DE10129170A1 - Verfahren zur Steuerung der Leistung einer elektrischen Heizeinrichtung - Google Patents

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsversorgung eines Strahlheizkörpers eines Glaskeramikkochfeldes zu schaffen. Dieser wird mit normalen Wechselstrom (I) versorgt. Erfindungsgemäß erfolgt zu Beginn des Betriebs des Strahlungsheizkörpers die Versorgung mit einer übergroßen Leistung für einen Zeitraum von ca. einer Sekunde. Dabei ist der Strahlungsheizkörper derart ausgelegt, dass er den dabei fließenden Strom nur über eine Dauer von einigen wenigen Sekunden zerstörungsfrei verträgt. Das Erreichen des Aufleuchtens bzw. einer entsprechenden Temperatur wird durch einen schnellen Sensor bzw. Temperatursensor erkannt. Daraufhin schaltet eine Steuerung nach dieser Aufheiz-Zeit (T¶A¶) die Leistung bzw. Stromversorgung für den Dauerbetrieb herunter. Dazu werden wiederholt bestimmte Zeitabschnitte des Stroms (I) abgeschaltet, insbesondere bestimmte Wellenmuster. Ein Schalten des Stroms erfolgt bevorzugt im Nulldurchgang des Stroms (I).

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistung bzw. Energieversorgung einer elektrischen Heizeinrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Es sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei denen sogenannte Strahlungsheizkörper, die in Glaskeramikkochfeldern eingesetzt werden, mit kurzer Anlaufzeit betrieben werden sollen. Ein Ziel war es bisher, zur optischen Rückmeldung des Betriebs der eingeschalteten Heizeinrich­ tung diese mit einer sofort aufleuchtenden Lampe oder dergleichen zu versehen, um dem Benutzer optisch die Inbetriebnahme anzuzeigen. Weitere Möglichkeiten sehen vor, sogenannte Hellstrahler, schnell auf­ leuchtende Strahlungsheizungen in Form von beispielsweise Halogen­ heizungen, einzusetzen. Diese leuchten sehr schnell auf und erzeugen zusätzlich Heizleistung. Bei diesen Verfahren ist jedoch das Vorsehen zusätzlicher Leuchtmittel oder dergleichen zusätzlich zu der eigentlichen Heizeinrichtung aufwendig. Des weiteren nehmen diese Einrichtungen Platz in Anspruch, der bei Strahlungsheizkörpern unter einem Glaske­ ramikkochfeld begrenzt ist.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs erwähntes Ver­ fahren zu schaffen, mit dem vor allem eine schnelle optische Rückmel­ dung des Betriebs der Heizeinrichtung möglich ist bzw. nach möglichst kurzer Zeit bereits Heizleistung erzeugt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden nä­ her beschrieben. Der Inhalt der Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Erfindungsgemäß wird zu Beginn des Heizbetriebs bzw. Betriebs der Heizeinrichtung die Heizeinrichtung mit einer übergroßen Leistung be­ trieben. Dies bedeutet, dass dazu der Strom nicht in seiner Stärke bzw. Amplitude beschränkt wird; diese ergibt sich bei an der Heizeinrichtung anliegender vorgegebener Spannung, in der Regel Netzspannung, aus dem elektrischen Widerstand der Heizeinrichtung. Der Strom fließt also ununterbrochen. Die Heizeinrichtung kann mit der maximalen mittleren Leistung betrieben werden.

