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Schaltanordnung eines Heizsystems
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung eines am Stromversorgungsnetz angeschlossenen, aus Teilsystemen bestehenden, vorwiegend ohmschen Heizsystems zur einstellbaren Strom-und bzw. oder
Spannungsverteilung innerhalb des Heizsystems.
Bei ohmschen Heizsystemen besteht vielfach das Bedürfnis die Heizleistung zu regulieren oder innerhalb des Heizsystems eine Regulierung der Energieverteilung vorzunehmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schaltanordnung zu schaffen, durch welche ohne unwirtschaftliche Vorschaltwiderstände und ohne Transformatoren eine Energieverteilung innerhalb des Heizsystems oder eine Leistungsregelung des Heizsystems ermöglicht wird, wobei jedoch innerhalb einer Leistungsstufe keine Netzschwankungen entstehen sollen.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das gesamte Heizsystem in mindestens zwei Teilsysteme von gleichem ohmschen Widerstand aufgeteilt ist und dass ein Verteilerschalter mit Umschaltzeiten unter 15 msec zum intermittierenden wechselweisen Anschluss der einzelnen gleichohmigen Teilsysteme an das Versorgungsnetz vorgesehen ist.
Die erfindungsgemässe Schaltanordnung kann zur Energieverteilung verwendet werden, wozu lediglich die Gebrauchsanweisung erforderlich ist, den Verteilerschalter in seinem Schaltrhythmus entsprechend einzustellen, dass die einzelnen Teilsysteme über verschieden lange Zeitspannen jeweils an das Versorgungsnetz angeschlossen sind. Das Teilsystem, welches dabei stets am längsten amVersorgungsnetz liegt, erhält im Laufe einer bestimmten Betriebsdauer die grösste Energiezufuhr. Die Bedeutung dieser Anwendungsart der erfindungsgemässen Schaltanordnung liegt darin, dass z. B. gewisse Partien einer heizbaren Verkehrsfläche zeitweise einen höheren Wärmebedarf aufweisen, etwa weil sie im Schatten liegen, während der Wärmebedarf von in der Sonne liegenden Partien geringer ist.
Schatten und Sonnenbestrahlung sind aber je nach Tageszeit, Jahreszeit und Witterung schwankend. Durch Änderung des Schaltrhythmus des Verteilerschalters kann man aber jede erforderliche Anpassung erzielen. Dies wäre z. B. bei einer stationären Verteilung von Teilsystemen verschiedener Widerstände und Daueranschluss aller Teilsysteme an das Versorgungsnetz nicht möglich. Im letzteren Fall wUrde (bei Paralleischaltung) immer das Teilsystem geringeren Widerstandes die höhere Energiezufuhr erfahren.
Die erfindungsgemässe Schaltanordnung kann aber auch zurLeistungsregelung verwendet werden, wobei z, 8. im einfachsten Falle von zwei gleichohmigen Teilsystemen in der unteren Leistungsstufe (Teillast) die Teilsysteme wechselweise intermittierend an das Versorgungsnetz gelegt werden, während in der höheren Leistungsstufe (Voll-Last) beide Teilsysteme parallelgeschaltet, ohne Unterbrechung an das Versorgungsnetz gelegt werden. In diesem Falle beträgt die Leistungsaufnahme bei Teillast (Teilsysteme wechselweise intermittierend am Netz) gerade die Hälfte der Leistungsaufnahme bei Voll-Last (Teilsysteme parallelgeschaltet). Eine solche Leistungsstufe von "Voll" auf "Halb" ist beispielsweise bei der naheliegenden Umschaltung zweier gleichohmiger Widerstände von Parallelschaltung auf Serienschaltung nicht möglich.
Im letzteren Fall geht die Leistungsaufnahme von "Voll" auf "Viertel"; die wichtige Stufe"Halb"ist nicht erreichbar ; wohl aber mit Hilfe der erfindungsgemässen Schaltanordnung, u. zw. ohne Transformator.
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Ein gemeinsamer Vorteil der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung sowohl beim Anwendungsfall der Energieverteilung als auch innerhalb einer Leistungsstufe beim Anwendungsfall der Leistungsregelung ist es, dass trotz der intermittierenden Versorgung der Teilsysteme keine Netzschwankungen entstehen, was auf die kurzen Umschaltzeiten unter 15 msec zurückzuführen ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Schaltanordnung liegt darin, dass sie sich mit einfachen und robusten Schaltelementen herstellen lässt. Die Störanfälligkeit ist dabei äusserst gering und wegen der langen Lebensdauer dieser Bauelemente ist die Wirtschaftlichkeit ausgezeichnet.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
In den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen ohmschen Heizleiter dar, der in vier Teilsysteme aufgeteilt ist, Fig. 2 gibt ein Strom-Zeit-Diagramm nach dem bisherigen Verfahren und Fig. 3 ein Strom-Zeit Diagramm nach dem Verfahren der Erfindung.
