DE102016010995A1 - Efficient, environmentally friendly and cost-effective AC / AC power supply with increased output frequency for applications in electric surface heating systems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stammt aus dem Gebiet der Elektrotechnik. Bisher bekannte Ausführungen im Bereich der elektrischen Flächenheizsysteme mit Folie beziehungsweise Heizanstrich verwenden einfache Transformatoren als Netzteile. Diese weisen ein hohes Gewicht auf und erschweren die Verwendung für Anwendungen, bei denen die Befestigung problematisch ist und bei denen Vibrationen schwerer und träger Masse die Befestigungspunkte zusätzlich belasten. Ziel war somit die Entwicklung eines neuen Netzteils für elektrische Flächenheizsysteme, das ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig, effizient und umweltfreundlich ist. 3 stellt ein solches AC/AC-Netzteil mit Sinusausgangsspannung im erhöhten Frequenzbereich dar. Das entwickelte Netzteil besteht aus einem AC/DC-Wandler mit Power Factor Correction (PFC), einem DC/AC-Wandler, einem Transformator und einem optionalen Kommunikationsmodul. Es zeichnet sich durch eine Sinusausgangsspannung im erhöhten Frequenzbereich aus, wodurch ein um Vielfaches leichterer Transformator verbaut werden kann und somit auch die Anwendungsbereiche größer werden.The present invention is from the field of electrical engineering. Previously known designs in the field of electric surface heating systems with foil or Heizanstrich use simple transformers as power supplies. These have a high weight and complicate the use for applications where the attachment is problematic and where vibrations of heavy and inertial mass additionally burden the attachment points. The aim was therefore to develop a new power supply for electric surface heating systems, which has a low weight and is cost-effective, efficient and environmentally friendly. 3 illustrates such AC / AC power supply with sine output voltage in the increased frequency range. The developed power supply consists of an AC / DC converter with Power Factor Correction (PFC), a DC / AC converter, a transformer and an optional communication module. It is characterized by a sinusoidal output voltage in the increased frequency range, whereby a much lighter transformer can be installed and thus the application areas are larger.
Description
Die vorliegende Erfindung stammt aus dem Gebiet der Elektrotechnik. Es ist bekannt, dass fossile Energieträger begrenzt und umweltunfreundlich sind. Durch eine Reduzierung der thermischen Verluste von Wohnhäusern und Büroräumen fallen der Heizenergieverbrauch sowie die Heizkosten. Nachfolgende Auflistung zeigt diese Entwicklung der letzten Jahre:
- – Wohnhäuser vor 1980: ca. 300 kWh/m2/Jahr
- – Wohnhäuser vor 1998: ca. 100 kWh/m2/Jahr
- – Wohnhäuser aktuell (KfW Effizienz): ca. 60 kWh/m2/Jahr
- - Residential buildings before 1980: approx. 300 kWh / m 2 / year
- - Residential buildings before 1998: approx. 100 kWh / m 2 / year
- - Residential buildings currently (KfW efficiency): approx. 60 kWh / m 2 / year
Dadurch wird auch elektrische Heizenergie bezahlbar.This also makes electrical heating energy affordable.
Ein elektrisches Flächenheizsystem besteht aus einer Heizfolie oder einem Heizanstrich, einem Netzteil, Anschlusskabeln, Temperaturfühlern und einer Steuereinrichtung.An electric surface heating system consists of a heating foil or a Heizanstrich, a power supply, connecting cables, temperature sensors and a control device.
Böden, Wände oder Zimmerdecken stellen dabei energiesparende Flächenheizkörper dar. Infrarotwärme wird von einer Folie (Carbonfasergeflecht) oder von einem Heizanstrich an der Wand, an der Decke oder im Boden erzeugt und verteilt sich schnell und optimal im ganzen Raum. Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine sehr effiziente Infrarotheizung mit niedrigen Temperaturen von Heizflächen im Bereich bis 35°C. Dabei werden die Räume gezielt geheizt und es entsteht eine angenehme Wohlfühlwärme durch das Flächenheizsystem.Floors, walls or ceilings represent energy-saving surface heating elements. Infrared heat is generated by a foil (carbon fiber mesh) or by a heating coating on the wall, ceiling or floor and spreads quickly and optimally throughout the room. This invention is a very efficient infrared heater with low temperatures of heating surfaces in the range up to 35 ° C. The rooms are specifically heated and there is a pleasant feel-good heat through the surface heating system.