Unter Beginn des Betriebs wird hier der Übertritt aus dem unbetätigten bzw. stromlosen Zustand heraus verstanden. Durch die übergroße Leistungsaufnahme erfolgt ein sehr schnelles Aufheizen der Heizeinrich­ tung. Hierbei ist bei der Dimensionierung der Heizeinrichtung zu beach­ ten, dass damit eine Leistung gemeint ist, für den die Heizeinrichtung im Dauerbetrieb nicht geeignet ist. In der Regel würde er im Dauerbetrieb sogar zur Zerstörung der Heizeinrichtung führen. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß nach einer Aufheiz-Zeit für den Dauerbetrieb der Heizeinrichtung die Leistung reduziert. Diese Reduzierung erfolgt derart, dass wiederholt Zeitabschnitte des Stroms abgeschaltet werden, also Wellenbereiche. Somit kann eine Reduzierung der Leistung erfindungs­ gemäss durch Unterbrechung des Stromes erfolgen. Bevorzugt erfolgt der Dauerbetrieb der Heizeinrichtung mit einer Leistung, wie sie auch bei für diese Heizungseinrichtung normalem Betrieb vorliegen würde. Dies gilt insbesondere für Heizeinrichtungen, die im Dauerbetrieb ge­ taktet betrieben werden. Somit wird zu Beginn des Betriebs der Heizung mit einer an sich zu großen Leistung gearbeitet. Dies führt zu dem ge­ wünschten Effekt, dass die Heizeinrichtung erheblich schneller als an­ sonsten üblich ihre Betriebstemperatur erreicht bzw. im Falle einer Strahlungsheizung auch aufleuchtet. Da diese Leistung im Dauerbetrieb die Heizeinrichtung beschädigen oder sogar zerstören könnte, wird nach der Aufheiz-Zeit, also für den Dauerbetrieb, die Leistung reduziert.

Eine Reduzierung der Leistung erfolgt bevorzugt periodisch in Ab­ hängigkeit von der für den Dauerbetrieb gewählten Heizleistung. Beson­ ders bevorzugt erfolgt eine Abschaltung in kurzen Perioden, wobei dies auf die Frequenz des Wechselstromes der Stromversorgung bezogen ist. Vor allem kann es vorteilhaft sein, wenn kurze Zeitabschnitte des Stromes abgeschaltet werden.

Besonders vorteilhaft kann eine Aufteilung des Stroms bezüglich der an- und abgeschalteten Abschnitte in einzelne Wellen erfolgen, vorzugs­ weise Halbwellen. Besonders vorteilhaft ist es, den Strom in seinen Nulldurchgängen an- bzw. abzuschalten. Durch ein Schalten in den Nulldurchgängen können ungewünschte Netzrückwirkungen vermieden werden.

Die Aufheiz-Zeit bei einem solchen Verfahren kann, beispielsweise bei einem Einsatz für Strahlungsheizungen eines Kochfeldes oder derglei­ chen, weniger als fünf Sekunden betragen, vorzugsweise weniger als zwei Sekunden. Innerhalb dieser an sich schon recht kurzen Zeit gelingt es in vielen Fällen, durch die übergroße Leistung die Heizeinrichtung auf Betriebstemperatur bzw. in den Betriebszustand zu bringen. Insbeson­ dere kann die übergroße Leistung bewirken, dass die Aufheiz-Zeit zwi­ schen 0,1 und 1 Sekunde liegt. Bei dieser kurzen Zeit erfolgt quasi direkt nach dem Einschalten der Heizeinrichtung das Erreichen des Betriebs­ zustandes. Da dies bei einer oben erwähnten Strahlungsheizung das Aufleuchten des Strahlungsheizkörpers ist, erfolgt innerhalb kürzester Zeit bzw. direkt nach dem Einschalten die optische Rückmeldung durch Aufglühen an den Benutzer.

Vorteilhaft wird eine Temperaturbestimmung der Heizeinrichtung vorge­ nommen, wobei die Aufheiz-Zeit bzw. der Zeitpunkt der Reduzierung der Leistung in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur der Heizeinrichtung be­ stimmt werden kann. Damit wird also nicht nach einem festgelegten Zeitabschnitt die Leistung reduziert, sondern abhängig von den Zu­ standsparametern der Heizeinrichtung. Diese können beispielsweise auch durch Restwärme oder dergleichen beeinflusst sein. Insbesondere gilt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine Überhitzung der Heizeinrichtung zu vermeiden, die durch zu lange dauernden Betrieb mit der übergroßen Leistung, für die die Heizeinrichtung in der Regel nicht ausgelegt ist, eintreten könnte. Eine Temperaturbestimmung kann durch einen Temperatursensor erfolgen. Hierfür stehen bekannte Methoden zur Verfügung, die Temperatur einer Heizeinrichtung zu messen. Nach Erreichen einer bestimmten Ist-Temperatur kann die Leistung reduziert werden bzw. die Heizeinrichtung in einen Dauerbetrieb übergehen, der durch reduzierte Leistung gekennzeichnet ist. Die Reduzierung erfolgt dabei auf oben angegebene Weise. Eine Reduzierung der Leistung kann beispielsweise auf ca. die Hälfte erfolgen. Dadurch ist gewähr­ leistet, dass in der Anfangsphase während des Aufheizens die aufge­ nommene Leistung bzw. der Strom ausreichend groß ist, um ein sehr schnelles Aufheizen zu erzielen.

Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Verbund mehrerer Heizeinrichtungen betrieben werden, beispielsweise mehrere Kochstel­ len eines Kochfeldes. Zur Einhaltung einer zulässigen maximalen Lei­ stung des Verbundes wird bevorzugt während der Aufheiz-Zeit einer Heizeinrichtung die Leistung bzw. Stromversorgung anderer Heizein­ richtungen entsprechend reduziert. Dabei sollte der aufzuheizenden Heizeinrichtung Vorrang eingeräumt werden. Diese Reduzierung ande­ rer Heizeinrichtungen kann ebenso durch Abschalten bestimmter zeit­ licher Bereiche oder Stromwellen wie oben erwähnt erfolgen.

Des weiteren ist es bei einer Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung vorteilhaft möglich, bei Abschalten der Stromversorgung einer Heizein­ richtung eine andere Heizeinrichtung gleichzeitig einzuschalten. Diese kann den Stromfluß derart übernehmen, dass sich die Leistungsauf­ nahme der gesamten Steuerung bzw. des Verbundes nicht ändert. Ins­ besondere wird dabei der Strom lückenlos von einer Heizeinrichtung auf die andere übergleitet, so dass beim Übergang des Stroms keine Halb­ welle bzw. kein Abschnitt derselben ausgelassen wird. Ein Übergang findet vorteilhaft im Nulldurchgang des Stromes statt. Auch dies trägt erheblich zur Reduzierung unerwünschter Netzrückwirkungen bei.

Insgesamt ist somit zu sagen, dass der Kern der Erfindung vor allem darin liegt, für einen kurzen Zeitraum während des Beginns des Betriebs einer Heizeinrichtung bzw. der sogenannten Aufheizphase diese mit ei­ ner die zugelassene mittlere Leistung wesentlich übersteigenden Leis­ tung zu betreiben. Nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur bzw. der Betriebstemperatur oder eines Zustandes wird die Leistung auf die zulässige mittlere Leistung reduziert. Dies kann vor allem dadurch erreicht werden, dass der Strahlungsheizkörper für eine niedrigere Leistung als die während der Aufheiz-Zeit T_A aufgenommene übergroße Leistung ausgelegt ist. Eine Reduktion von der übergroßen Leistung auf die gewünschte mittlere Leistung erfolgt durch Auslassen von Halb­ wellen o. dgl. Somit kann ein solcher Strahlungsheizkörper beispiels­ weise für eine im Vergleich zu einem normalen Strahlungsheizkörper halbierte Leistung ausgelegt sein. Dadurch glüht er zu Beginn des Be­ triebs sehr schnell auf und muss dann erfindungsgemäss durch ent­ sprechende Taktung der Stromversorgung in seiner Leistung reduziert werden.

Diese und weitere Merkmale gegen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unter­ kombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf ande­ ren Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfä­ hige Ausführungen darstellen zu können, für die hier Schutz bean­ sprucht wird. Die Unterteilung in der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen sind beispielhafte Verläufe für die Stromversorgung einer elektrischen Heizeinrichtung gemäß Varianten des erfindungsge­ mäßen Verfahrens dargestellt.

Beschreibung der Zeichnungen und der Funktion

In Fig. 1 ist in dem Schaubild der Strom I, der an einer elektrischen Heizeinrichtung anliegt, in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 0 im Ursprung wird die Stromversorgung aktiviert bzw. wird der Betrieb der Heizeinrichtung begonnen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Strom ein sinusförmiger Wechselstrom.