Es sei, wie in Fig. 1 dargestellt, beispielsweise ein glatter, nicht gewendelter Heizdraht manderförmig über eine Fläche, z. B. einen Fussboden ausgespannt. Bei der bisher ueblichen intermittierenden Beheizung erhielte man am Eingang Stromstösse, (Fig. 2), die bei jedem Einschaltvorgang fast plötzlich auf ihren Maximalwert ansteigen und beim Abschalten ebenso plötzlich auf ihren Nullwert abfallen. Die
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to praktischgeteilt, die keine gemeinsame Leitung haben, und jedes Teilsystem Al B 1.... wird in stetiger Folge mittels eines geeigneten Schalters an das Versorgungsnetz gelegt. Man erhält in diesem Falle ein Strom-
Zeit-Diagramm, das dem in Fig. 3 abgebildeten ähnlich ist.
Da beim Schalten der Strom nicht mit einer unendlichen Geschwindigkeit auf seinenMaximalwert ansteigt, und die Schaltzeit äusserst schnell vor sich gehen soll, wird man bei jedem Schaltvorgang lediglich eine Spitze erhalten, deren Tiefe von der Ge- schwindigkeit abhängt, mit der das nächstfolgende Teilsystem angeschlossen wird.
Es hat sich gezeigt, dass die praktisch erforderliche Schaltzeit technisch realisierbar ist. Man erhält also eine andauernde nahezu konstante Stromabgabe. Geringfügige Schwankungen werden zwar immer auftreten, da die Widerstände der einzelnen Teilsysteme niemals genau gleich sind, und insbesondere bei grossen Flächen auch nicht gleich gemacht werden können. Die noch vorhandenen Stromschwankungen und Stromspitzen sind jedoch belanglos und haben keinen Einfluss auf die andern am Netz angeschlossenen Verbraucher.
DieLeistungsregelung ist nun nicht mehr auf die herkömmliche Art möglich, jedoch ebenfalls leicht durchzuführen. Es ist leicht einzusehen, dass bei nur zwei Teilsystemen die Leistung des gesamten Systems gerade halb so gross ist wie dessen Leistung bei stetiger Stromversorgung. Wird das System in mehrere Teilsysteme aufgeteilt, so lassen sich Kombinationen verschiedenerLeistungsstufen einstellen. So können z.
B. bei nur vier Teilsystemen folgende Leistungsstufen erzielt werden : a) volle Leistung : alle vier Systeme sind parallelgeschaltet und werden stetig mit Strom versorgt, b) halbe Leistung : je zwei Systeme sind parallelgeschaltet und die beiden Systemkomb1nationen werden nacheinander an Spannung gelegt, c) viertel Leistung : alle vier Teilsysteme sind getrennt und werden nacheinander an Spannung gelegt
Dreiviertel Leistung, es werden beim stetigen Durchlaufen immer drei Teilsysteme zu einer Einheit zusammengefasst, also z. B. (l+2+3)-4, (2+3+4)-1 ; (3+4+1)-2, (4+1+2)-8 usw.
Für die erfindungsgemässe Schaltanordnung können an sich bekannte Schaltmittel verwendet werden, so z. B. als Schalter ein elektronisches Zeitrelais mit Steuerung, das einen ausreichend hohen Impuls auf einen Schaltschützen abgibt. Mit dieser : Kombination si : 1d Schaltzeiten zu erreichen, die unterhalb 15 msec liegen und für den praktischen Gebrauch völlig ausreichen. Jedoch sind auch andere Schalter verwendbar. Die Auswahl wird von Fall zu Fall verschieden sein und sich hauptsächlich je nach den thermischen Gegebenheiten und Forderungen und den zu schaltenden Stromstärken richten.