Das System arbeitet mit einer Schutzkleinspannung in der Heizfolie oder dem Farbanstrich. Die Raumtemperatur ist dabei regulierbar.The system works with a safety extra-low voltage in the heating foil or the paint. The room temperature is adjustable.
Des Weiteren zeichnet sich das System durch eine sehr lange Lebensdauer aus und benötigt kaum Wartung. Darüber hinaus spart es durch hohe Effizienz viel Energie und schont damit aktiv die Umwelt. Infrarotheizungen trockenen außerdem die Wände und isolieren damit die Wohnumgebung.Furthermore, the system is characterized by a very long life and requires little maintenance. In addition, it saves a lot of energy through high efficiency and thus actively protects the environment. Infrared heaters also dry the walls, insulating the living environment.
Zum bekannten Stand der Technik im Bereich der elektrischen Flächenheizsysteme mit Folie beziehungsweise Heizanstrich gehört die Verwendung von einfachen Transformatoren als Netzteil, die die Netzspannung (230 V/50 Hz) auf Schutzkleinspannung reduzieren und die galvanische Trennung garantieren. Dabei bleibt die Frequenz bei 50 Hz. Für die Temperaturregelung wird ein Relais (EIN/AUS-Zweipunktregelung) mit Funkverbindung zu den Thermostaten, zum Netz eines gebäudetechnischen Systems (KNX, eQ-3, ...) oder einem anderen Netzwerk (z. B. Ethernet) verwendet.The well-known state of the art in the field of electric surface heating systems with foil or heating coating includes the use of simple transformers as power supply, which reduce the mains voltage (230 V / 50 Hz) to safety extra-low voltage and guarantee galvanic isolation. The frequency remains at 50 Hz. For temperature control, a relay (ON / OFF two-step control) with radio connection to the thermostats, to the network of a building services system (KNX, eQ-3, ...) or another network (eg. Ethernet).
Der Transformator reduziert die Netzspannung auf ein Schutzkleinspannungsniveau und sichert dabei die galvanische Isolation der Heizfläche vom Netz. Ein Kommunikationsmodul ermöglicht eine Verbindung (Funk oder Kabel) des Netzteils sowohl mit der Mess- und/oder Steuereinrichtung als auch mit dem Netz eines gebäudetechnischen Systems.The transformer reduces the mains voltage to a safety low voltage level and thereby ensures the galvanic insulation of the heating surface from the mains. A communication module allows a connection (radio or cable) of the power supply with both the measuring and / or control device as well as the network of a building services system.
Einen Mangel der bisher bekannten Ausführung stellt das Netzteil dar, da es ein hohes Gewicht aufweist und insbesondere die Verwendung für Anwendungen erschwert, bei denen die Befestigung problematisch ist und bei denen Vibrationen schwerer und träger Masse die Befestigungspunkte zusätzlich belasten.A deficiency of the previously known design is the power supply unit, since it has a high weight and in particular makes it difficult to use for applications in which the attachment is problematic and in which heavy and inert mass vibrations additionally burden the attachment points.
Auch besteht bei den bisherigen Ausführungen keine effiziente Vernetzungs-beziehungsweise Integrationsmöglichkeit mit gebäudetechnischen Systemen.Also exists in the previous versions no efficient networking or integration with building systems.
