DE19940988A1 - Verfahren und Schaltung zur Überwachung eines Heizkörpers eines Haushaltsgeräts - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung von wenigstens einem Heizkörper eines Warmwasserbereiters vorgeschlagen. Um den bzw. die Heizkörper auf Funktionsfähigkeit zu überwachen, wird der Heizwendelwiderstand und/oder der Isolationswiderstand von einer Steuerelektronik geprüft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung wenigstens eines elektrischen Heizkörpers, insbesondere Mantelrohrheizkörpers, eines Haushaltsgeräts, insbesondere eines Warmwasserbereiters, speziell Warmwasserspeichers oder eines Wärmespeicherheizgeräts.

In der DE 34 38 762 A1 ist eine Steuerungsanordnung für elektrische Haushaltsgeräte, wie Wäschetrockner, Waschmaschinen, mit einem Mantelrohrheizkörper beschrieben. Es ist ein Überhitzungsschutz vorgesehen, der bei Übertemperatur die Stromzufuhr abschaltet, damit es nicht zu einer unzulässig hohen Temperatur kommt. Um dem Benutzer einen gestörten Betriebszustand anzuzeigen, ist parallel zum Überhitzungsschutz eine Anzeigevorrichtung geschaltet. Der Benutzer bekommt mit dieser Schaltung zwar einen Hinweis auf ein Ansprechen des Überhitzungsschutzes. Mit dieser Schaltung wird jedoch nicht geprüft, ob die Heizwendel des Mantelrohrheizkörpers unterbrochen ist oder ob die Heizwendel eines Mantelrohrheizkörpers einen Kurzschluss zu seinem Mantelrohr bildet.

In der DE 43 15 468 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Durchlauferhitzers beschrieben. Es ist eine Fehlerüberwachungsschaltung vorgesehen. Diese prüft zwar Fehler eines den Heizkörper schaltenden elektronischen Schalters, nicht jedoch Fehler des Heizkörpers selbst.

In der Praxis werden die Mantelrohrheizkörper bei ihrer Herstellung in verschiedenster Hinsicht geprüft. Sie werden auch daraufhin überprüft, ob die Heizwendel den der Nennleistung entsprechenden ohmschen Widerstand hat. Ausserdem werden sie daraufhin überprüft, ob zwischen der Heizwendel und dem Mantelrohr der nötige, hohe Isolationswiderstand besteht. Die hierzu nötigen Prüfeinrichtungen sind nicht Bestandteil des Geräts, in dem der Heizkörper nach der Herstellung zum Einsatz kommt. Beim Betrieb des Geräts werden nach dem Stand der Technik die Heizkörper nicht mehr auf Wendelbruch und/oder Kurzschluss zwischen Heizwendel und Mantelrohr kontrolliert. Ein Kurzschluss kann nach längerem Betrieb auftreten, wenn Wasser in das Mantelrohr eindringt.

Ein nach dem Stand der Technik üblicher Warmwasserspeicher weist einen Heizflansch auf, der mehrere elektrische Mantelrohrheizkörper gleicher oder unterschiedlicher Nennleistung trägt. Typisch sind bei einem dreiphasigen Betrieb drei Heizkörper vorgesehen. Nicht in allen Betriebsfällen sind alle Heizkörper eingeschaltet. Beispielsweise arbeitet bei Nachtaufladung des Warmwasserspeichers, d. h. in der Niedertarifzeit, nur ein Heizkörper, weil im Regelfall die Niedertarifzeit lang genug ist, um den Warmwasserspeicher voll aufzuladen. Alle Heizkörper schalten nur ein, wenn der Warmwasserspeicher einem Benutzerwunsch entsprechend schnell nachgeladen werden soll.

In der Regel ist der Betriebsfall der Nachtaufladung der häufigste, so dass über eine mehrjährige Betriebsdauer gesehen einer der Heizkörper länger in Betrieb ist, als andere Heizkörper des Warmwasserspeichers. Dieser Heizkörper ist also stärker belastet als andere Heizkörper und kann somit früher defekt gehen als die anderen Heizkörper. In der Praxis wird, wenn einer der Heizkörper ausfällt, der Warmwasserbereiter insgesamt abgeschaltet, so dass Warmwasser nicht mehr bereitet werden kann, obwohl noch einer oder mehrere Heizkörper nicht defekt sind und im Prinzip für eine weitere Warmwasserbereitung zur Verfügung stünden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das/­ die eine Prüfung des oder der Heizkörper auf Heizwendelbruch und/oder Kurzschluss während der Einsatzdauer des Geräts ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Schaltung des diese betreffenden Anspruchs gelöst.

