DE3437242A1 - Electronic power controller, especially for controlling the outlet temperature of electrical continuous-flow heaters - Google Patents
Electronic power controller, especially for controlling the outlet temperature of electrical continuous-flow heatersInfo
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Abstract
Description
Elektronischer Leistungssteller, insbesondere zur Electronic power controller, especially for
Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern Die Erfindung betrifft einen elektronischen Leistungssteller, insbesondere zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern, enthaltend (a) eine von netzfrequenter Wechselspannung beaufschlagte Gleichrichterbrücke, welche eine mit der doppelten Netzfrequenz pulsierende Gleichspannung liefert, (b) einen Schmitt-Trigger, auf den die pulsierende Gleichspannung aufgeschaltet ist zur Erzeugung einer Rechteckimpulsfolge mit doppelter Netzfrequenz, (c) einen Frequenzteiler, auf den die Rechteckimpulsfolge aufgeschaltet ist, (d) ein an der Netzwechselspannung anliegendes Halbleiterrelais mit Nullspannungsschalter-Verhalten, durch welches die Leistung schaltbar ist und (e) Mittel zum Steuern des Halbleiterrelais in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Frequenzteilers. Regulation of the outlet temperature for electric instantaneous water heaters The invention relates to an electronic power controller, in particular for regulation the outlet temperature in electric water heaters containing (a) one of AC voltage applied to the mains frequency rectifier bridge, which has a of twice the mains frequency supplies pulsating DC voltage, (b) a Schmitt trigger, to which the pulsating DC voltage is applied to generate a square-wave pulse train with twice the mains frequency, (c) a frequency divider on which the square pulse train is switched on, (d) a semiconductor relay connected to the mains AC voltage with zero voltage switch behavior, through which the power can be switched and (e) Means for controlling the semiconductor relay in dependence on output signals of the Frequency divider.
Die Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern bietet besondere Schwieri-gkeiten. Elektrische Durchlauferhitzer haben eine sehr hohe installierte Heizleistung von beispielsweise 22 Kilowatt. Die Auslauftemperatur muß sehr genau eingehalten werden und darf nur geringfügig um die gewünschte Temperatur schwanken. Es ist schwierig, die Heizleistung entsprechend feinfühlig zu regeln.The regulation of the outlet temperature for electric water heaters offers particular difficulties. Electric water heaters have a very high installed heating capacity of, for example, 22 kilowatts. The outlet temperature must be adhered to very precisely and may only be slightly adjusted to the desired temperature vary. It is difficult to regulate the heating power accordingly sensitively.
Man kan die elektrische Heizleistung durch eine Phasenanschnittsteuerung stetig regeln. Eine Phasenanschnittsteuerung der hier vorliegenden hohen Leistungen ist jedoch wegen der dabei erzeugten Oberwellen und der dadurch hervorgerufenen Störungen nicht zulässig. Es ist nur zulässig, den Wechselstrom voll ein- oder auszuschalten, wobei durch einen Nullspannungsschalter dafür gesorgt wird, daß die Einschaltung und die Ausschaltung jeweils in Zeitpunkten erfolgt, in denen die Wechselspannung sowieso durch null geht, so daß kein Phasenanschnitt erfolgt.The electrical heating power can be controlled by a phase control regulate continuously. A phase control of the high power here however, is because of the harmonics generated and the resulting harmonic waves Interferences not allowed. It is only permissible to switch the alternating current fully on or off, whereby a zero voltage switch ensures that the switch-on and the switch-off takes place at times when the AC voltage goes through zero anyway, so that there is no phase control.
Eine Regelung der Heizleistung durch Ein- und Ausschalten erfordert jedoch eine relativ hohe Schaltfrequenz, wenn die Forderung erfüllt werden soll, daß eine gewünschte Auslauftemperatur mit hoher Genauigkeit eingehalten wird. Wenn die Heizleistung mit niedriger Schaltfrequenz ein- und ausgeschaltet würde, dann würde aus einem Durchlauferhitzer abwechselnd kaltes oder zu heißes Wasser auslaufen, auch wenn die mittlere Heizleistung der gewünschten Temperatur entspricht. Eine hohe Schaltfrequenz der Ein- und Ausschaltung einer hohen Heizleistung führt jedoch wieder zu anderen Schwierigkeiten: Durch die Netzimpedanz beeinflußt die hohe Heizleistung des elektrischen Durchlauferhitzers die Netzspannung. Eine hohe Schaltfrequenz würde daher ein unangenehmes Flimmern elektrischer Glühlampen mit sich bringen. Die von den Versorgungsunternehmen zugelassene geschaltete Heizleistung ist daher umso kleiner, je höher die Schaltfrequenz ist. Diese Forderungen stehen dem Bemühen entgegen, die Auslauftemperatur eines Durchlauferhitzers hoher Leistung mit hoher Genauigkeit zu regeln.A regulation of the heating power by switching on and off requires but a relatively high switching frequency if the requirement is to be met, that a desired outlet temperature is maintained with high accuracy. if the heating power would be switched on and off with a low switching frequency, then a water heater would alternately run out of cold or too hot water, even if the average heating power is the desired Temperature corresponds. A high switching frequency of the switching on and off leads to a high heating output but again to other difficulties: The network impedance affects the high heating output of the electric water heater the mains voltage. A high Switching frequency would therefore cause an uncomfortable flicker of electric light bulbs bring yourself. The switched heating power approved by the utility company is therefore the smaller, the higher the switching frequency. These demands stand against the effort to reduce the outlet temperature of a high-performance instantaneous water heater to regulate with high accuracy.