Eine Funkverbindung mit einem Thermostat ist dabei als unkritisch einzustufen, solange es sich dabei um eine kleine Anzahl von Netzteilen handelt und sich keine Hindernisse, wie beispielsweise armierter Beton, dazwischen befinden. Bei einem Heizsystem für ein durchschnittliches Einfamilienhaus benötigt man jedoch schon etwa 20 Netzteile. Da jedes Netzteil über eine eigene Funkverbindung mit je einer Antenne verfügt, wird der gesamte Raum mit elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich bis 1 GHz belastet. Müssen demnach mehrere Funkverbindungen durch armierte Betondecken hergestellt werden, so muss auch die Leistung der Funkmodule entsprechend erhöht werden.A radio link with a thermostat is classified as uncritical, as long as it is a small number of power supplies and there are no obstacles, such as reinforced concrete, in between. However, a heating system for an average single-family home requires about 20 power supplies. Since each power supply has its own radio connection with one antenna each, the entire room is loaded with electromagnetic radiation in the frequency range up to 1 GHz. Accordingly, if several radio links have to be produced by reinforced concrete ceilings, the power of the radio modules must also be correspondingly increased.
Eine weitere Einschränkung des konventionellen Lösungsansatzes besteht in der Verwendung der Zweipunktregelung, da nur zwei Zustände des Transformators (EIN und AUS) erkannt werden. Diese Regelung gilt als primitiv, unbequem und nicht optimal, da sie beispielsweise das Energiemanagement erschwert und einen hohen Einschaltstrom verursacht.Another limitation of the conventional approach is the use of two-point control, since only two states of the transformer (ON and OFF) are detected. This regulation is considered primitive, inconvenient and not optimal, for example, because it makes the energy management difficult and causes a high inrush current.
Meistens werden die Netzteile für ein Heizsystem an einer oder zwei günstigen Stellen monierte. In diesen Fällen müssen die Zuleitungen (Niederspannungsseite) zum Verbraucher (Heizmatte oder Heizanstrich) sehr stark sein. Jedoch sind diese Netzteile schwer und es ist nicht immer günstig, sie in der Nähe der Anschlussklemmen des Endverbrauchers zu montieren. Mostly the power supplies for a heating system are complained of in one or two favorable places. In these cases, the supply lines (low-voltage side) to the consumer (heating mat or heating coat) must be very strong. However, these power supplies are heavy and it is not always convenient to mount them near the terminals of the end user.
Ziel war somit die Entwicklung eines neuen Netzteils für elektrische Flächenheizsysteme, das ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig ist. Da die Heizfläche in der Regel groß und offen ist, wird der zu beheizende Raum durch verschiedene elektromagnetische Effekte belastet. Deswegen muss das System auch durch EMV-(Elektromagnetische Verträglichkeit) und EMF-(Elektromagnetische Feldlinien)Prüfungen gesichert werden, sodass die Ergebnisse dieser negativen Effekte in den streng vorgeschriebenen Grenzen bleiben.The aim was therefore the development of a new power supply for electric surface heating systems, which has a low weight and is inexpensive. Since the heating surface is usually large and open, the room to be heated is burdened by various electromagnetic effects. Therefore, the system must also be backed up by EMC (Electro Magnetic Compatibility) and EMF (Electromagnetic Field Lines) tests so that the results of these negative effects remain within the strictly prescribed limits.
Die Grundidee bestand also darin, dass man für elektrische Flächenheizsysteme AC/AC-Netzteile mit Sinusspannung und erhöhter Frequenz (kurz: EF) am Ausgang verwendet.So the basic idea was to use AC / AC power supplies with sinusoidal voltage and increased frequency (EF) for electrical surface heating systems.
Durch eine Frequenzerhöhung werden elektrische Maschinen (Transformatoren und Elektromotoren) im Allgemeinen leichter. Schon bei einem AC/AC-Netzteil, das am Ausgang die Frequenz von 400 Hz aufweist, wird der Transformator etwa viermal leichter als ein Transformator der gleichen Leistung bei 50 Hz. Dabei fallen die Ergebnisse der EMV- und EMF-Prüfungen beinahe gleich aus, wie bei einfachen AC/AC-Netzteilen ohne Frequenzumwandlung mit 50 Hz am Ausgang.Increasing the frequency generally makes electric machines (transformers and electric motors) lighter. Even with an AC / AC power supply rated 400 Hz at the output, the transformer will be about four times lighter than a transformer of the same power at 50 Hz. The results of the EMC and EMF tests are almost identical, as with simple AC / AC power supplies without 50 Hz frequency conversion at the output.