Durch das Anlegen der ersten Prüfspannung wird geprüft, ob der Heizwendelwiderstand wesentlich höher ist als der seiner Nennleistung entsprechende Widerstand. Ist dies der Fall, dann liegt ein Heizwendelbruch vor. Durch eine zweite Prüfspannung wird überwacht, ob der Isolationswiderstand zwischen der Heizwendel des Rohrheizkörpers und dem Mantelrohr des Heizkörpers extrem niedrig ist, was auf einen Kurzschluss zwischen der Heizwendel und dem Mantelrohr hinweist. Ein solcher Kurzschluss kann dadurch entstanden sein, dass nach längerem Betrieb Wasser in den Heizkörper eintritt. Heizwendelbruch und zu niedriger Isolationswiderstand sind Fehlerfälle.

Ist einer der Fehlerfälle aufgetreten, was die Steuerelektronik auswertet, dann wird der Heizkörper von der Steuerelektronik künftig nicht mehr eingeschaltet. Weist das Haushaltsgerät mehrere Heizkörper auf, dann wird bei Feststellung eines Fehlerfalls an einem der Heizkörper durch die Steuerelektronik dieser Heizkörper künftig nicht mehr eingeschaltet, wobei die anderen Heizkörper nach wie vor eingeschaltet werden können und durch entsprechende Steuerung der Steuerelektronik die Funktion des fehlerbehafteten Heizkörpers übernehmen können. Zusätzlich kann angezeigt werden, daß einer der Heizkörper fehlerbehaftet ist.

Ist bei einem Haushaltsgerät bzw. Warmwasserbereiter mit mehreren Heizkörpern im voraus bekannt, welcher der Heizkörper in der Regel am längsten in Betrieb ist, dann kann sich eine Überwachung der übrigen Heizkörper erübrigen. Es wird dann nur der im Regelfall längstbelastete Heizkörper überwacht. Wenn an ihm ein Fehlerfall auftritt, wird er von der Steuerelektronik abgeschaltet gehalten und die Steuerelektronik schaltet den oder die weiteren Heizkörper so, dass die Funktion des ausgefallenen Heizkörpers ersetzt wird.

Insgesamt ist es also möglich, die Lebensdauer eines Haushaltsgeräts, insbesondere Warmwasserbereiters, der mehrere Heizkörper aufweist, zu verlängern, weil nicht beim Ausfall nur eines Heizkörpers das Gerät insgesamt ausfällt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Überwachungsschaltung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Warmwasserbereiters und

Fig. 3 ein Flussdiagramm.

Ein Mantelrohrheizkörper 1 weist eine Heizwendel 2 auf, die in einem metallischen Mantelrohr 3 angeordnet ist. Die Heizwendel 2 ist gegenüber dem Mantelrohr 3 mittels Isoliermaterial elektrisch isoliert. Der Mantelrohrheizkörper 1 liegt ggf. mit weiteren Heizkörpern (vgl. Fig. 2) in einem Wasserspeicher 4 eines Warmwasserspeicherheizgeräts.

Die Heizwendel 2 ist in Reihe zu Schaltkontakten K1 und K2 eines ersten Umschalters 5, beispielsweise Umschaltrelais, geschaltet. Der Umschalter 5 ist von einer Steuerelektronik 6, die beispielsweise mit einem Mikroprozessor 7 arbeitet, in eine Prüfstellung und in eine Betriebsstellung schaltbar. In Fig. 1 und in Fig. 2 sind die Schaltkontakte K1 und K2 in der Prüfstellung gezeigt.

Der Kontakt K2 liegt in der Prüfstellung über einen Messwiderstand R1 an einer Messspannung Um, die von einem Netzteil 8 abgeleitet ist. Die Messspannung Um ist beispielsweise eine 5 V-Gleichspannung. Der Messwiderstand R1 hat vorzugsweise etwa den gleichen ohmschen Widerstand, beispielsweise 24 Ohm, wie die Heizwendel 2, der beispielsweise für eine Leistung von 2 kW einen Widerstandswert von 26 Ohm hat.

Zwischen dem Messwiderstand R1 und dem Kontakt K2 liegt an einem Abgriffspunkt 9 ein AD-Wandler 10 der Steuerelektronik 6, dessen Ausgangssignal in der Steuerelektronik 6 beispielsweise vom Mikroprozessor 7 verarbeitet wird. Die Steuerelektronik 6 steuert eine Anzeigeeinrichtung 11.

