EP3478024A1 - Einschalten einer heizlast - Google Patents

Einschalten einer heizlast Download PDF

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EP3478024A1
EP3478024A1 EP17198495.8A EP17198495A EP3478024A1 EP 3478024 A1 EP3478024 A1 EP 3478024A1 EP 17198495 A EP17198495 A EP 17198495A EP 3478024 A1 EP3478024 A1 EP 3478024A1
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EP
European Patent Office
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load
angle
current
heating
heating load
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EP17198495.8A
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Axel Haase
Philipp Zinn
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to US16/162,702 priority patent/US20190132912A1/en
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    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B7/02—Details
    • H05B7/144—Power supplies specially adapted for heating by electric discharge; Automatic control of power, e.g. by positioning of electrodes
    • H05B7/148—Automatic control of power
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/12—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC
    • G05F1/40—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices
    • G05F1/44—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only
    • G05F1/45—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only being controlled rectifiers in series with the load
    • G05F1/455—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only being controlled rectifiers in series with the load with phase control
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0019—Circuit arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for switching on a heating load, wherein the heating load can be controlled by means of a phase control method.
  • the phase angle is characterized by a lead angle.
  • the invention further relates to a heating control system for carrying out the method according to the invention.
  • Such a process is particularly useful in industrial heating processes, e.g. for curing paints and tempering of workpieces, in the automotive industry or in the plastics processing industry.
  • radiant heaters are used there, whose cold-start characteristics result in very high currents.
  • radiators with a PTC thermistor characteristic to call, for. Tungsten-halogen lamps In order to enable a safe and fast start when starting such radiant heaters or other heating applications with such unfavorable cold start properties must be ensured that existing fuses are not overloaded and / or maximum currents or services are not exceeded. So far, regardless of the heat load used, a phase control has been used which uses a very conservative and fixed sequence of bleed angles.
  • the lead angle is the angle that describes the proportion of a half-wave with a duration of 180 ° which strikes a load.
  • the bleed angle is also referred to as the ignition angle, esp. Thyristors or triacs.
  • phase-section method which could be used analogously to the phase-angle method, with the difference that the half-wave is cut off at the end and not at the beginning.
  • Object of the present invention is to enable an efficient cold start with any heating loads.
  • the definable initial bleed angle is to be chosen so that it can be concluded on the basis of the resulting current conclusions on the current resistance of the heating load.
  • the resistance of the heating load does not have to be calculated by itself, but the current can be used as a representative. Using this current can be determined and / or calculated for the following lead angles, which load is possible to allow the most effective, fast turn-on without overloading the system or any fuses. It makes sense to choose as large as possible initial lead angle, because so too much power is avoided.
  • An RMS current may be, for example, the RMS value of the current over a half-wave or over several half-waves.
  • I N + 1 I SETn + 1 2 ⁇ t N + t N + 1 - I N 2 ⁇ t N t N + 1
  • the equation is to be considered as a possible embodiment and can be simplified by empirical values or entirely as a lookup table, e.g. for different fuses or general heating load types.
  • the predefinable switch-on current curve predefines a current profile which, based on boundary conditions, results in definable and increasing effective currents.
  • boundary conditions come, for example, the cold start characteristic of a radiator and a maximum load capacity of a fuse in question.
  • the heating load has PTC thermistor properties.
  • the present method can be carried out particularly advantageously, since the heating load is often present, for example, as a tungsten halogen lamp and therefore exhibits a pronounced PTC behavior. This means that when the radiator or the heating load is switched on for the first time, very large currents can occur, with the present method, without further configuration, enabling the heating load to start as quickly as possible.
  • the initial bleed angle is at least 60 °, 90 ° or 120 °.
  • the larger the lead angle the lower the proportion of the half wave that hits the heat load. That the larger the lead angle, the lower the resulting current.
  • This particularly conservative design prevents the maximum load capacity of a fuse or the entire system from being exceeded when the heating load is switched on for the first time.
  • the subsequent bleed angles can thus be determined from the first determined approximation of the behavior of the heating load.
  • the following bleed angles are calculated and / or determined from the determined effective current. This can be done for example by means of a look-up table or a calculation using knife values.
  • the initial bleed angle is selected depending on a temperature of the heating load. This has the advantage that already preheated heating loads can be started even faster. A restart of a slightly cooled heating load is also facilitated. In the case of a PTC thermistor, the warmer it is, the more current can be given directly to the PTC thermistor. So, a less conservative choice of the first initial bleed angle is necessary.
