DE4004508A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der leistung mindestens eines verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Leistung mindestens eines ohmschen Verbrauchers, wie eines Heizfeldes einer Kocheinrichtung oder dergleichen.

Es ist wünschenswert, elektrische Verbraucher, wie Heiz­ felder, insbesondere Halogenheizfelder, oder dergleichen in kleinen Stufen der Gesamtleistung schalten zu können, insbe­ sondere 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 thermo­ statgesteuert oder durch eine Zeitschaltung.

Ein solches Schalten ist bei weniger trägen Heizfeldern, deren Schaltzustand im übrigen optisch sichtbar ist, wie bei Halogen- oder Infrarotheizfeldern unerwünscht. Die GB-A-21 32 060 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-1 88 886 die Kombination von Reihen- und/oder Parallel­ schaltungen mehrerer Heizkörper zusammen mit einer symmetrischen Schwingungspaketsteuerung in Form einer Drittel- oder einer Zwei-Drittel-Taktung vor.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zur Erzielung relativ geringer Leistungsaufnahme (und -abgabe) eines Heizfeldes mehrere Einzelheizkörper vorgesehen sein müssen, die ent­ sprechend teurer sind und daß mit dem Vorschlag der Druckschrift auch nur eine minimal Abgabeleistung (abgesehen von der voll­ ständigen Ausschaltung) von 15% der üblichen Gesamtleistung erzielbar ist, was relativ hoch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Leistungssteu­ erungsverfahren für ohmsche Verbraucher zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.

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 Ver­ brauchers kleinen Leistungsbereichen symmetrische Schwingungs­ paketsteuerungen mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten liegen, innerhalb derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung angesehen werden, wie insbesondere Drittel- oder Fünftel-Tak­ tungen, mit Ausschaltzeiten, die länger als ein Flickern be­ wirkende Schaltzeiten sind, kombiniert werden.

Die Ausschaltzeiten beziehen sich auf die mittlere Leistung (im Zeitmittel) bei den genannten Taktungen der Schwingungs­ paketsteuerungen. Im Rahmen der Anmeldung heißt ohmscher Ver­ braucher, 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 auf­ tritt, 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.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, eine Kombination symme­ trischer 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 Ausge­ staltung 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 Spannungs­ änderungen in Bereiche zu liegen kommen, in den die Flickerkurve der Norm nicht mehr definiert ist (relative Spannungsänderung unterhalb 0,3% im Bild 4a, 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 gege­ ben 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.

In bevorzugter Weise ist weiterhin eine gleichstromfreie Halb­ wellensteuerung in höheren Leistungsbereichen vorgesehen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß mehrere Verbraucher derart synchronisiert werden, daß sie nicht gleich­ zeitigen Schaltvorgängen unterliegen und insbesondere daß Leistungszeiten eines Verbrauchers in Ausschaltzeiten eines anderen Verbrauchers gelegt sind.

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 ge­ stattet. 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 er­ findungsgemäße Verfahren eine preiswerte Steuerelektronik.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens 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 Vor­ gänge als eine Änderung angesehen werden, wie insbesondere Drittel- oder Fünftel-Faktungen, mit Aufschaltzeiten, die länger als ein Flickern bewirkende Schaltzeiten sind, kombiniert werden.

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 gewähr­ leistet eine galvanische Trennung zwischen Leistungselektronik und Steuerelektronik.

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 Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 4 eine Darstellung der Verzögerung der Schalt­ vorgänge bei verschiedenen Kochfeldern.

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 Wellen­ form die durchgehende Sinuskurve des Wechselstroms ergibt.

Die Fig. 2 zeigt die Wartezeit gemäß der europäischen Norm EN 60 555 Teil 3 (entsprechend DIN VDE 838, Teil 3), die min­ destens zwischen zwei relativen Schaltspannungsänderungen ein­ zuhalten sind, um den sogenannten Flickereffekt zu vermeiden. Jeweils Bereiche unterhalb der Kurve sind also zulässige Be­ reiche, während Bereiche oberhalb der Kurve verboten sind, da sie den Flickereffekt hervorrufen können.

