DE10151227C1

DE10151227C1 - Schaltung für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen und Verfahren der Steuerung

Info

Publication number: DE10151227C1
Application number: DE2001151227
Authority: DE
Inventors: Hans Gustat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-10-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für die Steuerung von Wasserpumpen mit Wechselstrommotor, insbesondere für Wasserpumpen mit elektromechanischem Zweipunktregler. Die Erfindung kann einfach zwischen Wechselstrommotor der Wasserpumpe und Netzanschluss eingefügt werden. Ein Kontroller verarbeitet ein aus dem Laststrom bzw. Einschaltzustand des Wechselstrommotors abgeleitetes Signal, um den Phasenanschnitt für den Wechselstrommotor zu steuern. DOLLAR A Durch Nutzung der Information aus dem zurückliegenden Zeitverlauf des Eingangssignals kann die Steuerung des Phasenanschnitts so erfolgen, dass die Wasserpumpe wesentlich optimaler arbeitet als mit herkömmlichem Zweipunktregler. Mit geringem Aufwand an Kosten ist somit ein hoher Gewinn an Komfort und Lebensdauer der Anlage sowie Energieeinsparung möglich. Vorhandene Wasserpumpen können auch von Laien leicht mit der Erfindung nachgerüstet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen, und auf Verfahren zu deren Steuerung, vorzugsweise häusliche oder ähnliche örtliche Wasserversorgungsanlagen mit Wechselstrommotor, insbesondere für Wasserpumpen mit elektromechanischem Zweipunktregler.

Wasserpumpen mit Wechselstrommotor werden vor allem für kleinere Hauswasseranlagen eingesetzt. Üblicherweise ist in einer mechanischen Einheit neben Pumpe und Kessel ein Wechselstrommotor mit einem elektromechanischen Zweipunktregler enthalten. Der elektrische Netzanschluss geschieht über einen Verbinder oder Netzstecker. Der Zweipunktregler schaltet beim Absinken des Wasserdrucks unter einen Minimalwert den Wechselstrommotor ein, bis der Druck über einen Maximalwert angestiegen ist. Während der Arbeitsphasen der Wasserpumpe wird meist nur ein Teil des geförderten Wassers vom Verbraucher entnommen, da die Hauswasseranlage üblicherweise so dimensioniert ist, dass sie für maximale Verbrauchssituation ausreicht. Der andere Teil wird in den meisten Fällen in einem Druckkessel gespeichert. Die Größe dieses Druckkessels, genauer die Größe des komprimierbaren Luftvolumens im Druckkessel, bestimmt die durchschnittliche Dauer der Arbeitsphasen der Wasserpumpe und damit deren Schalthäufigkeit.

Ein großer Kessel führt zu geringerer Schalthäufigkeit, was wiederum eine kleinere Spanne zwischen Minimalwert und Maximalwert des Wasserdruckes und damit eine gleichmäßigere Drucksituation erlaubt. Diesen positiven Eigenschaften eines großen Druckkessels stehen sowohl höhere Kosten, als auch ein größerer Platzbedarf nachteilig gegenüber. Die Größe des Kessels ist somit vor allem ein Kompromiss zwischen Kosten und erwünschten Eigenschaften.

Aus vorgenannten Kostengründen besitzen viele Hauswasseranlagen sehr kleine Druckkessel. Das führt zu einer ungleichmäßigen Drucksituation beim Verbraucher während der Entnahme von Wasser, was vor allem bei Mischbatterien störend ist, weil sich dann die Mischung aus warmem und kaltem Wasser rasch und häufig ändert. Außerdem ist eine hohe Schalthäufigkeit ungünstig für die Lebensdauer der gesamten Hauswasseranlage. Viele Hauswasseranlagen arbeiten unter solchen ungünstigen Bedingungen, so dass bei gleichmäßig offenem Ventil beim Verbraucher der Motor der Wasserpumpe, bis zu mehrere Male pro Minute ein- und ausgeschaltet werden muss. Nachteilig ist unabhängig von der Größe der Druckkessel, dass sich mit der Zeit die Größe des komprimierbaren Luftvolumens verringert, da sich die Luft allmählich im Wasser löst und bei der Entnahme von Wasser abtransportiert wird, so dass der Druckkessel regelmäßig belüftet werden muss, damit genügend komprimierbares Volumen zur Verfügung steht.

