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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ansteuerung Heizstab 3x3kW an Drehstrom, Sternschaltung


Autor: André Jochim (doc_jochim)
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Hallo,

ich habe gestern per Zufall Euer Forum entdeckt und mir gleich gedacht, 
daß hier vielleicht jemand eine konkrete Idee für die Lösung meines 
Problems haben könnte :-)

Deshalb möchte ich mal kurz die 'Aufgabenstellung' umreißen:

Ich habe einen Elektro-Heizstab, der als Zusatzheizung das 
Heizungswasser in meinem Pufferspeicher erwärmen kann. Dieser hat 3 
Heizelemente à 3kW, also eine Gesamtleistung von 9kW, die 3phasig in 
Sternschaltung angeschlossen sind.

Außer die einzeln abgesicherten Phasen mit den Leitungsschutzschaltern 
einzeln vom Netz zu trennen (und damit Schieflasten zu erzeugen) und 
damit gestufte Heizleistungen von 3kW, 6kW bzw. 9kW erhalten zu könnnen 
bzw. über das eingebaute Thermostat eine Grenztemperatur einstellen zu 
können, gibt es keine weitere Regulierungsmöglichkeit.

Ich würde jetzt gerne eine Möglichkeit haben, daß ähnlich wie bei einem 
Dimmer für Glühlampen die Leistung stufenlos (bzw. in kleinen 
Leistungsschritten) eingestellt werden kann - vielleicht sogar über 
einen Steuereingang, den ich über eine externe Steuerung mit einer 
Gleichspannung von 0-10V belegen könnte.

Eine ähnliche Fragestellung war hier ja schonmal mit einem 
24kW-Heizelement, aber konkrete Lösungsansätze konnte ich mir daraus 
leider noch nicht ableiten.

Die Steuerung wird wohl - um Netzstörungen zu vermeiden - auf jeden Fall 
auf eine Ansteuerung mit Wellenpaketen herauslaufen, die immer im 
Nulldurchgang geschaltet werden.

Stichworte, die ich diesbezüglich bereits aufgegabelt habe, sind:
Pulswellenmodulation, Optotriacs, Thyristoren, RC-Glieder zum Entstören 
usw.

Wie könnte ich das ganze jetzt konkret aufbauen? Und wie müssten die 
Dimensionierungen der Bauteile sein?

So etwas gibt es ja auch schon fertig aufgebaut als 
Thyristor-Leistungssteller, aber die sind 1phasig ja schon teuer. Und 
3phasig erst. Da wird deutlich das sinnvolle Budget überschritten.

Das muss doch mit einzelnen Bauteilen auch einfacher und v.a. 
kostengünstiger zu realisieren sein.

Hintergrund des ganzen ist, daß ich mit einem Blockheizkraftwerk Strom 
(5,5kW) und Wärme erzeuge, den Strom-Überschuß ins Netz des lokalen 
Energieversorgers einspeisen kann und vergütet bekomme. Diese Vergütung 
deckt aber selbst jetzt, wo es noch einen kleinen Förderzuschlag auf die 
Vergütung gibt, gerade die Stromgestehungskosten. Und da die Anlage - 
was ich nach schöngerechneten Wirtschaftlichkeitsberechnungen aber erst 
zu spät mitbekommen habe - sicher etwas zu groß für unser Haus ist, 
entstehen zu viele Überschüsse, da ich wegen der zu geringen Grundlast 
nicht den kompletten produzierten Strom selbst nutzen kann. Diese 
Überschüsse nutze ich lieber selbst, bevor ich den Strom an mein EVU 
quasi verschenke, und wenn es für einen Heizstab, eine Wärmepumpe oder 
für Beleuchtungszwecke ist.

Ich müsste dazu den Einspeisezähler, der einen S0-Ausgang (500 Impulse 
pro kWh) hat, auslesen und dann in Abhängigkeit von der eingespeisten 
Leistung die Leistung des gewünschten Verbrauchers (Heizstab, 
Wärmepumpe, Umwälzpumpe Schwimmbad, ggf. in Zukunft Akkuladung für 
Elektro-Auto)  dynamisch so steuern können, daß ich über den Heizstab 
auf keinen Fall zusätzlichen Strom aus dem Netz beziehe, auch wenn z.B. 
durch Einschalten der Waschmaschine plötzlich mehr Strom verbraucht 
wird.

Könnt Ihr mir helfen?