  • the predefinable inrush current does not exceed a characteristic of a fuse.
  • the goal of the fastest possible power-up process is to set the maximum current while maintaining system integrity. If the predefinable inrush current curve is adjusted on the basis of the characteristic curve of the fuse, then it is ensured that the fuse survives the switch-on process unscathed, and thus the integrity of the system is ensured.
  • the fuse can be a single fuse in a power output, but it is also conceivable that the fuse is a higher-level fuse.
  • predefinable inrush current does not fall below a predefinable minimum distance from a characteristic curve of a fuse. This ensures that the fuse remains intact and is a reserve for special cases, e.g. Overloads, foreseeable.
  • the switching on ie the switch-on
  • a lead angle of 50 ° or less has been reached.
  • the switching is terminated when a lead angle has been reached which is smaller than an angle predetermined by the controller for the operation after the switch-on. If a phase control is still used after switching on, the method for switching on a heating load can be ended if the method can already supply higher currents than would be required by the control. This is expressed, for example, by falling below a desired value for a required lead angle.
  • the heating load is activated after switching on by means of a half-wave control.
  • the method for switching on a heating load is performed again when a definable cooling time is exceeded. This makes it possible to always perform an optimal and fast activation or switching on the heat load even when only sporadically used heating loads.
  • the method is carried out again every time the heating load is switched on. Since the method according to the invention can be carried out extremely efficiently and quickly, each switching-on process of the heating load can be carried out with the method. This further increases the reliability and security of the system.
  • a heating control system comprising a power unit and a controller, wherein the power unit is designed for controlling a heating load by means of phase control, wherein the phase control is characterized by gate angle and wherein the controller controls the power unit such that the heat load by means of a definable initial Bleed angle is turned on and the following bleed angles are determined taking into account a determined RMS current and a predetermined turn-on current waveform.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a power channel, as it could be used with the inventive method.
  • the central component is a switch T1, which is designed here, for example, as a triac, thyristors or other power semiconductors are also conceivable. Also visible is a switch T2, which is designed here as an opto-triac and for galvanic decoupling of the power channel is used by a controller CTRL.
  • the input voltage U IN is shown, which can be measured by means of a first voltage measuring device MU1 and subsequently a fuse FUSE, which protects the power channel.
  • the current flowing through the first switch T1 is measured in the current measuring device MI.
  • An output of the power channel OUT is provided with a second voltage measuring device MU2, wherein a heating load LOAD is connected to the output OUT of the power channel.
  • a heating load LOAD is connected to the output OUT of the power channel.
  • the voltage measuring devices MU1, MU2 are not necessary for the method according to the invention. These have been shown for completeness and can, for example, be used for additional plausibility of the procedure and for additional functionalities.
  • the control CTRL can perform a phase control or phase control, as well as other known methods, such as PWM or modifications.
  • fuse FUSE may be a fuse having a corresponding fuse characteristic as in FIG. 3 shown. Backup manufacturers often specify so-called time-current characteristics, from which it can be seen how long a certain current effective value can flow on average before the fuse triggers.
  • FIG. 2 shows the relationship between lead angle ⁇ and effective value I EFF of the current over a half-wave HW.
  • a normalized power in percent% is plotted on the vertical axis, both diagrams extend over a half period from 0 ° to 180 °.
  • the lower diagram shows the amplitude AMP, which is also normalized from 0 to 1 here.
  • the upper diagram shows the actual RMS current I EFF and the corresponding power P.
  • the lower diagram shows a corresponding half-wave, for example the voltage half-wave HW.
  • a lead angle ⁇ of 120 ° is selected. If it is assumed that the current follows an ideal sinusoidal shape over time, the result for the selected ignition angle is an effective value of approximately 44% of the effective value I EFF .
  • FIG. 3 shows on the basis of a section of a tripping characteristic FUSE max of a fuse FUSE, as with the help of determined by the method gate angles a predetermined switch-on current waveform I start to be approximated and tracked as quickly as possible.
  • the tripping characteristic shown is a characteristic which applies an effective current I EFF with respect to the melting time T MELT .
