[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Leistung
mindestens eines ohmschen Verbrauchers, wie eines Heizfeldes einer Kocheinrichtung
oder dergleichen.
[0002] Es ist wünschenswert, elektrische Verbraucher, wie Heizfelder, insbesondere Halogenheizfelder,
oder dergleichen in kleinen Stufen der Gesamtleistung schalten zu können, insbesondere
auch zu relativ niedrigen Leistungen. Bei herkömmlichen Heizplatten kann die Leistungssteuerung
dadurch erfolgen, daß die zugeführte Leistung für eine erhebliche Zeit insbesondere
im Bereich mehrerer Sekunden unterbrochen wird, entweder thermostatgesteuert oder
durch eine Zeitschaltung.
[0003] Ein solches Schalten ist bei weniger trägen Heizfeldern, deren Schaltzustand im übrigen
optisch sichtbar ist, wie bei Halogen- oder Infrarotheizfeldern unerwünscht. Die GB-A-2132060
sieht daher vor, mehrere Infrarotlampen in Reihe und/oder parallel zu schalten, um
mehrere Schaltstufen zu erreichen. Um kostengünstiger eine größere Breite, insbesondere
zu niedrigen Leistungswerten hin zu erreichen, sieht die EP-A-188 886 die Kombination
von Reihen- und/oder Parallelschaltungen mehrerer Heizkörper zusammen mit einer symmetrischen
Schwingungspaketsteuerung in Form einer Drittel- oder einer Zwei-Drittel-Taktung vor.
[0004] Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zur Erzielung relativ geringer Leistungsaufnahme
(und -abgabe) eines Heizfeldes mehrere Einzelheizkörper vorgesehen sein müssen, die
entsprechend teurer sind und daß mit dem Vorschlag der Druckschrift auch nur eine
minimal Abgabeleistung (abgesehen von der vollständigen Ausschaltung) von 15 % der
üblichen Gesamtleistung erzielbar ist, was relativ hoch ist.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungssteuerungsverfahren für ohmsche
Verbraucher zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
[0006] Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren zur Steuerung der Leistung
eines ohmschen Verbrauchers in gegenüber seiner Maximalleistung kleinen Leistungsbereichen
dadurch gelöst, daß in gegenüber der Maximalleistung des Verbrauchers kleinen Leistungsbereichen
symmetrische Schwingungspaketsteuerungen mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten
liegen, innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung angesehen werden,
wie insbesondere Drittel- oder Fünftel-Taktungen, mit Ausschaltzeiten, die länger
als ein Flickern bewirkende Schaltzeiten sind, kombiniert werden.
[0007] Die Ausschaltzeiten beziehen sich auf die mittlere Leistung (im Zeitmittel) bei den
genannten Taktungen der Schwingungspaketsteuerungen. Im Rahmen der Anmeldung heißt
ohmscher Verbraucher, daß der Verbraucher keine bzw. vernachlässigbare kapazitiven
und induktiven Impedanzanteile aufweist; er kann aber durchaus eine nichtlineare Widerstands-Kennlinie
haben. Die Erfindung gewährleistet damit, daß ein Flickern nicht auftritt, indem die
Schaltzeiten oberhalb der durch die europäische Teil 3 (DIN VDE 838, Teil 3) gegebenen
"Wartezeit" (gemäß dieser Norm; dort insbesondere Bild 4b) liegen.
[0008] Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, eine Kombination symmetrischer Schwingungspaketsteuerungen
mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten liegen, innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge
als eine Änderung angesehen werden, wie eine Drittel- oder Fünftel-Taktungen, mit
zusätzlichen Ausschaltzeiten, die ebenenfalls in Zeiten liegen, innerhalb derer gleichsinnige
Vorgänge als eine Änderung angesehen werden, in mittleren und höheren Leistungsbereichen
unterhalb der Maximalleistung des Verbrauchers. Kurze Ausschaltzeiten liegen gemäß
dieser Ausgestaltung innerhalb von Zeitbereichen, in denen zwei Änderungen in dieselbe
Richtung (im Sinne des Punktes 4 der genannten Norm) als eine einzelne Änderung angesehen
werden bzw. es wird durch die Schwingungspaketsteuerung erreicht, daß die bezüglich
der Ausschaltzeiten zu berücksichtigenden relativen Spannungsänderungen in Bereiche
zu liegen kommen, in den die Flickerkurve der Norm nicht mehr definiert ist (relative
Spannungsänderung unterhalb 0,3 % im Bild 4 a, b der Norm). Dabei hat sich im übrigen
herausgestellt, daß die Zeiten, innerhalb derer zwei gleichsinnige Änderungen als
einzelne Änderung gesehen werden, gerade der Wartezeit des unteren Endpunkts der Flickerkurve
der Norm entspricht, und grundsätzlich über weite Leistungsbereiche, insbesondere
bei solchen wie Koch- und Backeinrichtungen gegeben sind, bei etwa 60 msec und nicht
schon bei 30 msec liegt, wie dies die Norm unter Ziff. 4 angibt. Dies mag auch der
Grund sein, daß die Flickerkurve zu kürzeren Wartezeiten als 60 msec eben nicht definiert
ist.