Das entwickelte Netzteil besteht aus einem AC/DC-Wandler, einem DC/AC-Wandler, einem Transformator und einem Kommunikationsmodul (optional).The developed power supply consists of an AC / DC converter, a DC / AC converter, a transformer and a communication module (optional).
Der AC/DC-Wandler wird ans Netz (einphasig oder dreiphasig) angeschlossen und erzeugt am Ausgang eine DC-Spannung von ca. 315 V (einphasig) beziehungsweise 550 V (dreiphasig) bei europäischen Netzen. Er besteht aus einem Entstörungsnetzfilter, einem Brückengleichrichter und einem LC-Filter für die Rippelunterdrückung. Dieses Netzteil speist den PWM-Verstärker des DC/AC-Wandlers.The AC / DC converter is connected to the mains (single-phase or three-phase) and generates at the output a DC voltage of approx. 315 V (single-phase) or 550 V (three-phase) for European networks. It consists of an interference suppression filter, a bridge rectifier and an LC filter for ripple suppression. This power supply powers the PWM amplifier of the DC / AC converter.
Der DC/AC-Wandler besteht aus einem Sinusoszillator mit erhöhter Frequenz, einem PWM-Modulator, einer Leistungsendstufe mit MOSFET H-Brücke, einem LC-Tiefpassfilter (PWM-Demodulator) und einem Transformator.The DC / AC converter consists of a sine-wave oscillator with increased frequency, a PWM modulator, a power output stage with MOSFET H-bridge, an LC low pass filter (PWM demodulator) and a transformer.
Der Sinusoszillator erzeugt eine Sinusspannung der gewünschten Ausgangsfrequenz. Ein PWM-Modulator möglichst niedriger Schaltfrequenz erzeugt aus dieser Sinusspannung ein PWM-Signal, das durch eine Leistungsendstufe mit MOSFET H-Brücke verstärkt wird. Hinter dem PWM-Verstärker befindet sich ein Tiefpassfilter (PWM-Demodulator) mit einer Grenzfrequenz knapp über der Schaltfrequenz des PWM-Modulators. Zu diesem Wandler gehören außerdem noch die Schaltungen für Überspannungs- und Überstromschutz, ein Einschaltstrombegrenzer, Eingänge von Thermostaten und/oder Thermometern, die Spannungs- bzw. Temperaturregelung und die Überwachung des Netzteils.The sine wave oscillator generates a sinusoidal voltage of the desired output frequency. A PWM modulator as low as possible switching frequency generated from this sine wave a PWM signal, which is amplified by a power amplifier with MOSFET H-bridge. Behind the PWM amplifier is a low-pass filter (PWM demodulator) with a cut-off frequency just above the switching frequency of the PWM modulator. Also included in this converter are over-current and over-current protection circuits, inrush current limiters, thermostat and / or thermometer inputs, voltage and temperature control and power supply monitoring.
Der verwendete Transformator ist entsprechend der neuen höheren Frequenz kleiner und garantiert eine gute galvanische Trennung zwischen Netz und Heizfläche. Optional kann das Netzteil über ein Kommunikationsmodul ans Netz eines gebäudetechnischen Systems angeschlossen werden. In diesem Fall kann das geregelte PWM-Signal durch den Mikrocontroller (CPU) dieses Moduls erzeugt werden.The used transformer is smaller according to the new higher frequency and guarantees a good galvanic separation between mains and heating surface. Optionally, the power supply unit can be connected to the network of a building services system via a communication module. In this case, the regulated PWM signal can be generated by the microcontroller (CPU) of this module.