Es ist aus diesem Grunde bekannt, bei einem elektrischen Durchlauferhitzer die installierte Heizleistung in wenigstens zwei Stufen zu unterteilen.For this reason, it is known for an electric water heater to divide the installed heating capacity into at least two levels.
Ein Regler mit einem im Auslauf angeordneten Temperaturfühler schaltet dabei für die Temperaturregelung jeweils nur eine der Stufen (DE-OS 28 37 934).A controller with a temperature sensor located in the outlet switches only one of the stages for temperature control (DE-OS 28 37 934).
Durch die DE-OS 28 37 934 ist weiterhin bekannt, daß zum Schalten der Stufen der Heizleistung eine für mehrere Stufen gemeinsame Heizwendelanordnung vorgesehen ist. Eine von der Netzspannung beaufschlagt Gleichrichter- und Schaltstufe erzeugt eine mit der Netzfrequenz synchrone Rechteckspannung von der doppelten Netzfrequenz. Das Ausgangssignal des Reglers, der von einem im Auslauf angeordneten Temperaturfühler beaufschlagt ist, liegt an Komperatoren mit abgestuften Referenzsignalen an. Die Ausgangssignale der Komparatoren und die Ausgänge des Binärzählers sind auf eine Logikschaltung aufgeschaltet, durch deren Ausgangssignal die elektronischen Schal termi ttel so ansteuerbar sind, daß bei Ansprechen einer zunehmenden Anzahl von Komparatoren periodisch eine zunehmende Anzahl von Halbwellen der Netzwechselspannung durchgeschaltet wird. Bei der bekannten Anordnung ist zum Schalten der Heizleistung in zwei Stufen durch zwei Komparatoren ein Binärzähler mit einer einzigen Zählstufe vorgesehen. Die Logikschaltung weist ein UND-Glied auf, an dessen Eingängen die Zählstufe und der Ausgang des Komparators mit dem niedrigeren Referenzsignal anliegt, sowie ein ODER-Glied, an dessen Eingängen der Ausgang des UND-Gliedes und der Ausgang des Komparators mit dem höheren Referenzsignal anliegen, wobei der Ausgang des ODER-Gliedes den Ausgang der Logikschaltung bildet.From DE-OS 28 37 934 it is also known that for switching of the stages of the heating power a heating coil arrangement common to several stages is provided. A rectifier and switching stage are acted upon by the mains voltage generates a square-wave voltage that is synchronous with the line frequency and has twice the line frequency. The output signal of the controller from a temperature sensor located in the outlet is applied, is applied to comparators with graduated reference signals. the Output signals of the comparators and the outputs of the binary counter are on one Logic circuit switched on, through whose output signal the electronic Scarf termi ttel can be controlled so that when an increasing number respond of comparators periodically an increasing number of half-waves of the mains alternating voltage is switched through. In the known arrangement, the heating power is switched on in two stages by two comparators a binary counter with a single counting stage intended. The logic circuit has an AND element, at the inputs of which the Counting stage and the output of the comparator with the lower reference signal is present, and an OR element, at whose inputs the output of the AND element and the output of the comparator with the higher reference signal are present, the output of the OR gate forms the output of the logic circuit.
Weiterhin ist durch die DE-OS 28 37 934 bekannt, einen Teil der Heizleistung stetig mittels eines Pul sbrei tenmodul ators mit fester Taktfrequenz zu regeln, wobei der Pulsbreitenmodulator vom Ausgangssignal des Reglers ansteuerbar ist. Der Pulsbreitenmodulator enthält einen Komparator, auf den das Ausgangssignal des Reglers sowie als Referenzsignal ein Drei ecksi gnal fester Taktfrequenz aufgeschaltet ist, so daß der Komparator ein Ausgangssignal jeweils während der Intervalle liefert, während welcher das Ausgangssignal des Reglers größer als das Referenzsignal ist. Ein bei Zuschaltung einer Stufe der Heizleistung über einen Komparator am Ausgang dieses Komparators auftretendes Signal ist als dem Referenzsignal überlagertes Zusatzsignal auf den Komparator des Pulsbreitenmodual autors aufgeschaltet, so daß die von dem Pulsbrei tenmodul ator gesteuerte Heizleistung um die Heizleistung der zugeschalteten Stufe vermindert wird.It is also known from DE-OS 28 37 934, part of the heating power to be controlled continuously by means of a pulse width module at a fixed clock frequency, wherein the pulse width modulator can be controlled by the output signal of the controller. Of the Pulse width modulator contains a comparator to which the output signal of the controller and a triangular signal with a fixed clock frequency is applied as a reference signal, so that the comparator provides an output signal during the intervals during which the output signal of the controller is greater than the reference signal. On when a level of heating power is switched on via a comparator at the output the signal appearing in this comparator is an additional signal superimposed on the reference signal switched to the comparator of the Pulsbreitmodual author, so that the Pulse width module ator controlled heating output by the heating output of the switched on Level is decreased.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Leistungssteller der eingangs genannten Art, insbesondere zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern, so auszubilden, daß einerseits Signale erzeugt werden, durch welche jeweils eine oder zwei von drei Halbwellen der Netzwechselspannung ansteuerbar sind, und andererseits durch von diesen Signalen unabhängige Schaltmittel jeweils eines der Signale zur Ansteuerung auf das Halbleiterrelais aufschaltbar ist.The invention is based on the object of an electronic power controller of the type mentioned above, in particular for regulating the outlet temperature electrical water heaters to train so that on the one hand generates signals through which one or two of three half-waves of the AC mains voltage are controllable, and on the other hand by switching means independent of these signals one of the signals for control can be switched to the semiconductor relay is.