[0009] In bevorzugter Weise ist weiterhin eine gleichstromfreie Halbwellensteuerung in höheren
Leistungsbereichen vorgesehen.
[0010] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß mehrere Verbraucher derart synchronisiert
werden, daß sie nicht gleichzeitigen Schaltvorgängen unterliegen und insbesondere
daß Leistungszeiten eines Verbrauchers in Ausschaltzeiten eines anderen Verbrauchers
gelegt sind.
[0011] Durch die Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, welches die Leistungssteuerung
eines einzigen Verbrauchers mit hoher Maximalleistung, wie eines Kochfeldes mit einem
Verbraucher, wie einem Strahlungsheizkörper etc. bis zu geringen relativen Leistungen
von deutlich unter 10 % der Gesamtleistung gestattet. Hierdurch wird es ermöglicht
Kochfelder durch einen oder weniger Einzelverbraucher auszubilden, als dies bisher
der Fall war. Ein Heizkörper mit einer großen Maximalleistung ist wesentlich preiswerter
als mehrere kleinere Heizkörper, deren Gesamtleistung zusammen (in Parallelschaltung)
der des größeren Einzelheizkörpers entspricht. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren eine preiswerte Steuerelektronik.
[0012] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor einen
für unterschiedliche in gegenüber der Maximalleistung des Verbrauchers kleinen Leistungsbereichen
symmetrische Schwingungpaketsteuerungen mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeit liegen,
innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung angesehen werden, wie insbesondere
Drittel- oder Fünftel-Faktungen, mit Aufschaltzeiten, die länger als ein Flickern
bewirkende Schaltzeiten sind, kombiniert werden.
[0013] Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich aus durch jeweils einen Leistungsteil
in Form eines Triacs für einen elektrischen Verbraucher, wobei der Triac über einen
Optokoppler von einem Elektroniksteuerteil angesteuert wird. Der Optokoppler gewährleistet
eine galvanische Trennung zwischen Leistungselektronik und Steuerelektronik.
[0014] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen aus der
nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- die Darstellung einer Leistungsabstufung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren für ein
Kochfeld;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der "Wartezeit" nach einer relativen Spannungsänderung
zur Vermeidung des Flickereffekts gemäß der Norm EN 60 555 Teil 3;
- Fig. 3
- ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
- Fig. 4
- eine Darstellung der Verzögerung der Schaltvorgänge bei verschiedenen Kochfeldern.
[0015] Das Diagramm der Fig.1 zeigt schaltbare Leistungsstufen eines Kochfeldes mit einer
elektrischen Gesamtleistung von etwa 1800 Watt, das durch Wechselstrom mit einer Frequenz
von 50 Hertz versorgt wird. Bei der Stufe 9 mit einer Volleistung von 100% liegt die
Wechselspannung permanent an, so daß sie als Wellenform die durchgehende Sinuskurve
des Wechselstroms ergibt.
[0016] Die Figur 2 zeigt die Wartezeit gemäß der europäischen Norm EN 60 555 Teil 3 (entsprechend
DIN VDE 838, Teil 3), die mindestens zwischen zwei relativen Schaltspannungsänderungen
einzuhalten sind, um den sogenannten Flickereffekt zu vermeiden. Jeweils Bereiche
unterhalb der Kurve sind also zulässige Bereiche, während Bereiche oberhalb der Kurve
verboten sind, da sie den Flickereffekt hervorrufen können.
[0017] Die Stufe 8 mit 66% wird durch eine Zwei-Drittel-Taktung erreicht, bei der aus drei
Halbwellen jeweils eine Halbwelle ausgeblendet wird, dadurch daß jeweils von drei
Halbwellen eine Vollwelle mit positiver und negativer Halbwelle verbleibt wird ein
Gleichstromanteil vermieden.