  • the inrush current profile I Start has a predetermined distance DIST from the maximum current-time characteristic FUSE max . By a parallel displacement here the distance DIST could be further reduced to achieve an even faster turn-on. This would have decreased Reserves and should therefore be taken into account when designing the system.
  • the initial ignition angle ⁇ INIT leads to a low first RMS current I EFF , so that it can be determined directly after the first ignition, which subsequent load is permitted. Already with the first bleed angle ⁇ 1, the current is brought to the predetermined inrush current.
  • the inrush current course I start is correspondingly pursued and an effective and fast start-up procedure is possible without endangering the fuse FUSE or the power channel or even the entire heating system.
  • the RMS current I rms I start approaching to each of the other lead angle ⁇ 2 to ⁇ 5 successively to the inrush current. Due to the PTC thermistor characteristic, the resistance of the heating load decreases with increasing temperature and the lead angles ⁇ 2 to ⁇ 5 can be adjusted accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschalten einer Heizlast (LOAD), wobei die Heizlast (LOAD) mittels Phasenanschnitt ansteuerbar ist und wobei der jeweils aktuelle Phasenanschnitt durch einen Anschnittwinkel (Õ1,..., Õn) charakterisiert ist. Um einen effizienten Kaltstart mit beliebigen Heizlasten zu ermöglichen werden folgende Schritte vorgeschlagen: €¢ Einschalten der Heizlast (LOAD) mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels (cpINIT), €¢ Ermitteln der folgenden Anschnittwinkel (Õ 1 ,..., Õn) unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms (I EFF ) und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs (I Start ). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Heizungssteuerungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschalten einer Heizlast, wobei die Heizlast mittels eines Phasenanschnittverfahrens ansteuerbar ist. Der Phasenanschnitt ist dabei durch einen Anschnittwinkel charakterisiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Heizungssteuerungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ein derartiges Verfahren kommt insbesondere bei industriellen Heizprozessen, z.B. zum Aushärten von Lacken und Temperieren von Werkstücken, in der Automobilindustrie oder auch in der kunststoffverarbeitenden Industrie zum Einsatz.
  • Oftmals kommen dort Heizstrahler zum Einsatz, deren Kaltstartcharakteristik sehr hohe Ströme zur Folge haben. Beispielsweise sind Heizstrahler mit Kaltleitercharakteristik zu nennen, z.B. Wolfram-Halogenstrahler. Um nun beim Starten derartiger Heizstrahler oder anderer Heizapplikationen mit derartig ungünstigen Kaltstarteigenschaften einen sicheren und möglichst schnellen Start zu ermöglichen muss gewährleistet werden, dass vorhandene Sicherungen nicht überlastet und/oder maximale Ströme bzw. Leistungen nicht überschritten werden. Bisher wurde unabhängig von der eingesetzten Heizlast eine Phasenanschnittsteuerung eingesetzt, die eine sehr konservative und festgelegte Reihenfolge von Anschnittwinkeln verwendet.
  • Der Anschnittwinkel ist dabei der Winkel, der den Anteil einer Halbwelle mit einer Dauer von 180° beschreibt der auf eine Last trifft. Der Anschnittwinkel wird auch als Zündwinkel bezeichnet, insb. bei Thyristoren oder Triacs. Es gibt auch ein so genanntes Phasenabschnittverfahren, das analog zum Phasenanschnittverfahren eingesetzt werden könnte, mit dem Unterschied, dass die Halbwelle am Ende und nicht am Anfang abgeschnitten wird.
  • Da verschiedene Strahler mit verschiedenen Startcharakteristika zum Einsatz kommen, muss bei den bisherigen Verfahren entweder die festgelegte Winkelreihenfolge sehr konservativ gewählt werden oder jedes Mal anhand der Strahler neu festgelegt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienten Kaltstart mit beliebigen Heizlasten zu ermöglichen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch folgende Schritte:
    • Einschalten der Heizlast mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels und
    • Ermitteln der folgenden Anschnittwinkel unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs.