Die Stufe 8 mit 66% wird durch eine Zwei-Drittel-Taktung er­ reicht, bei der aus drei Halbwellen jeweils eine Halbwelle ausgeblendet wird, dadurch daß jeweils von drei Halbwellen eine Vollwelle mit positiver und negativer Halbwelle ver­ bleibt wird ein Gleichstromanteil vermieden.

Eine Stufe mit 50% Leistung ist nicht dargestellt, da sie bei der sonstigen Abstufung des herangezogenen Kochfelds nicht not­ wendig ist. Sie könnte aber grundsätzlich durch Vollwellen­ steuerung erhalten werden, bei der jeweils abwechselnd eine Vollwelle ausgeblendet und die nachfolgende Vollwelle durchge­ lassen wird.

Die Stufe 7 mit 40% Leistung wird durch 1/3-Taktung mit Ausblen­ dung einer weiteren Halbwelle der jeweils nachfolgenden Voll­ welle 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 Halbwellen­ steuerung, bei der jeweils aufeinanderfolgend eine Vollwelle durchgelassen und drei Halbwellen ausgeblendet werden, ver­ wirklicht werden.

Die Stufe 6 mit 33% wird durch eine Ein-Drittel-Taktung er­ reicht, bei der von drei Halbwellen nur eine Halbwelle durchge­ lassen wird. Auch bei diesen Steuerungen ist die Gleichstrom­ freiheit, wie sich aus der Fig. 1 ergibt, gewährleistet.

Die Stufe 5 mit 25% Leistung wird erfindungsgemäß durch Ein-Drittel-Taktung mit zusätzlicher Ausblendung einer Voll­ welle erreicht. Dabei wird also nach zwei Ein-Drittel-Taktungs- Vollperioden (sechs Halb-Perioden der Wechselspannung) eine Vollperiode der Wechselspannung ausgeblendet. Gleichstromfrei­ heit 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.

Stufe 4 mit einer Leistung von 17% wird durch 1/5-Taktung ver­ bunden mit zusätzlichen Ausschaltzeiten erhalten. Die durch die 1/5-Taktung selbst bewirkten Ausblendzeiten von Halbwellen der Wechselspannung liegen in den Zeiten, innerhalb der Ände­ rungen 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 1/5×1800 W = 360 W, wo­ durch 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 da­ mit 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 berück­ sichtigen ist. Die Flickerkurve ist bis zu einer relativen Spannungsänderung von 0,3% definiert, bei der die "Warte­ zeiten" 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 gleich­ sinnige Änderungen als eine empfunden werden, während der in der Norm genannte Wert tatsächlich zu kurz gewählt ist.

Bei der Stufe 3 mit einer Leistung von 10% werden drei Vollpe­ rioden der Ein-Drittel-Taktung mit einer anschließenden Aus­ schaltung 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 Spannungs­ änderung von absolut 1,04 Volt bzw. relativ 0,45% , was an der Kurve 4b 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.

Bei der Stufe 2 mit einer Leistung von ca. 6,6% sind ent­ sprechend zwei Ein-Drittel-Taktungs-Vollperioden mit zusätz­ lich 240 ms Ausschaltzeit kombiniert. Da die Ausgangsleistung die gleiche wie vorher ist, sind auch hier Flickerprobleme ausgeschlossen.

Stufe 1 mit 3% Leistung, entsprechend 54 W bzw. 100 W bei einem Halogen-Heizkörper mit üblicherweise ca. 3300 W (Maxi­ malleistung) geht aus von einer 1/5-Taktung und kombiniert diese mit einer Ausschaltzeit von 600 msec, die, wie leicht ersicht­ lich ist, außerhalb jeder Flickerproblematik liegt und darüber­ hinaus unterhalb der Zeiten liegt ab der Schaltvorgänge am Heizkörper durch dessen Rotverbzw. Entfärbung beim Aufheizen bzw. Abkühlen erkennbar sind, so daß auch ein solcher nachtei­ liger Eindruck vermieden wird. Stufe 0 bezeichnet die vollstän­ dige Abschaltung des Kochfeldes.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild. Mit 1 ist ein Leistungs­ teil 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 Lei­ stungsteile auf, so daß mit dem Steuerteil 4 mehrere Verbraucher, wie Kochfelder angesteuert werden können.