Bei der Auswahl einer geeigneten Ausgangsfrequenz muss ein Kompromiss gefunden werden. Einerseits steigen mit der Frequenzerhöhung die EM-Störungen, da die Schaltfrequenz des PWM erhöht sein muss. Andererseits steigt das Gewicht des Transformators, wenn die Ausgangsfrequenz unter 400 Hz fällt. Um ein möglichst kleines Gewicht und Volumen des Netzteils gewährleisten zu können, hat sich als Lösungsansatz die Durchführung der EMV- und EMF-Prüfungen, angefangen bei beispielsweise einer Ausgangsfrequenz von 20 kHz, etabliert. Die Ausgangsfrequenz kann nun gegebenenfalls so lange gesenkt werden, bis die Prüfungen positive Ergebnisse liefern.When choosing an appropriate output frequency, a compromise must be found. On the one hand increase with the frequency increase the EM interference, since the switching frequency of the PWM must be increased. On the other hand, the weight of the transformer increases when the output frequency falls below 400 Hz. In order to ensure the lowest possible weight and volume of the power supply, the implementation of the EMC and EMF tests, starting at, for example, an output frequency of 20 kHz, has been established as a solution. If necessary, the output frequency can be lowered until the tests give positive results.
Dabei sollten zwei Frequenzen besonders in Augenschein genommen werden. Zum einen handelt es sich hierbei um eine Frequenz von 400 Hz, welche eine Grenze darstellt, bei der die Transformatorkerne noch aus Standardblechen gebaut werden können. Es ergibt sich hier bereits eine vierfache Gewichtseinsparung im Vergleich zu einer Transformatorlösung mit 50 Hz. Ebenfalls interessant ist eine Frequenz knapp über 20 kHz, da diese die obere Grenze des Hörbereichs darstellt und somit die akustischen Störungen des Transformators unkritisch wären.Two frequencies should be especially examined. On the one hand, this is a frequency of 400 Hz, which represents a limit at which the transformer cores can still be built from standard metal sheets. This results in a fourfold weight saving compared to a transformer solution with 50 Hz. Also interesting is a frequency just above 20 kHz, since this represents the upper limit of the listening area and thus the acoustic disturbances of the transformer would be uncritical.
Im Rahmen der Entwicklung wurde zunächst ein Heizsystem mit einem Netzteil der Sinusspannung 24 VAC, der Leistung 600 VA und der Frequenz 400 Hz getestet. Die Ergebnisse der EMV- und EMF-Prüfung wurden mit den entsprechenden Ergebnissen eines Netzteiles mit 24 V, 600 VA und 50 Hz (ein Ringkerntransformator) verglichen. Es wurde festgestellt, dass sowohl die leitungsgebundene als auch die abgestrahlte Emission ähnliche Werte aufweist, wie ein konventionelles 50 Hz AC/AC-Netzteil (Transformator). Die EMF (elektromagnetische Flussdichte) war kaum erhöht und lag unter 4 mT.As part of the development, a heating system was first tested with a power supply unit with a sine wave voltage of 24 VAC, a power of 600 VA and a frequency of 400 Hz. The results of the EMC and EMF tests were compared with the corresponding results of a 24 V, 600 VA and 50 Hz power supply (a toroidal transformer). It has been found that both conducted and radiated emissions have similar values to a conventional 50 Hz AC / AC power supply (transformer). The EMF (electromagnetic flux density) was hardly increased and was below 4 mT.
Danach wurde ein komplettes Netzteil provisorisch gebaut und getestet.Then a complete power supply was provisionally built and tested.
Der AC/DC-Wandler (vergleiche
Der DC/AC-Wandler beinhaltet einen 400 Hz Sinusoszillator, einen PWM-Modulator, eine PWM-Leistungsendstufe und einen LC-Tiefpassfilter als PWM-Demodulator. Es wurde eine Ausgangsfrequenz von 400 Hz gewählt, sodass für die Spannungsreduzierung auf 24 VAC ein Standard-Transformator mit Blechkern verwendet werden konnte.The DC / AC converter includes a 400 Hz sine wave oscillator, a PWM modulator, a PWM power output stage, and an LC low pass filter as a PWM demodulator. An output frequency of 400 Hz was chosen, so that a standard transformer with sheet metal core could be used for the voltage reduction to 24 VAC.