Dabei soll der Gleichstrommittelwert des so durch den Verbraucher fließenden Stromes null sein.The mean value of the direct current is to be used by the consumer flowing current be zero.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß (f) der Frequenzteiler einen ersten Ausgang aufweist, an welchem ein Ausgangssignal jeweils durch jeden dritten Impuls gesetzt und durch die den nächstfolgenden Impuls zurückgesetzt wird, (g) der Frequenzteiler einen zweiten Ausgang aufweist, an welchem ein Ausgangssignal jeweils durch eine Flanke jedes dritten Impulses gesetzt und durch die entsprechende Flanke des jeweils übernächsten Impulses zurückgesetzt wird, (h) das Halbleiterrelais für jeweils eine Halbperiode durchschaltbar ist, wenn an einem Steuereingang zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Netzspannung ein Signal anliegt und (i) durch die besagten Mittel zum Steuern des Halbleiterrelais in Abhängigkeit von einem weiteren Schaltzustand der erste oder der zweite Ausgang des Frequenzteilers an den Steuereingang anlegbar ist.According to the invention, this object is achieved in that (f) the frequency divider has a first output at which an output signal is passed through each third impulse is set and which resets the next impulse, (g) the frequency divider has a second output at which an output signal each set by an edge of every third pulse and by the corresponding one Edge of the next but one pulse is reset, (h) the semiconductor relay can be switched through for a half period each time if at a control input for At the time of the zero crossing of the mains voltage, a signal is present and (i) by said means for controlling the solid state relay in dependence on one further switching status of the first or the second output of the frequency divider the control input can be applied.
Der Schmitt-Trigger liefert Rechteckimpulse im Bereich der Maxima bzw. Minima der Netzwechselspannung, deren Flanken einen hinreichenden Abstand von den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung haben.The Schmitt trigger delivers square-wave pulses in the range of the maxima or minima of the mains alternating voltage, the edges of which are sufficiently spaced apart from have the zero crossings of the mains AC voltage.
Ein solcher Nulldurchgang liegt jeweils zwischen zwei benachbarten Impulsen des Schmitt-Triggers.Such a zero crossing lies between two adjacent ones Pulses of the Schmitt trigger.
Wenn am ersten Ausgang des Frequenzteilers durch einen solchen Impuls ein Ausgangssignal gesetzt wird und dieses Ausgangssignal durch den nächstfolgenden Impuls zurückgesetzt wird, dann steht das Ausgangssignal während des dazwischenliegenden Nulldurchgangs der Wechselspannung an. Infolgedessen wird das Halbleiterrelais für die auf den Null durchgang folgende Halbperiode durchgeschaltet.If at the first output of the frequency divider by such a pulse an output signal is set and this output signal is set by the next one Pulse is reset, then the output signal is available during the intervening Zero crossing of the alternating voltage. As a result, the solid state relay is used for the half-period following the zero crossing is switched through.
Da nur jeder dritte Impuls der Impulsfolge ein solches Ausgangssignal setzt, wird auch nur für jede dritte Halbwelle der Netzwechselspannung das Halbleiterrelais durchgeschaltet. Das hat zur Folge, daß aufeinanderfolgende, durchgeschaltete Halbwellen entgegengesetzte Polarität haben, so daß der Gleichstrommittelwert des fließenden Stromes null wird.Since only every third pulse of the pulse train has such an output signal sets, the semiconductor relay is only activated for every third half-wave of the AC mains voltage switched through. This has the consequence that successive, through-connected half-waves have opposite polarity so that the DC mean value of the flowing Current becomes zero.