Das gleiche gilt für die Schaltfrequenz. Auch hier lassen sich keine allgemeingUltigenDaten angeben. Umgebungstemperatur, Wärmeleitfähigkeit des Systems, Abstrahleigenschaften und noch anderes mehr, sind Faktoren, die alle Einfluss auf die Schaltfrequenz haben. Diese muss deshalb von Fall zu Fall entsprechend den gestellten Forderungen am einfachsten experimentell bestimmt werden. Man wird also im allgemeinen den Zeitschalter regelbar wählen.
Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemässe Schaltanordnung in der Anwendung bei heizbaren Fahrbahndecken, die z. B. gemäss österr. Patentschrift Nr. 207402 aus einem aus Kunststoff gefertigten
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hohlen Gitterwerk bestehen, in dessen Hohlräume dicht unter der Oberfläche ohmsche Heizleiter eingezogen sind und dessen Felder mit Verguss- oder Belegmasse ausgefullt sind. Hier treten im wesentlichen drei Effekte auf, die sich auf die Art der Leistungsregelung auswirken : einmal, dass der Heizleiter ohmisch ist, und zum andern, dass die Aufheizung der Fahrbahndecke sehr schnell vor sich geht, so dass auch die Regelung schnell sein muss, und schliesslich müssen nicht unbeträchtliche Leistungen geregelt werden.
Alle drei Effekte zu berücksichtigen war mit den bisherigen Regelmethoden ohne erheblichen Aufwand nicht möglich. Die Schaltanordnung nach der Erfindung gibt eine einfache Lösung dieses Problems.
Die erfindungsgemässe Schaltanordnung kann demnach vorzugsweise bei grossflächigen Heizanlagen angewendet werden, wie z. B. Fahrbahnen, Flugpisten, Fussböden, Wände, Grossraumöfen usw., bei denen starke Ströme zu schalten sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltanordnung eines am Stromversorgungsnetz angeschlossenen, aus Teilsystemen bestehenden, vorwiegend ohmschen Heizsystems zur einstellbaren Strom- und bzw. oder Spannungsverteilung innerhalb des Heizsystems, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Heizsystem in mindestens zwei Teilsysteme von gleichem ohmschen Widerstand aufgeteilt ist und dass ein Verteilerschalter mit Umschaltzeiten unter 15 msec zum intermittierenden wechselweisen Anschluss der einzelnen gleichohmigen Teilsysteme an das Versorgungsnetz vorgesehen ist.
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Switching arrangement of a heating system
The invention relates to a switching arrangement of a predominantly ohmic heating system connected to the power supply network and consisting of subsystems for adjustable current and / or or
Stress distribution within the heating system.
With ohmic heating systems, there is often a need to regulate the heating power or to regulate the energy distribution within the heating system.
It is the object of the invention to create a switching arrangement by means of which energy distribution within the heating system or power control of the heating system is made possible without uneconomical series resistors and without transformers, but with no network fluctuations occurring within a power level.
According to the invention, this is achieved in that the entire heating system is divided into at least two subsystems of the same ohmic resistance and that a distribution switch with switching times of less than 15 msec is provided for intermittently connecting the individual subsystems of the same resistance to the supply network.
The switching arrangement according to the invention can be used for power distribution, for which only the instructions for use are required to set the distribution switch in its switching rhythm accordingly so that the individual subsystems are each connected to the supply network over different periods of time. The subsystem that has been connected to the supply network for the longest receives the greatest amount of energy in the course of a certain operating period. The importance of this type of application of the switching arrangement according to the invention is that, for. B. certain parts of a heatable traffic area temporarily have a higher heat demand, for example because they are in the shade, while the heat demand of parts lying in the sun is lower.
However, shade and solar radiation fluctuate depending on the time of day, season and weather. By changing the switching rhythm of the distribution switch, however, any necessary adjustment can be achieved. This would be e.g. B. not possible with a stationary distribution of sub-systems of different resistances and permanent connection of all sub-systems to the supply network. In the latter case (with parallel connection) the subsystem with the lower resistance would always experience the higher energy input.
The switching arrangement according to the invention can, however, also be used for power control, whereby in the simplest case of two equal-ohmic subsystems in the lower power level (partial load) the subsystems are alternately intermittently connected to the supply network, while in the higher power level (full load) both Subsystems can be connected in parallel and connected to the supply network without interruption. In this case, the power consumption at partial load (subsystems alternating intermittently on the network) is just half the power consumption at full load (subsystems connected in parallel). Such a power level from “full” to “half” is not possible, for example, when two resistors of equal value are switched from parallel to series connection.
In the latter case, the power consumption goes from "full" to "quarter"; the important level "half" cannot be reached; but with the help of the inventive switching arrangement, u. between without transformer.