Bei größeren Wasserversorgungsanlagen wird das Problem der begrenzten Kesselgröße dadurch gelöst, daß je nach Verbrauch mehrere Pumpen geschaltet werden, oder ein Regelkreis mit einem Drucksensor über die Drehzahlregelung des Elektromotors der Pumpe den Druck annähernd konstant hält. Eine solche Drehzahlregelung in Abhängigkeit vom Druck und damit vom Verbrauch ist auch wesentlich wirtschaftlicher als das Verfahren der einfachen Zweipunktregelung, da die Pumpe häufiger in einem Bereich mit besserem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Problematik wird in "Wasserversorgung" von H. Kittner, W. Starke und D. Wissel, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, 5. Auflage, S. 361-371 detailliert dargestellt.

Das Verfahren der Drehzahlregelung ist auch für kleine Hauswasseranlagen sinnvoll, jedoch wäre bereits der Einsatz eines Drucksensors mit der dazu nötigen Änderung an der Mechanik der Anlage ein Kostenfaktor, der die Herstellung der Anlage deutlich verteuern würde.

Das Nachrüsten bestehender Hauswasseranlagen mit einem solchen System wäre noch wesentlich aufwendiger.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere häusliche oder ähnliche örtliche Wasserversorgungsanlagen mit verlängerten Arbeitsphasen der Wasserpumpen, d. h. Verringerung deren Schalthäufigkeit, und mit verringertem zeitlichen Anstieg des Wasserdruckes während der Arbeitsphase der Wasserpumpe, so dass während der Wasserentnahme eine möglichst gleichmäßige Drucksituation vorherrscht, vorzuschlagen, wobei kein Drucksensor benötigt wird und keine mechanischen Änderungen erforderlich sind, so dass auch ein Nachrüsten vorhandener häuslicher oder ähnlicher örtlicher Wasserversorgungen einfach und kostengünstig möglich ist.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die Wasserversorgungsanlage - insbesondere die häusliche oder ähnliche örtliche - eine Schaltung integriert und ein Verfahren zur Steuerung von Wasserversorgungsanlagen entsprechend den Merkmalen der Ansprüche vorgeschlagen wird.

Die erfindungsgemäße Schaltung für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen - insbesondere häusliche oder ähnliche örtliche - mit Steuereinheit im wesentlichen bestehend aus einem Wechselstrommotor und einem Zweipunktregler, beinhaltet eine elektronische Phasenanschnittsteuerung, die in Serie mit der Steuereinheit angeordnet ist, und einen Mikrocontroller oder eine Logikschaltung, nachfolgend als Controller bezeichnet, an dessen Eingang eine Einrichtung angeschlossen ist, die ein Signal über den Einschaltzustand oder den Laststrom des Wechselstrommotors abgibt, und der Ausgang des Controllers mit der Phasenanschnittsteuerung verbunden ist, wobei die dem Wechselstrommotor zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung vom Controller gesteuert ist.

Dabei liefert die Einrichtung ein Eingangssignal - welches Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors repräsentiert - an den Eingang des Controllers, wobei die dem Wechselstrommotor zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung vom Controller in Abhängigkeit vom Eingangssignal gesteuert wird.

In einer vorteilhaften Variante ist das Eingangssignal zum Controller ein binäres Signal, das die Information "Wechselstrommotor ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor ist ausgeschaltet" enthält. Hierbei speichert die Einrichtung und/oder der Controller die Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors, und die dem Wechselstrommotor zugeführte elektrische Leistung wird über die Phasenanschnittsteuerung vom Controller in Abhängigkeit von den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors gesteuert.