[0018] Eine Stufe mit 50% Leistung ist nicht dargestellt, da sie bei der sonstigen Abstufung
des herangezogenen Kochfelds nicht notwendig ist. Sie könnte aber grundsätzlich durch
Vollwellensteuerung erhalten werden, bei der jeweils abwechselnd eine Vollwelle ausgeblendet
und die nachfolgende Vollwelle durchgelassen wird.
[0019] Die Stufe 7 mit 40% Leistung wird durch 1/3-Taktung mit Ausblendung einer weiteren
Halbwelle der jeweils nachfolgenden Vollwelle erreicht. Es ergeben sich Pausenzeiten
von 10 und 20 msec, die damit innerhalb der Zeit liegen, bis zu der zwei gleichsinnige
Änderungen als einzelne Änderung angesehen werden. Diese Leistungsstufe könnte auch
durch eine 3/5 Halbwellensteuerung, bei der jeweils aufeinanderfolgend eine Vollwelle
durchgelassen und drei Halbwellen ausgeblendet werden, verwirklicht werden.
[0020] Die Stufe 6 mit 33% wird durch eine Ein-Drittel-Taktung erreicht, bei der von drei
Halbwellen nur eine Halbwelle durchgelassen wird. Auch bei diesen Steuerungen ist
die Gleichstromfreiheit, wie sich aus der Fig. 1 ergibt, gewährleistet.
[0021] Die Stufe 5 mit 25% Leistung wird erfindungsgemäß durch Ein-Drittel-Taktung mit zusätzlicher
Ausblendung einer Vollwelle erreicht. Dabei wird also nach zwei Ein-Drittel-Taktungs-Vollperioden
(sechs Halb-Perioden der Wechselspannung) eine Vollperiode der Wechselspannung ausgeblendet.
Gleichstromfreiheit ist dabei gesichert. Die Ausblendezeit von zusätzlich einer vollen
Periode der Ausgangsfrequenz ergibt Schaltabstände, die in Zeitbereichen liegen, innerhalb
derer gleichsinnige Schaltvorgänge als einzelne Änderung angesehen werden.
[0022] Stufe 4 mit einer Leistung von 17% wird durch 1/5-Taktung verbunden mit zusätzlichen
Ausschaltzeiten erhalten. Die durch die 1/5-Taktung selbst bewirkten Ausblendzeiten
von Halbwellen der Wechselspannung liegen in den Zeiten, innerhalb der Änderungen
als einzelne angesehen werden, während die zusätzliche Ausschaltung zu einer Ausschaltzeit
von 80 msec führt, die oberhalb der Flickerkurve der Norm EN 60 555 liegt: Die 1/5-Taktung
führt zu einer Leistung von 1/5 x 1800 W = 360 W, wodurch bei 230 V ein Strom von
1,57 A gegeben ist, bei dessen Schaltung sich eine Änderung der Netzspannung aufgrund
des Innenwiderstandes des Netzes von 0,4 Ohm zu 0,628 Volt und damit eine relative
Spannungsänderung von 0,27 % ergibt. Diese liegt in einem Bereich, in den die Flickerkurve
nicht mehr definiert ist, so daß sie grundsätzlich nicht mehr zu berücksichtigen ist.
Die Flickerkurve ist bis zu einer relativen Spannungsänderung von 0,3 % definiert,
bei der die "Wartezeiten" über 60 msec liegen sollte, was mit dem o.a. Wert ohne weiteres
erfüllt ist. Im übrigen gibt die Grenz-"Wartezeit" von 60 msec auch praktisch die
Zeit, innerhalb derer zwei gleichsinnige Änderungen als eine empfunden werden, während
der in der Norm genannte Wert tatsächlich zu kurz gewählt ist.
[0023] Bei der Stufe 3 mit einer Leistung von 10 % werden drei Vollperioden der Ein-Drittel-Taktung
mit einer anschließenden Ausschaltung von 220 ms kombiniert. Die Ein-Drittel-Taktung
bedingt eine Ausgangsleistung von 600 W (1/3 der Maximalleistung). Dies entspricht
einem Strom von 2,6 A und damit einer durch den Innenwiderstand des Netzes von 0,4
Ohm bedingten Spannungsänderung von absolut 1,04 Volt bzw. relativ 0,45 % , was an
der Kurve 4 b der Norm EN 60 555 Teil 3 eine Wartezeit von 110 - 120 msec ergibt.
