholend für 20 Millisekunden [ms] den Wert 1 annimmt und anschließend für 10 ms den Wert 0. In Folge bewirkt das $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster, dass $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ der Nennleistung des Durchlauferhitzers 1 erbracht werden. Analog nimmt bei dem zweiten Muster 15 in Fig. 2b), das als ⅓-Muster ausgebildet ist, das pulsweitenmodulierte Signal 26 zunächst für 10 ms den Wert 1 an und anschließend für 20 ms den Wert 0, woraus resultierend eine Leistung von ⅓ der Nennleistung des Durchlauferhitzers 1 erbracht wird.
• Fig. 3 zeigt eine gesamte Periodenzeit 16 des pulsweitenmodulierten Signals 26 bzw. eines Verfahrens zur Ansteuerung von Heizelementen 2, 3 eines Durchlauferhitzers 1 nach dem Stand der Technik. Dabei umfasst das pulsweitenmodulierte Signal 26 in einem ersten Zeitraum 27 ein erstes Muster 14, das hier $\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.$ -Muster als ausgebildet ist, und anschließend in einem zweiten Zeitraum 28 ein zweites Muster 15, das hier als ⅓-Muster ausgebildet ist. In einem stationären Betrieb des Durchlauferhitzers 1 wird das pulsweitenmodulierte Signal 26 gemäß Fig. 3 dauerhaft wiederholt. Zwischen dem ersten Muster 14 und dem zweiten Muster 15 findet ein Übergang 29 statt.
• Die Fig. 4a) zeigt einen Verlauf 17 der (Wärme-)Leistung des mindestens einen Heizelementes 2,3, das mit einem pulsweitenmodulierten Signal 26 nach dem Stand der Technik beaufschlagt wird. Das beaufschlagende pulsweitenmodulierte Signal 26 umfasst dabei in einem ersten Zeitraum 27 ein erstes Muster 14, das hier als ⅓-Muster ausgebildet ist, und in einem zweiten Zeitraum 28 ein zweites Muster 15, das hier als 0-Muster ausgebildet ist. Das erste Muster 14 bewirkt Spannungspulse 25, die von dem mindestens einen Heizelement 2,3 des Durchlauferhitzers 1 in Wärme umgewandelt werden und zwischen denen ein erster Pulsabstand 20 besteht. Der erste Pulsabstand 20 ist bei einem pulsweitenmodulierten Signal 26 nach dem Stand der Technik in dem ersten Zeitraum 27 konstant. Von dem ersten Muster 14 zu dem zweiten Muster 15 erfolgt der Übergang 29. Fig. 4b) zeigt, dass in dem Übergang 29 von der ersten Leistung 31 zu der zweiten Leistung 32 und zurück bei einem pulsweitenmodulierten Signal 26 nach dem Stand der Technik eine sprunghafte Änderung 19 eines Verlaufs 30 der durchschnittlichen Leistung des Durchlauferhitzers 1 auftritt. Dies ist an der weitestgehend senkrechten Leistungsänderung im Verlauf 30 der durchschnittlichen Leistung im Bereich des Übergangs 29 erkennbar. Es wurde festgestellt, dass diese sprunghafte Änderung 19 maßgeblich an einer Entstehung von Flicker beteiligt ist.
• Fig. 5a und 5b) zeigen einen Verlauf 17 der (Wärme-)Leistung des mindestens einen Heizelementes 2,3, das mit einem hier vorgeschlagenen pulsweitenmodulierten Signal 26 beaufschlagt wird. Das hier vorgeschlagene pulsweitenmodulierte Signal 26 ist gekennzeichnet dadurch, dass dort ein zweiter Pulsabstand 21 vorhanden ist, der unmittelbar vor und nach dem bzw. im Übergang 29, länger als der erste Pulsabstand 20 des ersten Musters 14 ist. Dies bewirkt, dass eine verlangsamte Änderung 22 mit einem gegenüber der sprunghaften Änderung 19 gemäß Fig. 4b) geminderten Gradienten der durchschnittlichen Leistung im Bereich des Übergangs 29 von der ersten Leistung 31 zu der zweiten Leistung 32 und zurück eintritt. Dies ist erkennbar in dem Verlauf 30 der durchschnittlichen Leistung in Fig. 5b). Vorteilhaft kann so das auftretende Flicker gemindert werden.
• Fig. 6 zeigt Verläufe eines Flickerwertes F für ein pulsweitenmoduliertes Signal 26 nach dem Stand der Technik und ein hier vorgeschlagenes pulsweitenmoduliertes Signal 26 für einen Modulationsbereich M des Durchlauferhitzers 1, gegeben in Prozent [%] der Nennleistung. Dabei zeigt ein erster Verlauf 23 den Flickerwert F für einen Durchlauferhitzer 1 nach dem Stand der Technik, der mit einem puslweitenmodulierten Signal 26 gemäß Fig. 4a) und b) betrieben wird, und der zweite Verlauf 24 den Flickerwert F für einen hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer 1, der mit einem hier vorgeschlagenen pulsweitenmodulierten Signal 26 betrieben wird. Erkennbar kann der Flickerwert F durch Anwendung der vorliegenden Erfindung deutlich gesenkt werden. In dem Beispiel gemäß Fig. 6 kann der Flickerwert F um bis zu 8,5% gesenkt werden, wodurch die Verwendung einer bis zu 8,5% längeren Anschlussleitung ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1