In einer weiteren Variante ist das Eingangssignal zum Controller ein nicht-binäres Signal, das zusätzlich zur Information "Wechselstrommotor ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor ist ausgeschaltet" eine Information über den Wert des Laststroms des Wechselstrommotors enthält.

In einer Abwandlung des Verfahrens wird die dem Wechselstrommotor zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung vom Controller in Abhängigkeit von einer Schätzung des Durchschnittswertes der benötigten elektrischen Leistung gesteuert, wobei diese Schätzung aus den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors ermittelt wird.

In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die dem Wechselstrommotor zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung vom Controller in Abhängigkeit von einer Schätzung der momentanen Lage des Wasserdrucks im Bereich zwischen Minimal- und Maximaldruck des Zweipunktreglers gesteuert, wobei diese Schätzung aus den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors ermittelt wird.

Alle in den Beispielen genannten Ausgestaltungen der Erfindung sind möglich durch einfaches Einfügen einer Schaltung in den Lastkreis der Spannungsversorgung des Wechselstrommotors der Wasserpumpe. Zum Stellen des Phasenanschnitts ist eine Auflösung von z. B. 8 Bit weitaus ausreichend, so dass preiswerte Mikrocontroller, ggf. mit einfachem Analog-Digital-Umsetzer, verwendet werden können. Mit der Erfindung können vorhandene Wasserpumpen leicht nachgerüstet werden. Bei einer Ausführung mit Netzstecker und Kupplung kann die Erfindung auch von technischen Laien einfach zwischen Wechselstrommotor der Wasserpumpe und Netzanschluss eingefügt werden. Damit werden die Wasserpumpen optimaler an die bestehende Situation der Wasseranlage angepasst und der Komfort bei der Wasserentnahme sowie die Lebensdauer des Systems wird gesteigert. Für die Lebensdauer sind neben der verringerten Schalthäufigkeit auch die weniger sprunghafte Drucksituation, und der gleichmäßige Durchfluss während der Einschaltphase vorteilhaft. Damit kann auch die Betriebssituation für den Filter im Brunnen, aus dem das Wasser entnommen wird, verbessert werden. Überdies arbeitet die Wasserversorgungsanlage mit abgestufter Leistungssteuerung mit besserem Wirkungsgrad und spart somit Elektroenergie. Die Kosten einer solchen Nachrüstung sind bei vergleichbarem Effekt meist weitaus geringer als die eines größeren Druckkessels, welcher zudem nicht alle Vorteile einer abgestuften Leistungssteuerung bietet.

Die Merkmale der Erfindung gehen 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 Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild der Steuereinheit einer Wasserversorgungsanlage nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 Erfindungsgemäße Schaltung mit dem Blockschaltbild einer Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung zur Steuerung der Steuereinheit einer Wasserversorgungsanlage.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Steuereinheit 1 - mit einem Wechselstrommotor 2 und einem elektromechanischen Zweipunktregler 3 - und einer Kupplung 4 als elektrischer Netzanschluss, vorzugsweise ein Netzstecker, einer kleinen Wasserversorgungsanlage, beispielsweise einer Hauswasseranlage, nach dem Stand der Technik, wobei die Pumpe und der Druckkessel nicht dargestellt sind. Der Zweipunktregler 3 schaltet beim Absinken des Wasserdrucks unter einen Minimalwert den Wechselstrommotor 2 ein, bis der Druck über einen Maximalwert angestiegen ist. Die erfindungsgemäße Schaltung 11 zur Steuerung der Steuereinheit 1 einer Wasserversorgungsanlage ist in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellt. Die erfindungsgemäße Schaltung 11 ist der Steuereinheit 1 der herkömmlichen Wasserversorgungsanlage mittels der Kupplung 4 vorgeschaltet. Die erfindungsgemäße Schaltung 11 enthält eine elektronische Phasenanschnittsteuerung 12, welche in Serie mit dem Wechselstrommotor 2 und dem Zweipunktregler 3 geschaltet ist, sowie einen Controller 13, der die Phasenanschnittsteuerung 12 steuert. Als Eingangssignal zum Controller 13 dient ein Signal, welches mit Hilfe einer Einrichtung 14 vom Laststrom des Wechselstrommotors 2 abgeleitet wird, beispielsweise über einen Widerstand, dem auch ein Verstärker und/oder Trigger nachgeschaltet sein kann. Der Controller 13 steuert abhängig vom Eingangssignal die Phasenanschnittsteuerung 12.