Die tatsächliche Wartezeit liegt über dieser, so daß die Norm eingehalten ist.
[0024] Bei der Stufe 2 mit einer Leistung von ca. 6,6 % sind entsprechend zwei Ein-Drittel-Taktungs-Vollperioden
mit zusätzlich 240 ms Ausschaltzeit kombiniert. Da die Ausgangsleistung die gleiche
wie vorher ist, sind auch hier Flickerprobleme ausgeschlossen.
[0025] Stufe 1 mit 3 % Leistung, entsprechend 54 W bzw. 100 W bei einem Halogen-Heizkörper
mit üblicherweise ca. 3300 W (Maximalleistung) geht aus von einer 1/5-Taktung und
kombiniert diese mit einer Ausschaltzeit von 600 msec, die, wie leicht ersichtlich
ist, außerhalb jeder Flickerproblematik liegt und darüberhinaus unterhalb der Zeiten
liegt ab der Schaltvorgänge am Heizkörper durch dessen Rotverbzw. Entfärbung beim
Aufheizen bzw. Abkühlen erkennbar sind, so daß auch ein solcher nachteiliger Eindruck
vermieden wird. Stufe 0 bezeichnet die vollständige Abschaltung des Kochfeldes.
[0026] Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild. Mit 1 ist ein Leistungsteil in Form eines Triacs
zur Schaltung der Versorgung 2 einer angeschlossenen Last 3 wie eines Kochfeldes bezeichnet.
Der Leistungsteil 1 wird durch einen Steuerteil 4 über Optokoppler 6 angesteuert.
Das Steuerteil 4 weist mehrere entsprechende Ausgänge zu entsprechenden Optokopplern
für verschiedene Leistungsteile auf, so daß mit dem Steuerteil 4 mehrere Verbraucher,
wie Kochfelder angesteuert werden können.
[0027] Das Steuerteil 4 erhält die Information über die gewünschte Schaltstufe für das jeweilige
Kochfeld von (nicht dargestellten) Schaltern, wie BCD-Schaltern.
[0028] Die Schaltmuster der jeweiligen Leistungsstufen können als Bit-Muster in einen Permanentspeicher
wie einem ROM, PROM oder dergleichen abgelegt sein. Es sind weiter Schieberegister
vorgesehen, mittels derer erreicht wird, daß zumindestens dann, wenn wenigstens zwei
Kochstellen eines Herdes in der gleichen Leistungsstufe betrieben werden, die jeweilige
durch das Schaltungsmuster (Bitmuster) erfolgenden (Ein- und Aus-) Schaltvorgänge
gegeneinander um vorbestimmte Verzögerungszeiten verschoben sind (Fig. 5), beispielsweise
um 10 msec (entsprechend 100 Hz) d.h. um die Zeit einer Halbwelle der Netzspannung,
wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, bzw. Vielfachen hiervon. So wird erreicht, daß die
Schaltvorgänge zweier Kochfelder gleicher Leistungsstufe nicht gleichzeitig erfolgen
und daher sich auch nicht die entsprechenden Strom- bzw. Spannungswechsel addieren,
wodurch möglicherweise die Bedingungen der Flickervermeidung nicht mehr gewährleistet
wären, was aber durch das beschriebene Vorgehen sichergestellt ist. So erhält beispielsweise
in Fig. 4 das Schieberegister für die Kochstelle F1 das der gewünschten Leistungsstufe
5 entsprechende Steuer-Bitmuster und gibt dies unverzögert zum zugehörigen Triac 1.1.
weiter. Das Schieberegister für die Kochstelle F2 erhält das gleiche Bitmuster, gibt
dieses aber mit einer Verzögerung von 10 msec zum zugehörigen Triac 1.2. weiter, so
daß die Leistungsbeaufschlagung der Kochstelle F 2 zwar im Ablauf derjenigen der Kochstelle
F 1 entspricht, aber gerade um eine Halbwelle verschoben (und damit hinsichtlich der
Vorzeiten invertiert) ist, wie rechts aus der Fig. 4 entnehmbar ist. Entsprechendes
gilt für die weiteren in der Fig. 4 dargestellten Kochstellen F3 und F4, die auf die
Leistungsstufe 6 eingestellt sind. Ihre Leistungsbeaufschlagung kann ebenfalls jeweils
um weitere 10 msec verschoben sein. Soweit zu gewissen Zeiten Schaltvorgänge verschiedener
Leistungsstufen gleichzeitig erfolgen, so sind diese nach der Norm zulässig, da sie
nicht regelmäßig systematisch zusammenfallen bzw. dies nur von Zeit zu Zeit zufällig
erfolgt.