Da beim gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, dass der Heizkörper 1 sowohl auf einen etwagigen Bruch der Heizwendel 2 als auch auf den elektrischen Isolationswiderstand zwischen der Heizwendel 2 und dem Mantelrohr 3 überwacht wird, ist ein zweiter Umschalter 12 vorgesehen, der Schaltkontakte K7 und K8 aufweist und von der Steuerelektronik 6 gesteuert wird.

Der Kontakt K1 liegt in der Prüfstellung am Kontakt K8. In Fig. 1 ist diejenige Stellung der Kontakte K7 und K8 gezeigt, in der die Prüfung auf Heizwendelbruch erfolgt. In dieser Prüfstellung ist der Kontakt K1 über den Kontakt K8 auf Masse oder an den Nulleiter des Wechselstromnetzes geschaltet. Dabei liegt der mit dem Mantelrohr 3 verbundene Kontakt K7 an Masse oder am Nulleiter des Wechselstromnetzes.

In dieser der Überwachung auf Heizwendelbruch dienenden und von der Steuerelektronik 6 eingeschalteten Prüfstellung des ersten Umschalters 5 fließt, wenn ein Heizwendelbruch nicht vorliegt, ein Gleichstrom vom Netzteil 8 über den Messwiderstand R1, den Kontakt K2, die Heizwendel 2, den Kontakt K1 und den Kontakt K8 auf Masse. Da die ohmschen Widerstände des Widerstands R1 und der Heizwendel 2 etwa gleich groß sind, stellt sich dann am Abgriffpunkt 9 etwa die halbe Messspannung ein. Diese erfasst die Steuerelektronik 6 über den AD-Wandler 10. Die Anzeigeeinrichtung wird dann nicht aktiviert und die Steuerelektronik 6 ist bereit, den ersten Umschalter 5 in die Betriebsstellung zu bringen. Im Ausführungsbeispiel schaltet die Steuerelektronik 6 den Umschalter 5 jedoch nicht sofort in die Betriebsstellung, sondern betätigt zunächst den zweiten Umschalter 12, um auch noch den Isolationswiderstand zu prüfen.

Ist jedoch bei einer anderen Ausführung die Isolationsprüfung nicht vorgesehen, wobei der zweite Umschalter 12 überflüssig ist, schaltet die Steuerelektronik 6 den ersten Umschalter 5 gleich in die Betriebsstellung, so dass der Heizkörper 1 heizt.

Liegt in der der Überwachung auf Bruch der Heizwendel 2 dienenden Prüfstellung des ersten Umschalters 5 tatsächlich ein Bruch der Heizwendel vor, dann fließt über den Messwiderstand R1 praktisch kein Strom. Am Abgriff 9 und am AD-Wandler 10 liegt dementsprechend etwa die volle Messspannung Um an. Die Steuerelektronik 6 aktiviert dann die Anzeigeeinrichtung 11 und schaltet den ersten Umschalter 5 künftig nicht in seine Betriebsstellung. Der Benutzer und/oder Servicepersonal erhält dadurch einen Hinweis, dass der Heizkörper 1 defekt ist.

In der Betriebsstellung des ersten Umschalters 5 ist der Kontakt K1 auf den Nulleiter N und der Kontakt K2 über einen von der Wassertemperatur abhängigen Thermostatschalter 13 an die Phase L1 des Wechselstromnetzes geschaltet, so dass der Heizkörper 1 das Wasser im Wasserspeicher 4 erwärmt, wenn der Thermostatschalter 13 geschlossen ist.

In der Betriebsstellung des ersten Umschalters 5 ist der zweite Umschalter 12 so geschaltet, dass sein Kontakt K7 und damit das Mantelrohr 3 an Masse liegt und sein Kontakt K8 an Masse liegt.

Zur Prüfung des zwischen der Heizwendel 2 und dem Mantelrohr bestehenden Isolationswiderstands ist ein Hochspannungsgenerator 14 vorgesehen, der vom Netzteil 8 gespeist ist. Der Hochspannungsgenerator 14 erzeugt eine Gleich- oder Wechselspannung von beispielsweise 500 V, jedenfalls eine Spannung, die höher ist als die Netzwechselspannung (230 V). Wenn der zweite Umschalter 12 auf "Isolationsprüfung" geschaltet ist, also seine Kontakte K7 und K8 in der gegenüber Fig. 1 anderen Stellung stehen, ist ein Hochspannungsausgang 15 des Hochspannungsgenerators 14 über den Kontakt K7 auf das Mantelrohr 3 geschaltet. Sein anderer Ausgang 16 liegt über den Kontakt K8 und den Kontakt K1 an der Heizwendel 2.