Beispiel 2

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Steuereinheit 1 der herkömmlichen Wasserversorgungsanlage mittels erfindungsgemäßer Schaltung 11, steuert der Controller 13 die Phasenanschnittsteuerung 12 nicht nur in Abhängigkeit vom Momentanwert des Eingangssignals, sondern auch in Abhängigkeit von dessen zurückliegendem Zeitverlauf.

Beispiel 3

In Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Steuereinheit 1 der herkömmlichen Wasserversorgungsanlage mittels erfindungsgemäßer Schaltung 11 ermittelt der Controller 13 aus dem Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der letzten Zeit, z. B. der letzten zwei Minuten, die durchschnittlich aufgebrachte elektrische Leistung und steuert in Abhängigkeit von diesem Wert die Phasenanschnittsteuerung 12. Hierbei kommt die momentan dem Wechselstrommotor 2 über die Phasenanschnittsteuerung 12 während dessen Arbeitsphase zugeführte Leistung der Leistung näher, die der momentanen Verbrauchssituation entspricht. Die Arbeitsphase verlängert sich somit, und die Schalthäufigkeit sinkt.

Beispiel 4

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zur Leistungsermittlung benötigte Zeit verkürzt, indem die durchschnittlich aufgebrachte elektrische Leistung aus einer einzigen Einschaltphase ermittelt wird. Somit kann nach einem oder wenigen Einschaltzyklen eine deutliche Verbesserung der Leistungssteuerung erreicht werden.

Beispiel 5

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Steuereinheit 1 der herkömmlichen Wasserversorgungsanlage mittels erfindungsgemäßer Schaltung 11 liegt darin, dass eine zusätzliche adaptive Regelung über längere Zeit erfolgt. Beispielsweise kann über Wochen hinweg das maximale Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer pro 5 Minuten ermittelt und daraus eine Schätzung für die erforderliche Leistung bei maximaler Lastsituation gewonnen werden. So kann die maximal zuzuführende Leistung abgeschätzt werden und damit die Wasserpumpe besser an die Situation angepasst werden, was zu weiterer Verringerung der Schalthäufigkeit, Energieeinsparung und einen gleichmäßigeren Betrieb beiträgt.

Beispiel 6

Die bisher beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits mit einem rein binären Eingangssignal möglich: "Wechselstrommotor 2 ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor 2 ist ausgeschaltet". Dieses kann z. B. über einen Trigger aus dem Spannungsabfall über einen Widerstand in Serie mit dem Wechselstrommotor 2 gewonnen werden. In Abwandlung dazu enthält das Eingangssignal des Controllers 13 für die Steuerung des Phasenanschnitts in diesem Ausführungsbeispiel mehr als nur die binäre Information des Einschaltzustands, also ein nicht-binäres Eingangssignal, vorzugsweise der ganzzahlige Ausgangswert eines Analog-Digital-Umsetzer, der die Spannung über den oben beschriebenen Serienwiderstand in einen Digitalwert mit mehreren Bit umsetzt. Beispielsweise enthält das nicht-binäre Eingangssignal zum Controller 13 für die Steuerung des Phasenanschnitts zusätzlich zur Information "Wechselstrommotor 2 ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor 2 ist ausgeschaltet" eine Information über den Wert des Laststroms des Wechselstrommotors 2. In diesem Fall kann die Einrichtung 14 außer einem Widerstand und ggf einem Verstärker außerdem einen Analog-Digital-Umsetzer enthalten, oder aber dieser Analog-Digital-Umsetzer ist bereits im Controller 13 integriert.