[0029] Es kann vorgesehen sein, daß die Schieberegister verschiedener Heizkörper grundsätzlich
und immer eine von Heizkörper zu Heizkörper unterschiedliche Verzögerung der Schaltungen
durchführen. Es kann auch eine Überwachungseinrichtung vorgesehen sein, die überwacht,
ob schon ein oder mehrere Heizkörper in einer für einen anderen Heizkörper gewählten
Leistungsstufe arbeitet und dann eine geeignete Verzögerung durchführt.
[0030] Die Fig. 4 stellt eine Schaltung an einem (einfachen 2-Leiter-) Wechselspannungsnetz
dar. Bei einer Kocheinrichtung mit noch mehreren Kochstellen wird diese vorzugsweise
derart an ein Mehrphasennetz (Dreiphasennetz) angeschlossen, daß die Kochstellen auf
verschiedene Phasen verteilt werden, wodurch eine weitere Entzerrung der Schaltzeitpunkte
erfolgt.
1. Verfahren zur Steuerung der Leistung mindestens eines ohmschen Verbrauchers, wie eines
Heizfeldes einer Kocheinrichtung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß in
gegenüber der Maximalleistung des Verbrauchers kleinen Leistungsbereichen symmetrische
Schwingungspaketsteuerungen mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten liegen, innerhalb
derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung angesehen werden, wie insbesondere
Drittel- oder Fünftel-Taktungen, mit Ausschaltzeiten, die länger als ein Flickern
bewirkende Schaltzeiten sind, kombiniert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kombination symmetrischer Schwingungpaketsteuerungen
mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten liegen, innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge
als eine Änderung angesehen werden, wie Drittel- oder Fünftel-Taktungen, mit zusätzlichen
Ausschaltzeiten, die ebenenfalls in Zeiten liegen, innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge
als eine Änderung angesehen werden, in mittleren und höheren Leistungsbereichen unterhalb
der Maximalleistung des Verbrauchers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine gleichstromfreie Halbwellensteuerung
in höheren Leistungsbereichen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verbraucher
derart synchronisiert werden, daß sie nicht regelmäßig gleichzeitigen Schaltvorgängen
unterliegen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Leistungszeiten eines Verbrauchers
in Ausschaltzeiten eines anderen Verbrauchers gelegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichen Leistungsstufen
zweier Verbraucher die Schaltung des einen Verbrauchers gegenüber der Schaltung des
anderen nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit durch
Taktung mit einer der doppelten Frequenz der Netzspannungsfrequenz entsprechenden
Frequenz bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche
Verbraucher einer Anlage mit mehreren Verbrauchern grundsätzlich mit unterschiedlichen
Verzögerungszeiten versehen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einschalten eines
Verbrauchers geprüft wird, ob ein weiterer Verbraucher in der gleichen Leistungsstufe
eingeschaltet ist und bejahendenfalls der neu eingeschaltete Verbraucher mit einer
geeigneten Verzögerung geschaltet wird.
10. Vorrichtung zur Steuerung der Leistungsabgabe eines ohmschen Verbrauchers, wie Kochplatten
oder dergleichen, gekennzeichnet durch einen für unterschiedliche Schalt-Leistungsstufen
der Verbraucher unterschiedliche Bitmuster speichernden Permanentspeicher, eine Steuereinheit
zum Abrufen der einer gewünschten Leistungsstufe entsprechenden Bitmuster, und durch
einen hierdurch ansteuerbaren Leistungs-Schalter für den Verbraucher (3) und Leistungsteilschalter
(2) und die Steuereinheit (4).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch galvanische Trennung von Steuerteil
(4) und Leistungsteil (1).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsteil (1) vom
Steuerteil (4) durch einen Optokoppler (6) beaufschlagbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch Schieberegister
zur voreingestellten oder einstellbaren Verzögerung der Schaltvorgänge der Leistungsschalter
(1).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit
zur Überwachung der für unterschiedliche Verbraucher (3) eingeschalteten Leistungen
und dementsprechende Verzögerungen der Schaltvorgänge des zugehörigen Leistungsteils
zumindestens eines der auf gleiche Leistungsstufen eingestellten Verbrauchers (3).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch Anschaltung der
Verbraucher an unterschiedliche Phasen eines Mehrphasennetzes.