  • Der festlegbare initiale Anschnittwinkel soll dabei so gewählt werden, dass anhand des sich daraus ergebenen Stroms Rückschlüsse auf den aktuellen Widerstand der Heizlast geschlossen werden können. Der Widerstand der Heizlast muss dabei aber nicht selbst berechnet werden, sondern der Strom kann stellvertretend verwendet werden. Unter Anwendung dieses Stroms kann für die folgenden Anschnittwinkel ermittelt und/oder berechnet werden, welche Belastung möglich ist um einen möglichst effektiven, schnellen Einschaltvorgang zu ermöglichen ohne das System oder etwaige Sicherungen zu überlasten. Es bietet sich an, möglichst große initiale Anschnittwinkel zu wählen, da so ein zu großer Strom vermieden wird. Ein Effektivstrom kann dabei bspw. der RMS-Wert des Stromes über eine Halbwelle oder über mehrere Halbwellen sein. Es können ebenso nur einzelne Messwerte bzw. Momentanwerte in der Halbwelle als Grundlage für den Effektivstrom und damit als Grundlage zur Berechnung/Ermittlung gemäß dem vorgestellten Verfahren verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht es somit, unabhängig von der verwendeten Heizlast, automatisiert die bestmöglichste Reihenfolge von Zündwinkeln beim Kaltstart zu erreichen.
  • Im Folgenden wird beispielhaft erläutert, wie der zu berücksichtigende Effektivstrom in die Berechnung eines zu stellenden folgenden Effektivstroms mit einfließen kann. I N + 1 = I setN + 1 2 ⋅ t N + t N + 1 − I N 2 ⋅ t N t N + 1
    Figure imgb0001
  • Dabei beschreibt:
    • IN+1
    den zu stellenden folgenden Effektivstrom, also der gemäß des Einschalt-Stromverlaufs zulässige folgende Halbwellen-Effektivwert, aus dem der folgende zu stellende Anschnittwinkel/Zündwinkel ermittelt werden kann,
    IsetN+1
    den Sollwert zum folgenden Nulldurchgangszeitpunkt gemäß des Einschalt-Stromverlaufs,
    IN
    den zu berücksichtigenden Effektivstrom (z.B. ein mittels Hall-Sensor gemessener Gesamt-Effektivstrom seit Beginn des Einschaltvorgangs),
    tN
    die bisherige Gesamtdauer des Einschaltvorgangs und
    tN+1
    die Dauer der folgenden Halbwelle.
  • Die Gleichung ist dabei als eine mögliche Ausführungsform anzusehen und kann durch Erfahrungswerte vereinfacht werden oder ganz als Lookup Tabelle, z.B. für verschiedene Sicherungen oder allgemeine Heizlast-Typen, hinterlegt werden.
  • Der vorgebbare Einschalt-Stromverlauf gibt dabei einen Stromverlauf vor, der anhand von Randbedingungen festlegbare und ansteigende Effektivströme zur Folge hat. Als Randbedingungen kommen hier z.B. die Kaltstartcharakteristik eines Strahlers und eine maximale Belastbarkeit einer Sicherung in Frage.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Heizlast Kaltleitereigenschaften auf. Das vorliegende Verfahren ist so besonders vorteilhaft durchführbar, da die Heizlast oftmals beispielsweise als Wolfram-Halogenstrahler vorliegt und deshalb ein ausgeprägtes Kaltleiterverhalten zeigt. Dies bedeutet, dass beim erstmaligen kalten Anschalten des Strahlers bzw. der Heizlast sehr große Ströme entstehen können, wobei das vorliegende Verfahren ohne weitere Konfiguration einen schnellstmöglichen Startvorgang der Heizlast ermöglicht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der initiale Anschnittwinkel zumindest 60°, 90° oder 120°. Je größer der Anschnittwinkel, desto geringer ist der Anteil der Halbwelle, der auf die Heizlast trifft. D.h. je größer der Anschnittwinkel ist, desto geringer ist der entstehende Strom. Mit dieser besonders konservativen Auslegung wird verhindert, dass bereits beim ersten Einschalten der Heizlast die maximale Belastbarkeit einer Sicherung oder des Gesamtsystems überschritten wird. Die darauf folgenden Anschnittwinkel können somit aus der ersten ermittelten Näherung des Verhaltens der Heizlast ermittelt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die folgenden Anschnittwinkel aus dem ermittelten Effektivstrom berechnet und/oder ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels einer look-up-Tabelle oder einer Berechnung unter Verwendung von Messerwerten geschehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der initiale Anschnittwinkel abhängig von einer Temperatur der Heizlast gewählt. Dies hat den Vorteil, dass bereits vorgewärmte Heizlasten noch schneller gestartet werden können. Auch ein Wiedereinschalten einer etwas abgekühlten Heizlast wird so erleichtert. Im Falle eines Kaltleiters gilt, je wärmer dieser ist, desto mehr Strom kann direkt initial auf den Kaltleiter gegeben werden. Es ist also eine weniger konservative Wahl des ersten initialen Anschnittwinkels notwendig.