Beispiel 7

In einer weiteren Abwandlung wird über die Ermittlung der durchschnittlichen und maximal nötigen Leistung hinaus auch eine Schätzung des momentanen relativen Wasserdrucks im System vorgenommen. Während mehrerer Arbeitsphasen bei gleichem Phasenanschnitt das Eingangssignal aufgezeichnet wird. Damit wird eine Information über die zeitliche Änderung der Lastsituation des Wechselstrommotors 2 während der Arbeitsphase gewonnen. Über viele Arbeitsphasen gemittelt, ergibt das eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen momentaner Eingangsspannung und momentanem Wasserdruck relativ zum Bereich des Minimal- und Maximaldruckes. Mit dieser ermittelten Kennlinie kann aus der momentanen Eingangsspannung bei gegebenem Phasenanschnitt die momentane Lage des Wasserdrucks im Bereich zwischen Minimal- und Maximaldruck annähernd gewonnen werden. Damit kann der Wasserdruck im System in wesentlich feineren Schritten sowie kontinuierlicher geregelt werden, als es mit dem Zweipunktregler 3 möglich ist.

Claims

1. Schaltung (11) für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen - insbesondere häusliche oder ähnliche örtliche - mit Steuereinheit (1), im wesentlichen bestehend aus einem Wechselstrommotor (2) und einem Zweipunktregler (3), wobei die Schaltung (11) eine elektronische Phasenanschnittsteuerung (12), die in Serie mit der Steuereinheit (1) angeordnet ist, und einen Controller (13) mit Ein- und Ausgang (21, 22) enthält, an dessen Eingang (21) eine Einrichtung (14) angeschlossen ist, die ein Signal über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) abgibt, und dessen Ausgang (22) mit der Phasenanschnittsteuerung (12) verbunden ist, wobei die dem Wechselstrommotor (2) zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung (12) vom Controller (13) gesteuert ist.

2. Verfahren der Steuerung von Wasserversorgungsanlagen mit der Schaltung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) ein Eingangssignal - welches Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) repräsentiert - an den Eingang (21) des Controllers (13) liefert und die dem Wechselstrommotor (2) zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung (12) vom Controller (13) in Abhängigkeit vom Eingangssignal gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Eingangssignal zum Controller (13) ein binäres Signal ist, das die Information "Wechselstrommotor (2) ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor (2) ist ausgeschaltet" enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) und/oder der Controller (13) die Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) speichert und die dem Wechselstrommotor (2) zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung (12) vom Controller (13) in Abhängigkeit von den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Eingangssignal zum Controller (13) ein nicht-binäres Signal ist, das zusätzlich zur Information "Wechselstrommotor (2) ist eingeschaltet" bzw. "Wechselstrommotor (2) ist ausgeschaltet" eine Information über den Wert des Laststroms des Wechselstrommotors (2) enthält.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die dem Wechselstrommotor (2) zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung (12) vom Controller (13) in Abhängigkeit von einer Schätzung des Durchschnittswertes der benötigten elektrischen Leistung gesteuert wird, wobei diese Schätzung aus den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) ermittelt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die dem Wechselstrommotor (2) zugeführte elektrische Leistung über die Phasenanschnittsteuerung (12) vom Controller (13) in Abhängigkeit von einer Schätzung der momentanen Lage des Wasserdrucks im Bereich zwischen Minimal- und Maximaldruck des Zweipunktreglers (3) gesteuert wird, wobei diese Schätzung aus den gespeicherten Informationen über den Einschaltzustand und/oder den Laststrom des Wechselstrommotors (2) ermittelt wird.