Das Steuerteil 4 erhält die Information über die gewünschte Schaltstufe für das jeweilige Kochfeld von (nicht dargestellten) Schaltern, wie BCD-Schaltern.

Die Schaltmuster der jeweiligen Leistungsstufen können als Bit-Muster in einen Permanentspeicher wie einem ROM, PROM oder dergleichen abgelegt sein. Es sind weiter Schieberegister vor­ gesehen, mittels derer erreicht wird, daß zumindestens dann, wenn wenigstens zwei Kochstellen eines Herdes in der gleichen Leistungsstufe betrieben werden, die jeweilige durch das Schal­ tungsmuster (Bitmuster) erfolgenden (Ein- und Aus-) Schaltvor­ gänge gegeneinander um vorbestimmte Verzögerungszeiten verscho­ ben 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 Schiebere­ gister für die Kochstelle F2 erhält das gleiche Bitmuster, gibt dieses aber mit einer Verzögerung von 10 msec zum zuge­ hörigen Triac 1.2. weiter, so daß die Leistungsbeaufschlagung der Kochstelle F2 zwar im Ablauf derjenigen der Kochstelle F1 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 Leistungs­ beaufschlagung kann ebenfalls jeweils um weitere 10 msec ver­ schoben sein. Soweit zu gewissen Zeiten Schaltvorgänge ver­ schiedener 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.

Es kann vorgesehen sein, daß die Schieberegister verschiedener Heizkörper grundsätzlich und immer eine von Heizkörper zu Heiz­ körper 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.

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 Koch­ stellen auf verschiedene Phasen verteilt werden, wodurch eine weitere Entzerrung der Schaltzeitpunkte erfolgt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Steuerung der Leistung mindestens eines ohmschen Verbrauchers, wie eines Heizfeldes einer Kochein­ richtung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß in gegenüber der Maximalleistung des Verbrauchers kleinen Lei­ stungsbereichen symmetrische Schwingungspaketsteuerungen mit Pausenzeiten, die unterhalb der Zeiten liegen, inner­ halb derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung ange­ sehen 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 gleich­ sinnige Vorgänge als eine Änderung angesehen werden, wie Drittel- oder Fünftel-Taktungen, mit zusätzlichen Ausschaltzeiten, die ebenenfalls in Zeiten liegen, inner­ halb derer gleichsinnige Vorgänge als eine Änderung ange­ sehen 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 ge­ kennzeichnet, daß mehrere Verbraucher derart synchroni­ siert 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 unterschied­ lichen 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 Leistungs­ stufe eingeschaltet ist und bejahendenfalls der neu ein­ geschaltete Verbraucher mit einer geeigneten Verzögerung geschaltet wird.

10. Vorrichtung zur Steuerung der Leistungsabgabe eines ohm­ schen Verbrauchers, wie Kochplatten oder dergleichen, gekennzeichnet durch einen für unterschiedliche Schalt- Leistungsstufen der Verbraucher unterschiedliche Bit­ muster speichernden Permanentspeicher, eine Steuereinheit zum Abrufen der einer gewünschten Leistungsstufe entspre­ chenden Bitmuster, und durch einen hierdurch ansteuerba­ ren Leistungs-Schalter für den Verbraucher (3) und Leistungs­ teilschalter (2) und die Steuereinheit (4).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch galva­ nische 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, gekenn­ zeichnet durch Schieberegister zur voreingestellten oder einstellbaren Verzögerung der Schaltvorgänge der Leistungs­ schalter (1).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine Überwachungseinheit zur Überwachung der für unterschiedliche Verbraucher (3) eingeschalteten Leistungen und dementsprechende Verzögerungen der Schalt­ vorgänge des zugehörigen Leistungsteils zumindestens eines der auf gleiche Leistungsstufen eingestellten Ver­ brauchers (3).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekenn­ zeichnet durch Anschaltung der Verbraucher an unterschied­ liche Phasen eines Mehrphasennetzes.