  • In einer weiteren Ausführungsform überschreitet der vorgebbare Einschaltstromverlauf eine Kennlinie einer Sicherung nicht. Ziel eines möglichst schnellen Einschaltvorgangs ist es, den maximalen Strom unter Wahrung der Systemintegrität zu stellen. Wird nun der vorgebbare Einschaltstromverlauf anhand der Kennlinie der Sicherung angepasst, so ist sichergestellt, dass die Sicherung den Einschaltvorgang unbeschadet übersteht, und damit die Integrität des Systems sichergestellt ist. Die Sicherung kann dabei eine einzelne Sicherung in einem Leistungsausgang sein, es ist aber ebenso denkbar, dass die Sicherung eine übergeordnete Sicherung ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der vorgebbare Einschaltstromverlauf einen vorgebbaren Mindestabstand von einer Kennlinie einer Sicherung nicht unterschreitet. Dadurch ist sichergestellt, dass die Sicherung intakt bleibt und es ist eine Reserve für spezielle Fälle, z.B. Überlastfälle, vorsehbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Einschalten, also der Einschaltvorgang, beendet, wenn ein Anschnittwinkel von 50° oder kleiner erreicht wurde. Kann also eine Vollwelle oder annähernd eine Vollwelle geschaltet werden, so ist davon auszugehen, dass die Betriebstemperatur des Heizelements erreicht ist und nun mit einem anderen Ansteuerverfahren, z.B. Halbwellensteuerung, angewendet werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Einschalten beendet, wenn ein Anschnittwinkel erreicht wurde, der kleiner ist, als ein von der Steuerung vorgegebener Winkel für den Betrieb nach dem Einschaltvorgang. Kommt nach dem Einschalten weiterhin eine Phasenanschnittsteuerung zum Einsatz, so kann das Verfahren zum Einschalten einer Heizlast beendet werden, wenn durch das Verfahren bereits größere Ströme gestellt werden können als von der Steuerung gefordert wäre. Dies drückt sich bspw. durch Unterschreiten eines Sollwerts für einen geforderten Anschnittwinkel aus.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Heizlast nach dem Einschalten mittels einer Halbwellensteuerung angesteuert. Es sind ebenso weitere gängige alternative Ansteuerarten denkbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren zum Einschalten einer Heizlast bei Überschreiten einer definierbaren Abkühlzeit erneut durchgeführt. Dies ermöglicht es auch bei nur sporadisch verwendeten Heizlasten immer ein optimales und schnelles Aktivieren bzw. Einschalten der Heizlast durchzuführen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren bei jedem Einschalten der Heizlast erneut durchgeführt. Da das erfindungsgemäße verfahren äußerst effizient und schnell durchführbar ist, kann jeder Einschaltvorgang der Heizlast mit dem Verfahren durchgeführt werden. Die erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems weiter.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Heizungssteuerungssystem aufweisend ein Leistungsteil und eine Steuerung gelöst, wobei das Leistungsteil zur Ansteuerung einer Heizlast mittels Phasenanschnitt ausgebildet ist, wobei der Phasenanschnitt durch Anschnittwinkel charakterisiert ist und wobei die Steuerung das Leistungsteil derart ansteuert, dass die Heizlast mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels eingeschaltet wird und die folgenden Anschnittwinkel unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs ermittelt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    einen schematischen Stromlaufplan eines Leistungskanals,
    FIG 2
    zeigt den Zusammenhang von Anschnittwinkel und Effektivwert des Stroms über eine Halbwelle und
    FIG 3
    eine Auslösekennlinie einer Sicherung sowie einen Einschaltstromverlauf gemäß des vorliegenden Verfahrens.