Zwischen den Ausgängen 15 und 16 des Hochspannungsgenerators 14 ist ein Kondensator C vorgesehen. Am Ausgang 16 liegen eine Diode D, eine Induktivität L und ein zweiter Messwiderstand R2 in Reihe gegen Masse. Bei der Überwachung des Isolationswiderstandes liegt die Hochspannung zwischen dem Mantelrohr 3 und der Heizwendel 2.

Ist der Isolationswiderstand hoch genug, besteht also kein Kurzschluss zwischen der Heizwendel 2 und dem Mantelrohr 3, dann kann aus der Messspannung Um kein Gleichstrom über den ersten Messwiderstand R1, den Schaltkontakt K2, die Heizwendel 2, den Kontakt K1, den Kontakt K8, die Diode D und die Induktivität L fließen, weil die Diode D gegensinnig zur positiven Messspannung Um gepolt ist. Dies hat zur Folge, dass am AD-Wandler 10 etwa die voll Messspannung Um anliegt. Die Steuerelektronik 6 wertet dies in der Weise aus, daß sie keine Anzeige auslöst und anschließend den ersten Umschalter 5 in die Betriebsstellung bringt.

Besteht jedoch ein Kurzschluss zwischen der Heizwendel 2 und dem Mantelrohr 3, dann fließt aus der Messspannung Um ein Gleichstrom über den ersten Messwiderstand R1, den Kontakt K2, die Heizwendel 2, das Mantelrohr 3, den Kontakt K7 und den zweiten Messwiderstand R2 gegen Masse. Dementsprechend fällt am Messwiderstand R1 eine Spannung ab, so dass am Abgriffpunkt 9 eine Spannung ansteht, die sich deutlich von der Messspannung Um unterscheidet. Dies wertet die Steuerelektronik 6 über den AD-Wandler 10 aus und aktiviert die Anzeigeeinrichtung 11 und schaltet den Heizkörper 1 nicht mehr in Betriebsstellung.

Nach Fig. 2 sind im Wasserspeicher 4 drei Mantelrohrheizkörper 1, 1', 1" angeordnet. Diese können an einem einzigen Heizflansch montiert sein. Jedem der Heizkörper 1, 1', 1" ist ein oben beschriebene erste Umschalter 5 zugeordnet. In Fig. 2 sind die Umschalter der Heizkörper 1' und 1" mit 5' und 5" bezeichnet. Für alle drei Heizkörper 1, 1' und 1" genügt ein einziger zweiter Umschalter 12. Die Umschalter 5, 5', 5" und 12 sind von Schaltausgängen 17 für die Umschaltkontakte aufweisenden Schaltrelais gesteuert. In Fig. 2 sind die Kontakte K1, K2 des Umschalters 5, die Kontakte K3, K4 des Umschalters 5' und die Kontakte K5, K6 des Umschalters 5" in der Prüfstellung gezeigt. In der Betriebsstellung sind die Heizkörper 1, 1', 1" an die Phasen L1, L2, L3 des dreiphasigen Netzes geschaltet. In der Prüfstellung liegen die Kontakte K2, K4 und K6 an jeweils einem AD-Wandler 10 der Steuerelektronik 6. Die Kontakte K1, K3 und K5 liegen in der Prüfstellung für die Steuerelektronik 6 an dem oben beschriebenen Kontakt K8. Der Kontakt K7 liegt in der in Fig. 2 dargestellten Stellung auf Masse. Für die Isolationsprüfung ist er an einen Eingang 18 gelegt.

Die Einrichtung nach Fig. 2 arbeitet etwa so, wie dies aus dem Flussdiagramm der Fig. 3 zu ersehen ist. Nach dem Programmstart, d. h. dem Einschalten des Warmwasserbereiters, erfolgt zunächst eine Prüfphase P (vgl. Fig. 3). In der Prüfphase P wird zunächst der dem ersten Heizkörper 1 zugeordnete erste Umschalter 5 in die Prüfstellung gebracht. Ergibt sich dabei, dass ein Heizwendelbruch vorliegt, dann sperrt die Steuerelektronik 6 den ersten Heizkörper 1, wobei in der Anzeigeeinrichtung 11 eine entsprechende Anzeige erfolgen kann.