Durchlauferhitzer

2

erstes Heizelement

3

zweites Heizelement

4

Motorventil

5

Durchflusssensor

6

Anzeige- und Bedieneinrichtung

7

Einlauftemperatursensor

8

Kaltwasserzulauf

9

Warmwasserauslauf

10

Auslauftemperatursensor

11

Durchströmungsrichtung

12

Regel- und Steuergerät

13

Computerprogrammprodukt

14

erstes Muster

15

zweites Muster

16

Periodenzeit

17

Verlauf Leistung Heizwendel

18

Verlauf mittlere Leistung Durchlauferhitzer

19

sprunghafte Änderung der Leistung

20

erster Pulsabstand

21

zweiter Pulsabstand

22

verlangsamte Änderung der Leistung

23

erster Verlauf Flickerwert

24

zweiter Verlauf Flickerwert

25

Spannungspuls

26

pulsweitenmoduliertes Signal

27

erster Zeitraum

28

zweiter Zeitraum

29

Übergang

30

Verlauf durchschnittliche Leistung

31

erste Leistung

32

zweite Leistung

Claims (7)

1. Verfahren zur Ansteuerung von Heizelementen (2,3) eines elektrischen Durchlauferhitzers (1) mit einem pulsweitenmodulierten Signal (26), das eine Periodenzeit (16) aufweist, wobei innerhalb der Periodenzeit (16) ein Übergang (29) von einem ersten Muster (14) mit einer ersten durchschnittlichen Leistung (31) zu einem zweiten Muster (15) mit einer zweiten durchschnittlichen Leistung (32) erfolgt, und zwischen dem ersten Muster (14) und dem zweiten Muster (15) ein Zwischenmuster (ZM) vorhanden ist, das eine Zwischenleistung in einem Bereich zwischen erster durchschnittlicher Leistung (31) und zweiter durchschnittlicher Leistung (32) einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Muster (14), das zweite Muster (15) und das Zwischenmuster (ZM) positive und negative Halbwellen umfassen, die von elektronischen Bauelementen des elektrischen Durchlauferhitzers (1) auf die Heizelemente (2,3) geschaltet und zur Erwärmung genutzt werden und eine erste Anzahl der geschalteten positiven Halbwellen einer zweiten Anzahl der geschalteten negativen Halbwellen entspricht.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenn die erste durchschnittliche Leistung (31) größer als die zweite durchschnittliche Leistung (32) ist, in dem Zwischenmuster (ZM) mindestens eine geschaltete Halbwelle aus dem ersten Muster (14) mit einer ungeschalteten Halbwelle aus dem zweiten Muster (15) vertauscht wird, und wenn die erste durchschnittliche Leistung (31) kleiner als die zweite durchschnittliche Leistung (32) ist, eine geschaltete Halbwelle aus dem zweiten Muster (15) mit einer ungeschalteten Halbwelle aus dem ersten Muster (14) vertauscht wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erstes Zwischenmuster (ZM) eine Ungleichheit von geschalteten positiven und negativen Halbwellen aufweist und ein auf das erste Zwischenmuster (ZM) in der darauffolgenden Periodenzeit (16) auftretendes zweites Zwischenmuster (ZM) die Ungleichheit von geschalteten positiven und negativen Halbwellen des ersten Zwischenmusters (ZM) ausgleicht, so dass die Summe aller geschalteten positiven Halbwellen gleich der Summe aller geschalteten negativen Halbwellen ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ungleichheit von geschalteten positiven und negativen Halbwellen von erstem Muster (14) im Vergleich zum zweiten Muster (15) durch eine Veränderung der Anzahl der Halbwellen im ersten Muster (14) oder zweiten Muster (15) ausgeglichen wird.
6. Elektrischer Durchlauferhitzer (1) umfassend mindestens ein Heizelement (2,3), mindestens ein elektronisches Bauelement zur Ansteuerung des mindestens einen Heizelements (2,3) und ein Regel- und Steuergerät (12), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
7. Computerprogrammprodukt (13), umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Durchlauferhitzer (1) nach Anspruch 6 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.