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A common advantage of the circuit arrangement according to the invention both in the power distribution application and within a power stage in the power regulation application is that, despite the intermittent supply of the subsystems, there are no network fluctuations, which is due to the short switchover times of less than 15 msec.
Another advantage of the switching arrangement according to the invention is that it can be produced with simple and robust switching elements. The susceptibility to failure is extremely low and because of the long service life of these components, the economy is excellent.
The invention is explained in more detail with reference to the drawings by means of an exemplary embodiment, without being restricted thereto.
In the drawings, FIG. 1 shows an ohmic heating conductor which is divided into four subsystems, FIG. 2 shows a current-time diagram according to the previous method, and FIG. 3 shows a current-time diagram according to the method of the invention.
Let it be, as shown in Fig. 1, for example a smooth, non-coiled heating wire meandering over a surface, e.g. B. stretched a floor. With the intermittent heating that has been customary up to now, current surges would be obtained at the input (Fig. 2), which almost suddenly rise to their maximum value with each switch-on process and also suddenly fall to their zero value when switched off. The
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to practically divided, which have no common line, and each subsystem Al B 1 .... is connected to the supply network in continuous succession by means of a suitable switch. In this case a current
A timing diagram similar to that shown in FIG. 3.
Since the current does not rise to its maximum value at an infinite rate when switching, and the switching time should be extremely fast, you will only get a peak with each switching process, the depth of which depends on the speed at which the next subsystem is connected .
It has been shown that the switching time required in practice is technically feasible. So you get a permanent, almost constant current output. Slight fluctuations will always occur, since the resistances of the individual sub-systems are never exactly the same, and especially with large areas they cannot be made the same. The current fluctuations and current peaks that are still present are, however, irrelevant and have no influence on the other consumers connected to the network.
The power control is no longer possible in the conventional way, but it is also easy to implement. It is easy to see that with only two subsystems, the performance of the entire system is just half as large as its performance with constant power supply. If the system is divided into several subsystems, combinations of different performance levels can be set. So z.
B. with only four sub-systems the following performance levels can be achieved: a) full power: all four systems are connected in parallel and are continuously supplied with power, b) half power: two systems are connected in parallel and the two system combinations are connected to voltage one after the other, c) Quarter power: all four subsystems are separate and are connected to voltage one after the other
Three quarters of power, when running continuously three subsystems are always combined into one unit, e.g. B. (1 + 2 + 3) -4, (2 + 3 + 4) -1; (3 + 4 + 1) -2, (4 + 1 + 2) -8 etc.
For the switching arrangement according to the invention, switching means known per se can be used, such. B. as a switch, an electronic timing relay with control that sends a sufficiently high pulse to a contactor. With this: combination si: 1d switching times can be achieved that are below 15 msec and are completely sufficient for practical use. However, other switches can also be used. The selection will vary from case to case and will mainly depend on the thermal conditions and requirements and the current levels to be switched.
The same applies to the switching frequency. Again, no generally valid data can be given. Ambient temperature, thermal conductivity of the system, radiation properties and much more are factors that all influence the switching frequency. This must therefore be determined most simply experimentally from case to case according to the requirements made. So you will generally choose the timer to be adjustable.
The switching arrangement according to the invention offers particular advantages when used in heated road surfaces which, for. B. according to Austrian Patent No. 207402 made of a plastic
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There are hollow latticework, in the cavities of which ohmic heating conductors are drawn just below the surface and whose fields are filled with potting compound or slip compound. There are essentially three effects that affect the type of power control: on the one hand, that the heating conductor is ohmic and, on the other hand, that the road surface is heated up very quickly, so that the control must also be fast, and after all, not inconsiderable services have to be regulated.
Taking all three effects into account was not possible with the previous control methods without considerable effort. The switching arrangement according to the invention provides a simple solution to this problem.
The switching arrangement according to the invention can therefore preferably be used in large-area heating systems, such as. B. lanes, runways, floors, walls, large-scale ovens, etc., where strong currents are to be switched.
PATENT CLAIMS:
1. Switching arrangement of a predominantly ohmic heating system connected to the power supply network, consisting of subsystems for adjustable current and / or voltage distribution within the heating system, characterized in that the entire heating system is divided into at least two subsystems of the same ohmic resistance and that a distribution switch with Switching times of less than 15 msec for intermittent alternating connection of the individual equal-ohmic subsystems to the supply network is provided.
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