Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln der Auslauftemperatur eines elektrisch beheizten Durchlauferhitzers mit in einem Durchflusskanal angeordneten Heizwiderständen, einem von einem Regler gesteuerten Triac, einem Strömungsschalter und einem eine Konstantlast zuschaltenden Relais.
Bei einem derartigen Durchlauferhitzer sind die Heizwen dem im Stern geschaltet, wobei einer Heizwendel ein Triac zugeordnet ist. In den Strompfad der anderen Heizwendel ist ein Relaiskontakt eingeschaltet.
Die vom Triac gesteuerte Leistung bewegt sich dabei zwischen 0 und 50% der Gesamtleistung, bei einem 21-kW Durchlauferhitzer bedeutet das, dass maximal eine Leistung von 10,5 kW getaktet wird. Diese Leistungstaktung bedingt einen sehr teuren Triac, ausserdem ergeben sich erhebliche Flickerstörungen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die mit preiswerten Bauelementen auskommt und keine störenden Netzspannungsschwankungen hervorruft. Weiterhin soll eine Regelbarkeit von 0 bis zur maximalen Leistung erzielt werden. Weiterhin soll dafür Sorge getragen werden, dass die Auslauftemperatur des Strömungsmediums konstant bleibt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die getaktete kleine Leistung ergibt sich der Vorteil, dass keine störenden Netzspannungsschwankungen auftreten.
Die Höhe dieser Schwankungen ist dabei abhängig vom Innenwiderstand des Netzes und der Taktleistung.
Diese Regeleinrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Dreieckschaltung von vier Heizwendeln in einem Durchlauferhitzer.
Weiterhin ergibt sich durch das Zuschalten nur kleiner Leistungen kein Überschwingen der Temperatur, da nur jeweils ein Bruchteil der Gesamtleistung zu- oder abgeschaltet wird.
Weitere wesentliche Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur, die eine Prinzipdarstellung der Regeleinrichtung zeigt.
In der Figur bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
In einem Kanal 1 eines nicht dargestellten Durchlauferhitzers sind Heizwendeln 2, 3, 4 und 5 gleicher Leistung angeordnet. Diese Heizwendeln können sowohl als Blankdrahtwiderstände wie auch als umhüllte Heizwendeln ausgebildet sein.
Ein temperaturabhängiger Widerstand 6 ist im Auslauf 7 angeordnet und wird von der Temperatur des auslaufenden Wassers beaufschlagt. Der temperaturabhängige Widerstand 6 ist über Leitungen 8, 9 mit einem Verstärker und Vergleicher 10 verbunden, der seinen Sollwert von einem Sollwertgeber 11 über die Leitungen 12 erhält. Die vom Vergleicher und Verstärker 10 erzeugte Spannung wird einerseits über eine Leitung 13 einem Eingang 14 eines Spannungsimpulsbreitenwandlers und eines Nullspannungsschalters 15 und über einen Tiefpass 16 den Eingängen 17 und 18 zweier Komparatoren 19, 20, die parallel geschaltet sind, anderseits mitgeteilt.
Der Ausgang 21 des Komparators 19 steuert über eine Leitung 22 einen Setzeingang 23 eines Flip-Flops 24 und einen Eingang 25 eines Konjunktionsgatters 26, das seinerseits über einen Ausgang 27 einen Setzeingang 28 eines weiteren Flip Flops 29 beeinflusst.
Ein Ausgang 30 des Komparators 20 beaufschlagt über einen Inverter 31 einen Rücksetzeingang 32 des Flip-Flops 24 und einen Eingang 33 eines Konjunktionsgatters 34, das seinerseits über einen Ausgang 35 einen Eingang 36 des Flip Flops 29 bestromt.
Ein Ausgang 37 des Flip-Flops 24 wirkt über eine Leitung 38 auf ein Zeitgerät 39 und eine Spule eines Relais 40. Das Zeitglied 39 korrespondiert dabei über einen Ausgang 41 mit einem Eingang 42 des Konjunktionsgatters 26 und über einen Inverter 43 mit einem Eingang 44 des Konjunktionsgatters 34.
Die Spule des Relais 40 ist über eine Leitung 45 mit einem Kontakt 46 eines Umschalters 47 des Relais 40, mit einem Kathodenanschluss 48 eines Triacs 49 und mit einem Schaltkontakt 50 eines Wasserschalters 51 verbunden. Der Wasserschalter 51 wird vom strömenden Wasser beeinflusst. Am Schliesser 52 des Wasserschalters 51 ist die Phase R angeschlossen.