Ergibt die Prüfung, daß ein Heizwendelbruch nicht vorliegt, dann wird von der Steuerelektronik 6 der zweite Umschalter 12 betätigt, so dass eine Prüfung des ersten Heizkörpers 1 auf seinen Isolationswiderstand stattfindet. Ist der Isolationswiderstand ungenügend, dann erfolgt ein Sperren des ersten Heizkörpers 1, so dass er nicht mehr eingeschaltet werden kann, und zusätzlich eine Anzeige.

Anschließend werden die Heizkörper 1' und 1" in gleicher Weise von der Steuerelektronik 6 überprüft (vgl. Fig. 3). Mit den nicht gesperrten Heizkörpern erfolgt die Heizungsregelung dann in üblicher Weise in einer Regelphase R, wobei die funktionsfähigen Heizkörper durch Vergleich einer Istwerttemperatur und einer Sollwerttemperatur ein- oder ausgeschaltet werden.

Ist einer der Heizkörper ausgefallen, dann übernehmen die anderen Heizkörper dessen Funktion.

Es ist auch möglich, denjenigen Heizkörper auf Heizwendelbruch und Isolationswiderstand zu überwachen, der konstruktionsbedingt die längste Betriebsdauer hat. Die Steuerelektronik 6 schaltet dann, wenn dieser Heizkörper ausfällt, die übrigen Heizkörper so, dass sie die Funktion des ausgefallenen Heizkörpers übernehmen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung wenigstens eines elektrischen Heizkörpers, insbesondere Mantelrohrheizkörpers, eines Haushaltsgeräts, insbesondere eines Wasserbereiters, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einschalten des Heizkörpers(1, 1', 1") von einer Steuerelektronik (6) eine erste Prüfspannung (Um) zur Prüfung des Heizwendelwiderstandes und/oder eine zweite Prüfspannung (5, 16) zur Prüfung des Isolationswiderstandes auf den Heizkörper (1) geschaltet wird, dass von der Steuerelektronik (6) ausgewertet wird, ob der Heizwendelwiderstand und/oder der Isolationswiderstand innerhalb vorgegebener Grenzen liegt, und dass dann, wenn dies nicht der Fall ist (Fehlerfall), der Heizkörper (1, 1', 1") von der Steuerelektronik (6) künftig nicht mehr eingeschaltet wird und/oder eine Anzeige des Fehlerfalls erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung durch Spannungsmessung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspannungen von der Steuerelektronik (6) nacheinander an die Heizkörper (1, 1', 1") gelegt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn bei einem der Heizkörper (1, 1', 1") von der Steuerelektronik (6) ein Fehlerfall festgestellt wurde, künftig nur einer der übrigen Heizkörper eingeschaltet wird.

5. Schaltung zur Überwachung von wenigstens einem elektrischen Heizkörper, insbesondere Mantelrohrheizkörper, eines Haushaltgeräts, insbesondere Warmwasserbereiters, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heizkörper (1, 1', 1") ein Umschalter (5, 5', 5") mit einer Prüfstellung und einer Betriebsstellung zugeordnet ist, dass eine Steuerelektronik (6) den Umschalter (5, 5', 5") in die Prüfstellung schaltet, bevor sie ihn in die Betriebsstellung schaltet und dass in der Prüfstellung eine erste Prüfspannung (Um) für die Prüfung des Heizwendelwiderstandes und/oder eine zweite Prüfspannung für den Isolationswiderstand an den Heizkörper gelegt ist und die Steuerelektronik (6) an einem Abgriffpunkt (9) eines Messwiderstandes (R1) auswertet, ob der Heizwendelwiderstand und/oder der Isolationswiderstand innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (6) einen hinsichtlich des Heizwendelwiderstandes und des Isolationswiderstandes defekten Heizkörper (1, 1', 1") sperrt.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Umschalter (12) vorgesehen ist, mit dem der Heizkörper (1, 1', 1") an einen Hochspannungsgenerator (14) schaltbar ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (R1) auch wirksam ist, wenn an den zweiten Umschalter (12) die zweite, der Isolationsprüfung dienende Hochspannung wirksam ist.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannung (Um) der Prüfung des Heizkörpers (1, 1', 1") auf Heizwendelbruch eine Gleichspannung, insbesondere Niederspannung (<230 V) ist.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zur Prüfung des Isolationswiderstands des Heizkörpers (1, 1', 1") eine Hochspannung aus einem Hochspannungsgenerator (14) ist, die über der Betriebsspannung (Netzwechselspannung) der Heizkörper liegt.