  • FIG 1 zeigt einen schematischen Stromlaufplan eines Leistungskanals, wie er mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen könnte. Zentrales Bauteil ist ein Schalter T1, der hier bspw. als Triac ausgeführt ist, Thyristoren oder weitere Leistungshalbleiter sind ebenso denkbar. Weiterhin zu sehen ist ein Schalter T2, der hier als Opto-Triac ausgeführt ist und zur galvanischen Entkopplung des Leistungskanals von einer Steuerung CTRL zum Einsatz kommt. Des Weiteren ist die Eingangsspannung UIN dargestellt, die mittels einer ersten Spannungsmesseinrichtung MU1 gemessen werden kann sowie darauf folgend eine Sicherung FUSE, die den Leistungskanal absichert. Der durch den ersten Schalter T1 fließende Strom wird in der Strommesseinrichtung MI gemessen. Ein Ausgang des Leistungskanals OUT ist mit einer zweiten Spannungsmesseinrichtung MU2 versehen, wobei eine Heizlast LOAD an den Ausgang OUT des Leistungskanals angeschlossen ist. Besonders Vorteilhaft ist, dass für das erfindungsgemäße Verfahren die Spannungsmesseinrichtungen MU1, MU2 nicht notwendig sind. Diese wurden der Vollständigkeit wegen gezeigt und können beispielsweise zu einer zusätzlichen Plausibilisierung des Verfahrens und für weitere Funktionalitäten herangezogen werden.
  • Kommt von der Steuerung CTRL ein dementsprechendes Signal, so zündet der Opto-Triac T2 und der Triac T1 wird dadurch ebenfalls gezündet. Die Last OUT wird dann mit der Eingangsspannung UIN beaufschlagt und ein sich gemäß des aktuellen Widerstandes der Last LOAD einstellender Strom fließt. Die Strommesseinrichtung MI kann dabei als Hall-Sensor ausgeführt sein und Strommesswerte zur Verfügung stellen. Die erste Spannungsmesseinrichtung MU1 dient zur Messung der Eingangsspannung UIN, die Spannungsmesseinrichtung MU2 dient zur Messung der Spannung über die Last. Die Steuerung CTRL kann dabei eine Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung, sowie weitere bekannte Verfahren, z.B. PWM oder Abwandlungen, durchführen. Die Sicherung FUSE kann beispielsweise eine Schmelzsicherung sein, die eine entsprechende Sicherungskennlinie, wie in FIG 3 gezeigt, aufweist. Sicherungshersteller geben dabei oft sogenannte Zeit-Strom-Kennlinien an, aus denen abzulesen ist, wie lange ein bestimmter Stromeffektivwert im Durchschnitt fließen kann, ehe die Sicherung auslöst.
  • FIG 2 zeigt den Zusammenhang von Anschnittwinkel ϕ und Effektivwert IEFF des Stroms über eine Halbwelle HW. Im oberen Diagramm ist eine normierte Leistung in Prozent % auf der Hochachse angetragen, beide Diagramme erstrecken sich über eine halbe Periode von 0° bis 180°. Im unteren Diagramm ist die Amplitude AMP angetragen, die hier ebenfalls normiert von 0 bis 1 reicht. Im oberen Diagramm ist der sich einstellende Effektivstrom IEFF sowie die entsprechende Leistung P zu sehen. Im unteren Diagramm ist eine entsprechende Halbwelle, beispielsweise die Spannungshalbwelle HW, zu sehen. Exemplarisch sei ein Anschnittwinkel ϕ von 120° gewählt. Geht man davon aus, dass der Strom über die Zeit einer idealen Sinusform folgt, so ergibt sich für den gewählten Zündwinkel ein Effektivwert von etwa 44 % des Effektivwerts IEFF.
  • FIG 3 zeigt anhand eines Ausschnittes einer Auslösekennlinie FUSEmax einer Sicherung FUSE, wie mit Hilfe von durch das Verfahren ermittelten Anschnittwinkeln ein vorgegebener Einschalt-Stromverlauf IStart möglichst schnell angenähert und verfolgt werden soll.