Ein Anodenanschluss 53 des Triacs 49 korrespondiert mit einem Schaltkontakt 54 des Umschalters 47 und mit einem Schaltkontakt 55 eines Schliessers 56. Ein Anschluss 57 der Heizwendel 5 ist an einen Wurzelkontakt 58 angeschlossen, während der andere Anschluss 59 mit einem Schliesser 56 des Relais 40 und einem Anschluss 60 der Heizwendel 4 korrespondiert. Ein Anschluss 61 der Heizwendel 4 ist einerseits an einen Schliesser 62 des Wasserschalters 51 und anderseits an einen Anschluss 63 der Heizwendel 3 angeschlossen.
Eine Phase S bestromt den Schliesser 62 des Wasserschalters 51. Eine Phase T ist an einen Schliesser 64 eines Wasserschalters 65 angeschlossen. Dieser Wasserschalter wird ebenfalls von dem im Kanal 1 fliessenden Wasserstrom beeinflusst.
An den Schliesser 64 des Wasserschalters 65 ist je ein Anschluss 66 und 67 der Heizwendeln 3 und 2 angeschlossen. Ein Anschluss 68 der Heizwendel 2 korrespondiert über einen Relaiskontakt 69 mit dem Schliesser 52 des Wasserschalters 51, wobei der Relaiskontakt 69 von einem Relais 70, das vom Ausgang 71 des Flip-Flops 29 bestromt wird, betätigt wird.
Ein Gate-Anschluss 72 des Triacs 49 ist an einen Ausgang 73 des Nullspannungsschalters 15 angeschlossen.
Mit dem Bezugszeichen 74 ist die Regelstrecke bezeichnet, während der Block 75 das Messglied mit den Ausgangsleitungen 8 und 9 charakterisiert. Im Block 76 ist der Regler zusammengefasst, während sich im Block 77 die Stellglieder befinden.
Die Funktion der Schaltung ist folgende:
Mit dem Sollwerteinsteller 11 wird die gewünschte Auslauftemperatur des Wassers eingestellt. Der Fühler 6 fühlt dabei die Temperatur des auslaufenden Wassers. Im Verstärker und Vergleicher 10 wird dieser Istwert mit dem Sollwert verglichen und in eine der Abweichung proportionale Spannung umgewandelt, die über den Nullspannungsschalter 15 den Triac mit Impulspaketen ansteuert. Unterschreitet die Temperatur des ausfliessenden Wassers den unteren Grenzwert der Temperatur, so steht am Ausgang 21 des Komparators 19 H-Potential an, das unmittelbar dem Eingang 23 des Flip-Flops 24 mitgeteilt wird. Das Ausgangssignal 30 des Komparators 20 erscheint invertiert am Eingang 32 des Flip Flops 24 als L-Signal. Das Flip-Flop 24, das z. B. als RS Flip-Flop ausgebildet sein kann, wird somit gesetzt.
Der Ausgang 37 des Flip-Flops 24 nimmt dabei H-Potential an, so dass das Relais 40 anzieht.
Die Heizwendeln 5 und 4 werden dabei an die Phasen R und S gelegt, da der Wasserschalter 51 schon bei der Mindestwassermenge geschaltet hat. Parallel zum Kontakt 47 des Relais 40 wird der Triac 49 eingeschaltet. Ist der Triac gesperrt, so liegen die beiden Heizwendeln 5 und 4 an 380 V Wechselspannung. Bei einer Leistung von z. B. 7 kW je Heizwendel ergibt sich eine Gesamtleistung von 3,5 kW. Der Triac 49 wird vom Nullspannungsschalter 15 mit Impulspaketen beaufschlagt; jedesmal wenn der Triac 49 durchschaltet, wird die Heizwendel 5 kurzgeschlossen und die Phasen R und S mit 7-kW-Leistung belastet, mit anderen Worten, der Triac schaltet eine Leistung von 3,5 kW im Bereich 3,5 bis 7 kW abhängig von den Impulspaketen des Nullspannungsschalters 15 ein und aus.
Ist innerhalb einer vom Zeitglied 39 bestimmten Zeit die Temperatur in den Proportionalbereich, d. h. zwischen die beiden Schaltpunkte der Komparatoren 19, 20 gekommen, so springt der Ausgang 21 des Komparators 19 auf L-Potential.