Am zweiten Ausgang des Frequenzteilers wird ein Signal durch eine Flanke eines Impulses gesetzt und durch die entsprechende Flanke des übernächsten Impulses zurückgesetzt. Infolgedessen erscheint an dem zweiten Ausgang des Frequenzteilers ein Signal, das während zweier aufeinanderfolgender Null durch- gänge der Netzwechselspannung ansteht. Wenn das Halbleiterrelais von dem Signal am zweiten Ausgang des Frequenzteilers gesteuert wird, dann wird jeweils eine volle Welle der Netzwechselspannung von dem Halbleiterrelais durchgeschaltet, während die daran anschließende Halbwelle nicht durchgeschaltet wird. Auch bei dieser Betriebsweise sind aufeinanderfolgende, durchgeschaltete Wellen der Netzwechselspannung gegenphasig, so daß der Gleichstrommittelwert des durch den Verbraucher fließenden Stromes null wird.At the second output of the frequency divider, a signal is generated by a Edge of a pulse set and by the corresponding edge of the next but one Reset. As a result, appears at the second output of the frequency divider a signal that occurs during two consecutive zero corridors the AC mains voltage is present. When the solid state relay from the signal on the second Output of the frequency divider is controlled, then a full wave of the AC line voltage from the solid state relay switched through while connected to it subsequent half-wave is not switched through. Even with this mode of operation successive, through-connected waves of the mains alternating voltage are out of phase, so that the mean DC value of the current flowing through the consumer is zero will.
Die so an dem Frequenzteiler zur Verfügung gestellten Signale legen die jeweilige Arbeitsweise des Halbleiterrelais bereits eindeutig fest. Sie können in verschiedener Weise auf das Halbleiterrelais aufgeschaltet werden. Im einfachsten Falle sind die besagten Mittel zum Steuern des Halbleiterrelais von einem Wählschalter gebildet, dessen Stellung den besagten "weiteren Schaltzustand" darstellt. Die Erfindung gibt aber auch die Möglichkeit, die Ausgangssignale des Frequenzteilers über eine geeignete Logikschaltung in Abhängigkeit von einem Reglerausgangssignal so auf Halbleiterrelais in drei Phasen eines Drehstroms zu schalten, daß die Gesamtleistung in relativ kleinen Schritten geschaltet werden kann.Lay the signals made available in this way at the frequency divider the respective mode of operation of the solid-state relay is already clearly established. You can can be connected to the semiconductor relay in various ways. In the simplest Trap are said means for controlling the solid-state relay from a selector switch formed, the position of which represents the said "further switching state". The invention but there is also the possibility of the output signals of the frequency divider via a suitable logic circuit depending on a controller output signal so on semiconductor relays to switch in three phases of a three-phase current that the total power in relatively small Steps can be switched.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Refinements of the invention are the subject of the subclaims.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines elektronischen Lei stungsstel lers.Two embodiments of the invention are referred to below explained in more detail on the accompanying drawings: Fig. 1 shows schematically a first embodiment of an electronic power controller.
Fig. 2 zeigt die bei dem Leistungssteller nach Fig.l auftretenden Signalverläufe. Fig. 2 shows the occurring in the power controller according to Fig.l. Waveforms.
Fig. 3 zeigt die drei Möglichkeiten des von dem Leistungssteller durch den Verbraucher geleiteten Stromes. Fig. 3 shows the three possibilities of the power controller current conducted by the consumer.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines elektronischen Leistungsstellers für Drehstrom, der insbesondere zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern geeignet ist. Fig. 4 shows another embodiment of an electronic power controller for three-phase current, which is used in particular to regulate the outlet temperature for electrical Water heaters is suitable.
Der Leistungssteller gemäß Fig. 1 enthält eine Gleichrichterbrücke 10, die über einen Transformator 12 von netzfrequenter, mit der Netzfrequenz gleichphasiger Wechsel spannung beaufschlagt ist.The power controller according to FIG. 1 contains a rectifier bridge 10, which via a transformer 12 of line frequency, in-phase with the line frequency AC voltage is applied.
Die Gleichrichterbrücke 10 liefert an einem Ausgang 14 eine mit der doppelten Netzfrequenz pulsierende Gleichspannung. Diese pulsierende Gleichspannung ist auf einen Schmitt-Trigger 16 aufgeschaltet. Der Schmitt-Trigger 16 erzeugt eine Rechteckimpulsfolge, die in der zweiten Zeile von Fig.2 dargestellt ist. Der Schmitt-Trigger schaltet, solange das anliegende Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das bedeutet, daß die Rechteckimpulse 18 im wesentlich symmetrisch zu den Maxima und Minima der Netzwechselspannung und im Abstand von den Nulldurchgängen 20 der Netzwechselspannung liegen. Die Rechteckimpulsfolge ist auf einen Frequenzteiler 20 aufgeschaltet. Mit 22 ist ein Halbleiterrelais mit Null spannungs schal ter-Verhal -ten bezeichnet. Das Halbleiterrelais 22 enthält einen Triac 24, der in Reihe mit einem Verbraucher 26 an der Netzwechselspannung anliegt. Es sind Mittel 28 zum Steuern des Halbleiterrelais 22 in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Frequenzteilers 20 vorgesehen. Bei der beschriebenen Anordnung besteht der Frequenzteiler 20 aus zwei J-K Flip Flops. Von den vier Ausgängen der J-K Flip Flops werden nur zwei Ausgänge benutzt. An einem ersten Ausgang 30 erscheint ein Ausgangs signal 32 (Fig.2) welches jeweils durch eine Flanke, hier die Vorderflanke, jedes dritten Impulses 18 der Rechteckimpulsfolge gesetzt und durch die entsprechende Flanke des nächstfolgenden Impulses 18 zurückgesetzt wird. Das Ausgangssignal am Ausgang 30 ist somit eine Impulsfolge, wie sie in der dritten Zeile von Fig.2 dargestellt ist. An einem zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 erscheint ein Ausgangssignal 36, welches jeweils durch eine Flanke jedes dritten Impulses 18 der Rechteckimpulsfolge gesetzt und durch die entsprechende Flanke des jeweils übernächsten Impulses zurückgesetzt wird. Das Ausgangssignal 36 liefert eine Impulsfolge, wie sie in der vierten Zeile von Fig.2 dargestellt ist. Das Halbleiterrelais 22 ist für jeweils eine Halbleiterperiode durchschaltbar, wenn an einem Steuereingang 38 zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Netzspannung ein Signal anliegt.The rectifier bridge 10 supplies at an output 14 one with the double the mains frequency pulsating direct voltage. This pulsating DC voltage is connected to a Schmitt trigger 16. The Schmitt trigger 16 generates a Square pulse train, which is shown in the second line of Fig.2. The Schmitt trigger switches as long as the applied signal exceeds a specified threshold value. This means that the square-wave pulses 18 are essentially symmetrical to the maxima and minima of the AC mains voltage and at a distance from the zero crossings 20 of AC line voltage are present. The square pulse train is on a frequency divider 20 activated. At 22 is a Solid state relays with zero voltage switch behavior. The semiconductor relay 22 includes a triac 24, which is applied in series with a consumer 26 to the AC mains voltage. There are Means 28 for controlling the semiconductor relay 22 as a function of output signals of the frequency divider 20 is provided. In the arrangement described there is the frequency divider 20 from two J-K flip flops. Of the four outputs of the J-K flip flops only two outputs used. An output signal appears at a first output 30 32 (Fig.2) which each by a flank, here the front flank, every third Pulse 18 of the square pulse train set and by the corresponding edge of the next following pulse 18 is reset. The output signal at output 30 is thus a pulse train as shown in the third line of Fig.2. An output signal appears at a second output 34 of the frequency divider 20 36, which in each case by an edge of every third pulse 18 of the square-wave pulse train set and reset by the corresponding edge of the next but one pulse will. The output signal 36 provides a pulse train as shown in the fourth line of Fig.2 is shown. The semiconductor relay 22 is for one semiconductor period at a time can be switched through if at a control input 38 at the time of the zero crossing a signal is present at the mains voltage.
Solche Halbleiterrelais sind an sich bekannt und handelsüblich erhältlich. Daher ist der Aufbau des Halbleiterrelais 22 nur schematisch angedeutet.Such semiconductor relays are known per se and are commercially available. The structure of the semiconductor relay 22 is therefore only indicated schematically.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt jeweils ein Nulldurchgang 20 der Netzwechselspannung zwischen zwei benachbarten Impulsen 18 der Rechteckimpulsfolge. In jeden Impuls des Ausgangssignals 32 fällt ein solcher Nulldurchgang. Zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Ausgangssignals 32 liegen jeweils zwei Nulldurchgänge der Netzwechselspannung, bei denen kein Ausgangssignal 32 am Ausgang 30 liegt. Jeder Impuls des Ausgangssignals 36 am Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 erstreckt sich über zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge 20 der Netzwechselspannung. Zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Ausgangssignals 36 liegt ein Nulldurchgang der Netzwechselspannung, bei welchem kein Signal am Ausgang 34 ansteht. Wenn das Halbleiterrelais 22 von dem ersten Ausgangssignal 32 gesteuert wird, dann wird das Halbleiterrelais während jeweils einer Halbperiode der Netzwechselspannung leitend, auf die dann jeweils zwei Halbperioden folgen, während welcher das Halbleiterrelais 22 keinen Strom durchläßt. Wenn das Halbleiterrelais 22 von dem zweiten Ausgangssignal 36 am Ausgang 34 gesteuert wird, dann wird es während zwei er aufeinanderfolgender Halbperioden leitend, an die sich eine Halbperiode anschließt, während welcher das Halbleiterrelais 22 nicht leitend ist.As can be seen from FIG. 2, there is a zero crossing 20 in each case the AC mains voltage between two adjacent pulses 18 the square pulse train. One pulse occurs in each pulse of the output signal 32 Zero crossing. Between successive pulses of the output signal 32 lie two zero crossings of the mains alternating voltage at which there is no output signal 32 is at output 30. Each pulse of the output signal 36 at the output 34 of the frequency divider 20 extends over two successive zero crossings 20 of the AC mains voltage. There is a zero crossing between successive pulses of the output signal 36 the AC mains voltage at which there is no signal at output 34. If that Semiconductor relay 22 is controlled by the first output signal 32, then the Semiconductor relay conducting for one half cycle of the AC mains voltage, which are then followed by two half-periods during which the solid-state relay 22 does not let any current through. When the semiconductor relay 22 from the second output signal 36 is controlled at output 34, then it will be consecutive during two Half-periods conducting, followed by a half-period during which the Solid state relay 22 is not conductive.
Der Strom durch den Verbraucher 26 hat dann die in der vorletzten Zeile von Fig.2 dargestellte Form.The current through the consumer 26 then has that in the penultimate Line of Fig.2 shown shape.
Die Mittel 28 zum Steuern des Halbleiterrelais sind bei der Ausführungsform nach Fig.l von einem Wählschalter gebildet, dessen Schalterarm 40 wahlweise an Masse (Signal "L"), an den ersten Ausgang 30, an den zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 oder an ein Dauersignal "H" anlegbar ist. Der Schalterarm 40 ist über einen Widerstand 42 mit dem Eingang 38 verbunden.The means 28 for controlling the semiconductor relay are in the embodiment According to Fig.l formed by a selector switch, the switch arm 40 optionally to ground (Signal "L"), to the first output 30, to the second output 34 of the frequency divider 20 or to a permanent signal "H" can be applied. The switch arm 40 is across a resistor 42 connected to input 38.
Es können mit einer solchen Anordnung verschiedene Stromverläufe durch den Verbraucher 26 erzeugt werden, wie sie in Fig.3 dargestellt sind. Wenn der Schalterarm 40 ständig an dem Signal "L" liegt, dann ist der Triac 24 ständig gesperrt. Es fließt kein Strom. Liegt der Schalterarm 40 an dem Ausgang 30 des Frequenzteilers 20, dann wird, wie in der ersten Zeile von Fig.3 dargestellt ist, jede dritte Halbwelle der Netzwechselspannung zum Verbraucher 26 durchgelassen. Ist der Schalterarm 40 mit dem dritten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 verbunden, dann ergibt sich, wie schon im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert wurde, ein Stromverlauf im Verbraucher 26 entsprechend der zweiten Zeile von Wenn 3 Wenn der Schalterarm 40 an das Dauersignal H" angelegt wird, dann bleibt der Triac 24 ständig leitend. Es wird die volle Netzwechselspannung zum Verbraucher 26 durchgelassen. Dementsprechend ist der Verbraucher 26 je nach Stellung des Schalterarms 40 entweder abgeschaltet, mit 1/3 der Leistung, mit 2/3 der Leistung oder mit der vollen Leistung beaufschlagt. Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, ist in jedem Fall der Gleichstrommittelwert des durch den Verbraucher 26 fließenden Stromes null.With such an arrangement, different currents can flow through the consumer 26 are generated, as shown in Figure 3. When the switch arm 40 is constantly on the signal "L", then the triac 24 is constantly blocked. It flows no electricity. If the switch arm 40 is at the output 30 of the frequency divider 20, then is, as shown in the first line of Fig.3, every third half-wave of AC line voltage to consumer 26 let through. Is the switch arm 40 with connected to the third output 34 of the frequency divider 20, then the result is, as already has been explained in connection with Figure 2, a current curve in the consumer 26 accordingly of the second line of If 3 If the switch arm 40 is applied to the continuous signal H " is, then the triac 24 remains continuously conductive. The full AC mains voltage is used passed to the consumer 26. Accordingly, the consumer 26 is dependent on Position of the switch arm 40 either switched off, with 1/3 of the power, with 2/3 the performance or charged with the full performance. As can be seen from Fig.3 is, in any case, is the mean DC value of that flowing through consumer 26 Current zero.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 enthalten die "Mittel zum Steuern des Halbleiterrelais" für ein Halbleiterrelais 44 ein erstes UND-Glied 46, dessen einer Eingang 48 an dem ersten Ausgang 30 des Frequenzteilers anliegt sowie ein zweites UND-Glied 50, dessen einer Eingang 52 an dem zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 anliegt und ein ODER-Glied 53 mit drei Eingängen 54,56 und 58.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the "contain means for controlling of the semiconductor relay "for a semiconductor relay 44 a first AND gate 46, whose an input 48 is applied to the first output 30 of the frequency divider and a second AND gate 50, one input 52 of which at the second output 34 of the frequency divider 20 is applied and an OR gate 53 with three inputs 54, 56 and 58.
Weiterhin ist ein Komparator 60 vorgesehen, der in Abhängigkeit von einem Eingangssignal an einem Eingang 62 bei Überschreiten abgestufter Schwellwerte Ausgangssignale an einem ersten, einem zweiten und einem dritten Ausgang 64 bzw. 66 bzw. 68 liefert.A comparator 60 is also provided, which is shown in FIG Addiction of an input signal at an input 62 when stepped threshold values are exceeded Output signals at a first, a second and a third output 64 and 66 or 68 delivers.
Der erste Ausgang 64 des Komparators 60 ist mit dem anderen Eingang 70 des ersten UND-Gliedes 46 verbunden. Der zweite Ausgang 66 des Komparators 60 ist mit dem anderen Eingang 72 des zweiten UND-Gliedes 50 verbunden. Die Ausgänge der UND-Glieder 46 und 50 sind mit dem ersten Eingang 54 bzw. dem zweiten Eingang 56 des ODER-Gliedes 53 verbunden. An dem dritten Eingang 58 des ODER-Gliedes 53 liegt der dritte Ausgang 68 des Komparators 60. Der Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 steuert das Halbleiterrelais 44.The first output 64 of the comparator 60 is with the other input 70 of the first AND gate 46 connected. The second output 66 of the comparator 60 is connected to the other input 72 of the second AND element 50. The exits AND gates 46 and 50 are connected to the first input 54 and the second input, respectively 56 of the OR gate 53 connected. At the third input 58 of the OR gate 53 is the third output 68 of the comparator 60. The output 74 of the OR gate 53 controls the semiconductor relay 44.
Bei einem Anstieg des Eingangssignals 26 erscheint ein Signal H" nacheinander an den Ausgängen 64,66 und 68. Bei einem relativ kleinen Eingangssignal entsprechend beispielsweise einer relativ kleinen Regelabweichung, erscheint ein Ausgangssignal an dem ersten Ausgang 64 des Komparators 60. Über das UND-Glied 46 wird daher das Signal 32 (Fig.2) vom Ausgang 30 des Frequenzteilers 20 an dem Eingang 54 des ODER-Gliedes 53 wirksam, während an den Eingängen 56 und 58 des ODER-Gliedes 53 kein Signal anliegt. Das damit am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 erscheinende Signal 32 steuert das Halbleiterrelais 44 während jeder dritten Halbwelle auf, so daß durch den Verbraucher ein Strom entsprechend der ersten Zeile von Fig.3 fließt. Bei einem weiteren Anstieg des Signals am Eingang 62 erscheint ein Signal H" auch am Ausgang 66 des Komparators 60.When the input signal 26 rises, a signal H "appears one after the other at the outputs 64,66 and 68. Correspondingly for a relatively small input signal for example a relatively small system deviation, an output signal appears at the first output 64 of the comparator 60. The AND gate 46 is therefore the Signal 32 (FIG. 2) from the output 30 of the frequency divider 20 to the input 54 of the OR gate 53 effective, while at the inputs 56 and 58 of the OR gate 53 no signal is present. The signal 32 thus appearing at the output 74 of the OR gate 53 controls the semiconductor relay 44 during every third half-wave, so that a current through the consumer accordingly the first line of Fig.3 flows. With a further increase in the signal at the input 62 a signal H ″ also appears at the output 66 of the comparator 60.
Über das UND-Glied 50 wird jetzt das Signal 36 vom Ausgang 32 des Frequenzteilers 20 am Eingang 56 des ODER-Gliedes 53 und damit auch am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 wirksam. Das Halbleiterrelais 44 wird jeweils während zwei aus drei Halbperioden der Wechsel spannung aufgesteuert, so daß durch den Verbraucher ein Strom entsprechend der zweiten Zeile von Fig.3 fließt. Schließlich wird bei einem weiteren Anstieg des Signals am Eingang 32 ein Signal H" auch an dem dritten Ausgang 68 des Komparators 60 wirksam, der unmittelbar mit dem dritten Eingang 58 des ODER-Gliedes 53 verbunden ist. Am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 erscheint daher ein Dauersignal "H". Das Halbleiterrelais 44 wird ständig aufgesteuert, so daß die volle Netzwechselspannung am Verbraucher wirksam wird.Via the AND gate 50, the signal 36 from the output 32 of the Frequency divider 20 at the input 56 of the OR gate 53 and thus also effective at the output 74 of the OR gate 53. The semiconductor relay 44 is each during two out of three half-periods of the alternating voltage turned on, so that by the consumer a current flows according to the second line of Fig.3. In the end If the signal at input 32 rises further, a signal H "will also be on the third output 68 of the comparator 60 effective, which is directly connected to the third Input 58 of the OR gate 53 is connected. At the output 74 of the OR gate 53 therefore a continuous signal "H" appears. The semiconductor relay 44 is constantly turned on, so that the full AC mains voltage is effective at the consumer.
Bei der in Fig.4 dargestellten bevorzugten Ausführung sind drei Halbleiterrelais 76,78 und 44 für je eine Phase eines Drehstroms vorgesehen. Der Komparator 60 weist drei Gruppen von Ausgängen 80,82,84 sowie 86,88,90 und 64,66,68 auf. Jede dieser Gruppen von Ausgängen ist auf jeweils eine Logikschaltung 92,94,96 von zwei UND-Gliedern 98,100 sowie 102,104 und 46,50 und einem ODER-Glied 106,108,53 geschaltet, die in der im Zusammenhang mit Gruppe 96 beschriebenen Weise verknüpft und außerdem von den Ausgängen 30,34 des Frequenzteilers 20 beaufschlagt ist. Durch die Logikschaltungen 92,94 und 96 ist jeweils eines der drei Halbleiterrelais steuerbar.In the preferred embodiment shown in FIG. 4, there are three semiconductor relays 76, 78 and 44 each provided for one phase of a three-phase current. The comparator 60 has three groups of outputs 80,82,84 as well as 86,88,90 and 64,66,68. Any of these Groups of outputs are each on a logic circuit 92,94,96 of two AND gates 98,100 as well as 102,104 and 46,50 and an OR gate 106,108,53 connected in in the manner described in connection with Group 96 and also by the outputs 30,34 of the frequency divider 20 is applied. Through the logic circuits 92, 94 and 96, one of the three semiconductor relays can each be controlled.
Bei der beschriebenen Anordnung erscheint das Signal H" bei einem Anstieg des Signals am Eingang 62 nacheinander an den Ausgängen 80,82,84,86,88,64,66 und 68. Es wird daher über die Logikschaltung 92 zunächst das Halbleiterrelais 76 in der beschrie- benen Weise in drei Stufen gesteuert, bis bei Auftreten eines Signals am Ausgang 84 die von dem Halbleiterrelais 76 gesteuerte Phase des Drehstroms voll durchgeschaltet ist. Bei weiterem Anstieg des Eingangssignals 62 wird über das Halbleiterrelais 78 die zweite Phase des Drehstroms in der beschriebenen Weise in drei Stufen gesteuert, während die erste Phase weiterhin voll durchgesteuert bleibt.In the arrangement described, the signal H "appears at a Rise in the signal at the input 62 successively at the outputs 80,82,84,86,88,64,66 and 68. The semiconductor relay 76 is therefore first activated via the logic circuit 92 in the described benen way controlled in three stages until at Occurrence of a signal at the output 84 controlled by the semiconductor relay 76 Phase of the three-phase current is fully switched through. If the input signal continues to rise 62, the second phase of the three-phase current in the described is via the semiconductor relay 78 Way controlled in three stages, while the first phase continues to be fully controlled remain.
Schließlich wird über die Ausgänge 64,66 und 68 die dritte Phase des Drehstroms mittels des Halbleiterrelais 44 gesteuert. Die installierte Leistung kann somit in insgesamt neun Stufen geschaltet werden.Finally, the third phase of the Three-phase current controlled by means of the semiconductor relay 44. The installed power can thus be switched in a total of nine stages.
Bei der dargestellten Ausführung werden die drei Phasen des Drehstroms nacheinander stufenweise zugeschaltet. Es ist auch möglich, statt dessen nacheinander jede der drei Phasen mit einem Drittel der Leistung einzuschalten, dann nacheinander jede der Phasen mit zwei Drittel der Leistung und schließlich nacheinander jede der drei Phasen mit voller Leistung.In the embodiment shown, the three phases of the three-phase current gradually switched on one after the other. It is also possible to do this one after the other instead to switch on each of the three phases with a third of the power, then one after the other each of the phases with two thirds of the power and finally each one in turn of the three phases at full power.
Eine andere Möglichkeit (bei Verwendung eines Komparators mit drei Ausgängen) besteht darin, gleichzeitig alle drei Halbleiterrelais 76,78 und 44 anzusteuern und in drei Stufen zu schalten.Another option (when using a comparator with three Outputs) consists in controlling all three semiconductor relays 76, 78 and 44 at the same time and to switch in three stages.
Die erstere Variante erhält man dadurch, daß man die Verbindung der UND-Glieder mit den Ausgängen 82 und 86, mit den Ausgängen 84 und 64 und mit den Ausgängen 90 und 66 vertauscht. Diese Variante hat den Vorteil einer gleichmäßigeren Belastung des Drehstromnetzes.The former variant is obtained by connecting the AND gates with the outputs 82 and 86, with the outputs 84 and 64 and with the Outputs 90 and 66 swapped. This variant has the advantage of being more even Load on the three-phase network.
Bei der dargestellten Ausführung ist das Eingangssignal am Eingang 62 des Komparators 60 von einer stetig veränderlichen Steuerspannung an einem Eingang 110 und einer der Steuerspannung in einem Summierpunkt 112 überlagerten Dreieckspannung von einem Dreieckgenerator 114 gebildet. Eine solche Anordnung bewirkt eine Pulsbreitenmodulation, wobei die Leistung jeweils zwischen den zwei höchsten angesteuerten Leistungsstufen hin- und hergeschaltet wird. Beispielsweise erscheint ein Signal H" an dem Ausgang 90 als Dauersignal, während an dem Ausgang 64 ein Signal mit einer Impulsbreite auftritt, die sich stetig mit dem Signal am Eingang 110 ändert. Es kann auf diese Weise die zugeführte Leistung stetig verändert werden. Die gepulste Leistung entspricht dabei der Leistungsdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen. Die Frequenz, mit welcher die Leistung gepulst wird, wird durch den Dreieckgenerator 114 vorgegeben.In the embodiment shown, the input signal is at the input 62 of the comparator 60 from a continuously variable control voltage at an input 110 and a triangular voltage superimposed on the control voltage in a summing point 112 formed by a triangle generator 114. Such an arrangement causes a pulse width modulation, where the power is between the two highest controlled power levels is switched back and forth. For example, a signal H "appears at the output 90 as a continuous signal, while at the output 64 a signal with a pulse width occurs, which changes continuously with the signal at input 110. It can be based on this Way the supplied power can be constantly changed. The pulsed power corresponds to where the difference in performance between two successive levels. The frequency The triangular generator 114 specifies with which the power is pulsed.
Mit einer Anordnung der beschriebenen Art läßt sich eine Temperaturregelung für einen elektrischen Durchlauferhitzer durchführen, wobei die Forderungen der DIN EN 50006/VDE 0838 erfüllt sind.With an arrangement of the type described, temperature control can be achieved for an electric water heater, with the requirements of DIN EN 50006 / VDE 0838 are met.
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