EINSCHALTEN EINER HEIZLAST

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 (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 (cpINIT),
• Ermitteln der folgenden Anschnittwinkel (ϕ₁,..., ϕn) 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.

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienten Kaltstart mit beliebigen Heizlasten zu ermöglichen.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Im Folgenden wird beispielhaft erläutert, wie der zu berücksichtigende Effektivstrom in die Berechnung eines zu stellenden folgenden Effektivstroms mit einfließen kann.

[0010] Dabei beschreibt:

I_N+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,

I_setN+1

den Sollwert zum folgenden Nulldurchgangszeitpunkt gemäß des Einschalt-Stromverlaufs,

I_N

den zu berücksichtigenden Effektivstrom (z.B. ein mittels Hall-Sensor gemessener Gesamt-Effektivstrom seit Beginn des Einschaltvorgangs),

t_N

die bisherige Gesamtdauer des Einschaltvorgangs und

t_N+1

die Dauer der folgenden Halbwelle.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Heizlast nach dem Einschalten mittels einer Halbwellensteuerung angesteuert. Es sind ebenso weitere gängige alternative Ansteuerarten denkbar.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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 U_IN 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.

[0027] 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 U_IN 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 U_IN, 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.

[0028] FIG 2 zeigt den Zusammenhang von Anschnittwinkel ϕ und Effektivwert I_EFF 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 I_EFF 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 I_EFF.

[0029] FIG 3 zeigt anhand eines Ausschnittes einer Auslösekennlinie FUSE_max einer Sicherung FUSE, wie mit Hilfe von durch das Verfahren ermittelten Anschnittwinkeln ein vorgegebener Einschalt-Stromverlauf I_Start möglichst schnell angenähert und verfolgt werden soll.

[0030] Die gezeigte Auslösekennlinie ist eine Kennlinie, die einen Effektivstrom I_EFF gegenüber der Schmelzzeit T_MELT aufträgt. Der Einschaltstromverlauf I_Start weist dabei einen vorgegebenen Abstand DIST von der maximalen Strom-Zeit-Kennlinie FUSE_max 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 I_EFF, 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 I_Start 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 I_EFF mit jedem der weiteren Anschnittwinkel ϕ2 bis ϕ5 sukzessive an den Einschaltstromverlauf I_Start an. Durch die Kaltleiter-Charakteristik sinkt der Widerstand der Heizlast mit steigender Temperatur und die Anschnittwinkel ϕ2 bis ϕ5 können dementsprechend angepasst werden.

[0031] 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 I_EFF und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs I_Start. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Heizungssteuerungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ansprüche

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 (I_EFF) und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs (I_Start).

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 (I_EFF) 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 (I_Start) eine Kennlinie (FUSE_max) einer Sicherung (FUSE) nicht überschreitet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgebbare Einschalt-Stromverlauf (I_Start) einen vorgebbaren Mindestabstand (DIST) von einer Kennlinie (FUSE_max) 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 (I_EFF) und eines vorgebbaren Einschalt-Stromverlaufs (I_Start) ermittelt werden.

14. Heizungssteuerungssystem nach Anspruch 13 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

Zeichnung