Nach einer bestimmten Zeit T_A ist die Aufheiz-Zeit verstrichen. Dieser Zeitpunkt T_A kann je nach Ausführung durch eine vorgegebene Zeit be­ stimmt werden. Ebenso ist es möglich, durch Temperaturmessung der Heizeinrichtung nach Erreichen einer bestimmten Temperatur den Zeit­ punkt T_A entsprechend festzulegen.

Es ist zu erkennen, dass genau im Nulldurchgang des Stromes I abge­ schaltet wird. Nach einer Periode des Wechselstromes bzw. zwei Halb­ wellen wird die Stromversorgung wieder eingeschaltet, um in den Dau­ erbetrieb überzugehen. Dieser Dauerbetrieb kann, wie zuvor beschrie­ ben und auch in Fig. 3 ersichtlich, aus einer in weiten Grenzen variierba­ ren Mischung von eingeschalteten und ausgeschalteten Perioden oder Halbwellen des Wechselstromes bestehen. Das Mischungsverhältnis von eingeschalteten und ausgeschalteten Halbwellen zueinander be­ stimmt die mittlere Leistung der Heizeinrichtung. In den Stromverläufen ist durch die Unterbrechungen angedeutet, dass nicht der komplette Verlauf permanent dargestellt ist, sondern nur Bereiche, in denen eine Zustandsänderung bzw. Änderung des bisherigen Verlaufs eintritt.

Aus dem Stromverlauf in Fig. 2 wird deutlich, dass die Ein- bzw. Aus­ schaltpunkte bei einer beliebigen Richtung des Nulldurchgangs des Stromes gewählt werden können.

In der Darstellung in Fig. 3 wird über einen längeren Zeitraum ein bei­ spielhafter Betrieb einer Heizeinrichtung dargestellt. Nach einer längeren dauerhaften Ein-Zeit bis T_A wird für vier Halbwellen die Stromversorgung abgeschaltet. Dies können selbstverständlich auch noch mehr Halbwel­ len sein. Dieses Abschalten dient dazu, ein thermisches Überschwingen der Heizeinrichtung zu vermeiden. Anstelle einer bestimmten Anzahl von Halbwellen kann hier eine Zeit von vielleicht 0,5 bis 2 Sekunden und deren Entsprechung als Zahl von Halbwellen angesetzt werden.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, wie anschließend ein Dauerbetrieb durch abwechselnde Folgen von Einschalten und Ausschalten erreicht werden kann. Hierfür kann auf bekannte Verfahren zur Steuerung bzw. Taktung von Heizeinrichtungen zurückgegriffen werden, siehe beispielsweise die DE 199 00 185 A1, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezug­ nahme zum Inhalt der Anmeldung gemacht wird.

Das Schalten der Stromversorgung kann vorteilhaft mit elektronischen Schaltern in Form von Triacs oder dergleichen erfolgen. Die Steuerung der Aufheizphase bzw. Bestimmung der Aufheiz-Zeit T_A und die an­ schließende Abschaltung von einzelnen oder mehreren Halbwellen kann durch einen Mikrocontroller erfolgen. Die Aufheiz-Zeit sollte dynamisch bestimmt sein und sich der augenblicklichen Temperatur der Heizein­ richtung anpassen. Ebenso kann durch ein gewähltes Leistungsniveau für die Heizeinrichtung Einfluß auf die Aufheiz-Zeit genommen werden. Dies kann durch eine rechnerische Bestimmung der Aufheiz-Zeit aus dieser Leistung oder eben durch eine Temperaturmessung erfolgen.