  • Die gezeigte Auslösekennlinie ist eine Kennlinie, die einen Effektivstrom IEFF gegenüber der Schmelzzeit TMELT aufträgt. Der Einschaltstromverlauf IStart weist dabei einen vorgegebenen Abstand DIST von der maximalen Strom-Zeit-Kennlinie FUSEmax auf. Durch eine Parallelverschiebung könnte hier der Abstand DIST weiter verringert werden, um einen noch schnelleren Einschaltvorgang zu erreichen. Dies hätte aber verringerte Reserven zur Folge und müsste dementsprechend bei der Auslegung des Systems berücksichtigt werden. Der initiale Zündwinkel ϕINIT führt zu einem niedrigen ersten Effektivstrom IEFF, damit direkt nach dem ersten Zünden ermittelt werden kann, welche folgende Belastung zulässig ist. Bereits mit dem ersten Anschnittwinkel ϕ1 wird der Strom auf den vorgegebenen Einschaltstromverlauf gebracht. Mit den weiteren Anschnittwinkeln ϕ2 bis ϕ5 wird der Einschaltstromverlauf IStart dementsprechend weiterverfolgt und ein effektiver und schneller Startvorgang ermöglicht, ohne die Sicherung FUSE bzw. den Leistungskanal oder gar das ganze Heizungssystem zu gefährden. Dabei nähert sich der Effektivstrom IEFF mit jedem der weiteren Anschnittwinkel ϕ2 bis ϕ5 sukzessive an den Einschaltstromverlauf IStart an. Durch die Kaltleiter-Charakteristik sinkt der Widerstand der Heizlast mit steigender Temperatur und die Anschnittwinkel ϕ2 bis ϕ5 können dementsprechend angepasst werden.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einschalten einer Heizlast LOAD, wobei die Heizlast LOAD mittels Phasenanschnitt ansteuerbar ist und wobei der jeweils aktuelle Phasenanschnitt durch einen Anschnittwinkel ϕ1,..., ϕn charakterisiert ist. Um einen effizienten Kaltstart mit beliebigen Heizlasten zu ermöglichen werden folgende Schritte vorgeschlagen:
    • Einschalten der Heizlast LOAD mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels ϕINIT,
    • Ermitteln der folgenden Anschnittwinkel ϕ1,..., ϕn unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms IEFF und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs IStart. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Heizungssteuerungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Einschalten einer Heizlast (LOAD), wobei die Heizlast (LOAD) mittels Phasenanschnitt ansteuerbar ist, wobei der jeweils aktuelle Phasenanschnitt durch einen Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) charakterisiert ist, umfassend die Schritte:
    • Einschalten der Heizlast (LOAD) mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels (ϕINIT),
    • Ermitteln der folgenden Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms (IEFF) und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs (IStart).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizlast (LOAD) Kaltleiter-Eigenschaften aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der initiale Anschnittwinkel (ϕINIT) zumindest 90° oder vorzugsweise zumindest 120° ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf den initialen Anschnittwinkel (ϕINIT) folgenden Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) aus dem ermittelten Effektivstrom (IEFF) berechnet und/oder ermittelt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der initiale Anschnittwinkel (ϕINIT) abhängig von einer Temperatur der Heizlast (LOAD) gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgebbare Einschalt-Stromverlauf (IStart) eine Kennlinie (FUSEmax) einer Sicherung (FUSE) nicht überschreitet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgebbare Einschalt-Stromverlauf (IStart) einen vorgebbaren Mindestabstand (DIST) von einer Kennlinie (FUSEmax) einer Sicherung (FUSE) nicht unterschreitet.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einschalten beendet wird, wenn ein Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) von 50° oder kleiner erreicht wurde.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einschalten beendet wird, wenn ein Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) erreicht wurde, der kleiner ist, als ein von der Steuerung (CTRL) vorgegebener Winkel für den Betrieb nach dem Einschaltvorgang.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizlast (LOAD) nach dem Einschalten mittels einer Halbwellensteuerung angesteuert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren bei Überschreiten einer definierbaren Abkühlzeit der Heizlast (LOAD) erneut durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren bei jedem Einschalten der Heizlast (LOAD) erneut durchgeführt wird.
  13. Heizungssteuerungssystem aufweisend ein Leistungsteil und eine Steuerung,
    wobei das Leistungsteil zur Ansteuerung einer Heizlast (LOAD) mittels Phasenanschnitt ausgebildet ist,
    wobei der Phasenanschnitt durch Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) charakterisiert ist und
    wobei die Steuerung das Leistungsteil derart ansteuert, dass die Heizlast (LOAD) mittels eines festlegbaren initialen Anschnittwinkels (ϕINIT) eingeschaltet wird und
    die folgenden Anschnittwinkel (ϕ1,..., ϕn) unter Berücksichtigung eines ermittelten Effektivstroms (IEFF) und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs (IStart) ermittelt werden.
  14. Heizungssteuerungssystem nach Anspruch 13 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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