An beiden Eingängen 23 und 32 des Flip-Flops 24 steht L-Potential, das bedeutet für das Flip-Flop speichern .
Überschreitet die Temperatur des ausfliessenden Wassers den oberen Grenzwert der Temperatur, so kippt der Komparator 20, sein Ausgang 30 wird L. Für das Flip-Flop 24 bedeutet das, dass sein Eingang 23 L und sein Eingang 32 H-Potential annimmt. Damit wird das Flip-Flop 24 zurückgesetzt; d. h. sein Ausgang 37 nimmt L-Potential an, und das Relais 40 fällt ab.
Der Umschalter 47 schaltet um auf den Kontakt 54, so dass die Reihenschaltung der Heizwendeln 5 und 4 über den Triac 49 an die Phasen R und S gelegt wird. Der Triac 49 schaltet jetzt ebenfalls nur eine Leistung von 3,5 kW im Bereich 0 bis 3,5 kW.
Da die Schwellenspannungen der Komparatoren 19 und 20 unterschiedlich sind, ergibt sich eine definierte Hysterese, die ein Flattern des Relais verhindert. Weiterhin werden höherfrequente Einstreuungen durch den Tiefpass 16 abgeblockt.
Die Hysterese ist erforderlich, um ein Über- bzw. Unterschreiten des Proportionalbereiches überhaupt feststellen zu könnten.
Wird die Auslauftemperatur zu gering und hat das Relais 40 angezogen, so werden die Ausgänge 21 und 30 der Komparatoren 19 und 20 H-Potential annehmen. Am Eingang 23 des Flip-Flops 24 liegt also H-, am Eingang 32 L-Potential an. Der Ausgang 37 des Flip-Flops 24 weist somit H-Pegel auf. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Zeitgliedes 39 wird der Ausgang 41 H-Potential annehmen. Die Grundbedingung des Konjunktionsgatters 26 ist, da beide Eingänge 42 und 25 H-Potential aufweisen, erfüllt und der Eingang 28 des Flip Flops 29 wird mit H-Potential beaufschlagt.
Das Konjunktionsgatter 34 wird durch die Inversion des
Signals am Ausgang 41 gesperrt, so dass am Ausgang 35 L Potential ansteht, mit dem der Eingang 36 des Flip-Flops 29 beaufschlagt wird. Das Flip-Flop 29 wird gesetzt, und das
Relais 70 zieht an. Damit wird die Reihenschaltung der Heiz wendeln 2 und 3 an die Phasen R und S geschaltet. Die
Gesamtleistung erhöht sich dabei, gleiche Widerstandswerte der Heizwendeln vorausgesetzt, um 3,5 kW, wobei der Kontakt 64 geöffnet ist. Steigt der Wasserstrom weit, so wird etwa in dem Punkt, in dem die Gesamtleistung von 10,5 kW bei der höchsten einstellbaren Temperatur nicht mehr ausreicht, der
Schalter 64 des Wasserschalters 65 geschlossen. Das Wasser erwärmt sich sehr schnell, und die Spannung am Eingang der
Komparatoren (19 und 20) steigt stark an.
Die Ausgänge 21 und 30 der Komparatoren 19 und 20 gehen auf L-Potential, d. h. das Flip-Flop 24 wird zurückgesetzt. Der Ausgang 37 des
Flip-Flops 24 wird L und somit nimmt auch der Ausgang 41 der Zeitstufe 39 L-Potential an. Damit ist die Und-Bedingung des Konjunktionsgatters 26 nicht mehr erfüllt, und der Aus gang 27 geht auf L-Pegel.
Da an den Eingängen 44 und 33 des Konjunktionsgatters 34 H-Pegel anliegt, wird das Flip-Flop 29 zurückgesetzt und die Heizwendel 2 über das Relais 70 abgeschaltet. Die dann ohne erneutes Zuschalten von Relais 70 mögliche maximale Gesamtleistung beträgt 14 kW. Wenn der Wasserstrom erhöht wird und die Leistung nicht mehr ausreicht, die Solltemperatur einzuhalten, wird das Relais 70 wieder betätigt und die Heizwendel 2 eingeschaltet. Es steht dann eine Gesamtleistung von 21 kW zur Verfügung, wovon allerdings nur 3,5 kW getaktet geregelt werden.
Die Logik der Schaltung lässt sich selbstverständlich, je nach Logikfamilie, mit äquivalenten Logikgattern aufbauen.