Eine Temperaturmessung der Heizeinrichtung kann auf bekannte Art und Weise erfolgen und muß hier demzufolge nicht erläutert werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass aufgrund der großen Dynamik der Aufheizung der Heizeinrichtung eine rasche sowie verzögerungsarme und verzögerungsfrei ansprechende Temperaturmesseinrichtung ver­ wendet werden sollte. Hierfür eignen sich besonders optische Tempe­ ratursensoren zum Erkennen des Beginns des Glühens einer Strah­ lungsheizung.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist ein Strahlheizkör­ per in einem Kochfeld eines Haushaltsherdes. Der Strahlheizkörper ist unter einem Glaskeramikkochfeld angeordnet, so dass sein Betrieb bzw. Aufleuchten rasch und eindeutig erkannt werden kann. Als Strahlungs­ heizkörper kann beispielsweise mit Vorteil ein Bandheizkörper verwen­ det werden. Dieser wird mit Wechselstrom versorgt. Erfindungsgemäß erfolgt zu Beginn des Betriebs des Strahlungsheizkörpers die Versor­ gung mit einer übergroßen Leistung für einen Zeitraum von ca. einer Sekunde. Dabei ist der Strahlungsheizkörper derart ausgelegt, dass er den dabei fließenden Strom nur über eine Dauer von einigen wenigen Sekunden zerstörungsfrei verträgt. Das Erreichen des Aufleuchtens bzw. einer entsprechenden Temperatur wird durch einen schnellen Sen­ sor bzw. Temperatursensor erkannt. Daraufhin schaltet eine Steuerung nach dieser Aufheiz-Zeit die Leistung bzw. Stromversorgung für den Dauerbetrieb herunter. Dazu werden wiederholt bestimmte Zeitab­ schnitte des Stroms abgeschaltet, insbesondere bestimmte Wellen­ muster. Ein Schalten des Stroms erfolgt bevorzugt im Nulldurchgang des Stroms.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Leistung bzw. Energieversorgung einer elektrischen Heizeinrichtung, vorzugsweise eines Strahlungsheizkörpers eines Kochfeldes, mit periodischem, wellenförmigem Wechselstrom (I), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsversorgung auf zwei unterschiedliche Arten erfolgt:
zu Beginn des Betriebs der Heizeinrichtung wird die Heizein­ richtung mit einer übergroßen Leistung betrieben;
nach einer Aufheiz-Zeit (T_A) wird für den Dauerbetrieb der Heizeinrichtung die Leistung reduziert, wobei zur Reduzierung der Leistung wiederholt bestimmte Zeitabschnitte des Stroms (I) abgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltung der Stromversorgung periodisch erfolgt, vorzugs­ weise kurzperiodisch, wobei insbesondere kurze Zeitabschnitte des Stroms (T_A) abgeschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Stroms (I) in einzelne Wellen, vorzugsweise Halbwellen, erfolgt, wobei insbesondere in den Nulldurchgängen des Stroms an- bzw. abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheiz-Zeit (T_A) weniger als fünf Se­ kunden beträgt, vorzugsweise weniger als zwei Sekunden, wobei sie insbesondere zwischen 0,1 und 1 Sekunde liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Temperaturbestimmung der Heizeinrichtung, wobei die Aufheiz-Zeit (T_A) in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur der Heizeinrichtung bestimmt wird, wobei vorzugsweise eine Temperaturbestimmung durch einen Temperatursensor oder nach der Anzahl der erfolgten Heizperioden erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer bestimmten Ist-Temperatur die Leistung reduziert wird bzw. die Heizeinrichtung in den Dauerbetrieb mit reduzierter mittlerer Leistung übergeht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbund mehrerer Heizeinrich­ tungen zur Einhaltung einer zulässigen maximalen Gesamtleistung während der Aufheiz-Zeit (T_A) einer Heizeinrichtung die Leistung anderer Heizeinrichtungen entsprechend reduziert wird, wobei vorzugsweise die aufzuheizende Heizeinrichtung Vorrang hat.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abschalten der Stromversorgung zur Leistungsreduzierung einer Heizeinrichtung eine andere Heizeinrichtung gleichzeitig eingeschaltet wird und den Strom (I) zumindest teilweise übernimmt, so dass sich die Stromentnahme der Steuerung nicht ändert bzw. bei einem Übergang des Stroms von einer Heizeinrichtung auf eine andere Heizeinrichtung keine Halbwelle ausgelassen wird.