Viele Grüße

André

Autor: Mr Obvious (Gast)
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Bei dir seh ich da ein prinzipielles Problem:

Wenn du mit Wellenpaketen steuerst, wie reagiert dein BHK darauf?
100 Halbwellen in den Heizstab, danach 100 in die Einspeisung?
Und wenn die Restleistung jetzt z.B. nur 4Kw wären, dann:
100 Halbwellen lang: 4KW aus BHK + 5 teuere KW aus dem Netz in die 
Heizung, anschliessend 100 Halbwellen 4KW ins Netz einspeisen?

Würde doch dem Sinn zuwiderlaufen, oder?

d.H. du müsstest tatsächlich die Leistungsaufnahme anpassen, nicht nur 
gemittelt über einen längeren Zeitraum.

PWM/Sinusdimmer? Sicher nicht einfach im Selbstbau.

Autor: me (Gast)
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wieso dimmen?
normalerweise wird sowas im intermittierenden Betrieb gemacht, also
50% an / 50% aus pro Zeiteinheit, oder eben ein anderes Verhältnis. Ist 
doch für einen Pufferspeicher egal, weil träges System. So bekommst du 
über die Zeit auch ein "langsames" Dimmen hin und mußt nicht bei jeder 
Sinusschwingung was abschneiden.

Autor: oszi40 (Gast)
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André Jochim schrieb:
> hat 3 Heizelemente à 3kW, also eine Gesamtleistung von 9kW,
> hat Einspeisezähler, der einen S0-Ausgang (500 Impulse

Die Sache wird nicht ganz einfach und sollte dann möglichst 100 Jahre 
funktionieren (solange das Haus steht). Schon mal bei Solarserver.de 
recherchiert?
Eigentlich sind 3 Baustellen:
1.Heizelement sinnvoll steuern
2.Engergieverbrauch optimieren
3.Möglichst so bauen, daß jeder dahergelaufene "Elektriker" Deine Anlage 
reparieren kann, falls Du mal nicht zu Hause bist.

Autor: André Jochim (doc_jochim)
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Mr Obvious schrieb:
> Bei dir seh ich da ein prinzipielles Problem:
> [...]
> d.H. du müsstest tatsächlich die Leistungsaufnahme anpassen, nicht nur
> gemittelt über einen längeren Zeitraum.

Wo Du Recht hast, hast Du Recht.

Da der Energiezähler am Netzübergabepunkt leider kein einfacher, nicht 
Rücklaufgesperrter Zähler ist, der Einspeisung und Bezug einfach 
bilanziell miteinander verrechnet, sondern ein Zweirichtungszähler, der 
Einspeisung und Bezug getrennt voneinander zählt, ist das 
Leistungsmittel tatsächlich nicht maßgeblich.

Und damit wäre eine 50%-Einstellung mit Wellenpaketen über eine Stunde 
ja das gleiche wie 1/2h mit voller Leistung an und dann 1/2h komplett 
aus. Und das ist ja genau das, was ich nicht brauchen kann

> PWM/Sinusdimmer? Sicher nicht einfach im Selbstbau.

Kann man nur so die Leistung wirklich einstellen? Gibt es sowas schon 
fertig, wenn es im Selbstbau nicht einfach ist?

André

Autor: André Jochim (doc_jochim)
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me schrieb:
> normalerweise wird sowas im intermittierenden Betrieb gemacht, also
> 50% an / 50% aus pro Zeiteinheit, oder eben ein anderes Verhältnis. Ist
> doch für einen Pufferspeicher egal, weil träges System.

Dem Pufferspeicher wäre es egal, aber - wie oben beschrieben - dem 
Stromzähler und damit meinem Portemonnaie nicht...

André

Autor: avion23 (Gast)
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Wie wäre es mit drei kleinen Modulen.

Jedes Modul ist ein Vollwellendimmer. Kleiner µC zählt Nulldurchgänge 
und bekommt über optokoppler Soll-Werte für die Leistung.

Jedes Modul schaltet dann gemäß seinem Soll-Wert durch. Wenn z.B. von 
0-255 skaliert ist schaltet er bei 128 jeden zweiten Nulldurchgang 
durch, bei 64 jeden 4ten. Für die Werte dazwischen muss man sich etwas 
einfallen lassen mit modulo usw. Das ganze dann auf einen thyristor. Die 
Belastung ändert sich sehr schnell, so dass auf z.B. 1s gesehen sich die 
Leistung auf den drei Phasen ausgleicht. Das schafft der Generator schon 
durch seine träge Masse.