Bei der getesteten Schaltung handelt es sich um eine Stand-Alone-Lösung, die jedoch mit einem Kommunikationsmodul zur Anbindung an ein gebäudetechnisches Netz erweiterbar ist.The tested circuit is a stand-alone solution, but with a communication module for connection to a building network is expandable.
Der DC/AC-Wandler beinhaltet sowohl alle wichtigen Schutzmaßnahmen (Einschaltstrombegrenzung, Überstrom und Überspannung) als auch die Temperaturregelung auf Basis von den Temperaturmessungen.The DC / AC converter includes all the important protective measures (inrush current limiting, overcurrent and overvoltage) as well as the temperature control based on the temperature measurements.
Ein besonderer Anwendungsfall wäre eine aus der maximalen Konfiguration hergeleitete, vereinfachte Variante mit einer Rechteckspannung mit 400 Hz Ausgangsfrequenz des PWM-Verstärkers. Sie entsteht durch eine Sondereinstellung des PWM-Modulators und beinhaltet keinen PWM-Demodulator (Tiefpassfilter zum Transformator). Diese Variante wurde ebenfalls getestet und ergab sehr gute EMV-/EMF-Prüfergebnisse. In diesem Fall sind aber andere Fähigkeiten des Netzteiles (Regelung, Vernetzung) stark eingeschränkt.A particular application would be derived from the maximum configuration, a simplified variant with a square wave voltage with 400 Hz output frequency of the PWM amplifier. It is created by a special setting of the PWM modulator and does not include a PWM demodulator (low-pass filter to the transformer). This variant was also tested and gave very good EMC / EMF test results. In this case, however, other capabilities of the power supply (regulation, networking) are severely limited.
Besonders effizient und sparsam wäre eine sternförmige Konfiguration mit einem AC/DC-Wandler für große Leistungen und mehreren DC/AC-Wandlern für einzelne Heizflächen. Dabei steigt der gesamte Wirkungsgrad des Systems und die Querschnitte der Leitungen zwischen AC/DC- und DC/AC-Wandler werden reduziert, was eine Volumen-, Gewichts- und Kostenersparnis mit sich bringt.A star-shaped configuration with an AC / DC converter for large outputs and several DC / AC converters for individual heating surfaces would be particularly efficient and economical. This increases the overall efficiency of the system and the cross-sections of the lines between AC / DC and DC / AC converters are reduced, resulting in a volume, weight and cost savings.
Nachfolgend sollen die durch die Erfindung erzielten Vorteile erläutert werden.Subsequently, the advantages achieved by the invention will be explained.
Zum einen wird das Gewicht des Netzteiles um ein Mehrfaches reduziert. Dadurch werden auch die Anwendungsbereiche größer (z. B. Karavan Anwendungen).First, the weight of the power supply is reduced by a multiple. This also increases the scope of application (eg Karavan applications).
Hinzu kommt die Möglichkeit der Vernetzung beziehungsweise Integration in gängige Gebäudetechniksysteme (KNX, eQ-3, ...).In addition, there is the possibility of networking or integration into common building services systems (KNX, eQ-3, ...).
Die Strahlung durch nichtstandardisierte und mehrkanalige Funkverbindungen zwischen Thermostaten und Netzteilen wird reduziert.The radiation from non-standard and multi-channel radio links between thermostats and power supplies is reduced.
Das Netzteil verfügt über einen elektrischen Überstrom- und Überspannungsschutz und ermöglicht weiches Einschalten.The power supply has electrical overcurrent and overvoltage protection and allows soft starting.
Durch den Verzicht auf hoch getaktete Leistungselektronik können gute EMV- und EMF-Ergebnisse erzielt werden.By dispensing with high-clocked power electronics, good EMC and EMF results can be achieved.
Durch die Verwendung eines Transformators wird eine gute galvanische Trennung und Robustheit gewährleistet.The use of a transformer ensures good galvanic isolation and robustness.
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|---|---|
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- 2016-09-10 DE DE102016010995.5A patent/DE102016010995A1/en not_active Withdrawn
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| R016 | Response to examination communication | ||
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |