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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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