Autor: André Jochim (doc_jochim)
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avion23 schrieb:
> Jedes Modul ist ein Vollwellendimmer.

Wenn hier jede x-te Welle voll durchgeschaltet wird, habe ich doch 
wieder das Problem, daß es im Mittel zwar passt und ich damit auch den 
Heizstab in seiner Leistung regulieren könnte, aber durch die getrennte 
Zählung von Einspeisung und Bezug ist mein Problem des ungewünschten 
Strombezugs damit leider nicht wirklich gelöst.

André

Autor: Mr Obvious (Gast)
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André Jochim schrieb:
>> PWM/Sinusdimmer? Sicher nicht einfach im Selbstbau.
>
> Kann man nur so die Leistung wirklich einstellen?
Siehe hier zur Erklärung des Prinzips:

http://www.hbernstaedt.de/KnowHow/Dimmer/Dimmer_4.htm

Steuert direkt die Effektivspannung und damit die Leistungsaufnahme 
deiner Heizung.
Und dank Filter davor ist auch die Stromaufnahme Sinusförmig.

André Jochim schrieb:
> Gibt es sowas schon
> fertig, wenn es im Selbstbau nicht einfach ist?

Musst du suchen. Vermutlich für die Leistung eher selten.

Autor: eProfi (Gast)
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Doch, ich sehe hier schon Lösungsmöglichkeiten:
Ich nehme mal an, dass Schieflasten kein Problem darstellen. Damit 
kannst Du durch geschicktes Reihen- und Parallelschalten der 
Heizelelmente die Stufigkeit 3-6-9 kW verbessern.
Das habe ich doch schonmal beschrieben:
Beitrag "Re: Wie am besten mehrere kW Leistung steuern?"
Noch nicht konkret genug?

Welche Nennspannung haben die Elemente? Vermutlich 230V, da Stern.
Sind sie fest im Stern verschaltet oder kann man den Sternpunkt 
"auflösen"?

Lass mal Deiner Phantasie freien Lauf, was man mit dem Strom besseres 
anstellen könnte.

Autor: André Jochim (Gast)
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eProfi schrieb:
> Das habe ich doch schonmal beschrieben:
> Beitrag "Re: Wie am besten mehrere kW Leistung steuern?"
> Noch nicht konkret genug?

> Welche Nennspannung haben die Elemente? Vermutlich 230V, da Stern.

Die Elemente haben eine Nennspannung von 230V. Die feinere Abstufung wie 
oben beschrieben läßt sich aber doch nur dann erreichen, wenn 
400V-Elemente je nach Schaltstufe auch mit einer Spannung von nur 230V 
betrieben werden.

Meine 230V-Elemente mit 400V zu betreiben - na ob das gut gehen 
würde...!?

> Sind sie fest im Stern verschaltet oder kann man den Sternpunkt
> "auflösen"?

Der Sternpunkt ist hinter den Anschlußklemmen verschaltet, aber trotzdem 
erreichbar und könnte damit auch aufgelöst werden.

André

Autor: eProfi (Gast)
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Du kannst 2 oder 3 Elemente in Reihe an 230 oder 400V klemmen.
Somit gibt es folgende Leistungen:
   77 115 133 200 230       kW
1  3   0   0   0   0         1,0
2  0   2   0   0   0         1,5
3  0   0   3   0   0         3,0
4  0   0   0   0   1         3,0
5  0   0   0   2   0         4,5
6  0   2   0   0   1   1,5+3=4,5
7  0   0   0   0   2   2  *3=6,0
8  0   0   0   2   1   4,5+3=7,5
9  0   0   0   0   3   3  *3=9,0


Weiter Möglichkeiten ergeben sich bei Reihen-&Parallelschaltung;
an 230V:  230*230/1,5/17,63333= 2,0kW
an 400V:  400*400/1,5/17,63333= 6,0kW

Mit einem Spartrafo oder einer weiteren Heizspirale ergeben sich viele 
Kombinationen.

Autor: lrlr (Gast)
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er muss (vermutlich) jede Phase einzeln betrachten ...

wenn er z.b. das Backrohr einschaltet, hat er die betroffene Phase ja 
"nicht mehr zur Verfügung"

Autor: Nicht Gast (Gast)
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Alle drei Phasen gleichrichten und dann den Heizstab mit einer PWM an 
Gleichspannung betreiben?

Doch Gast

Autor: Nicht Gast (Gast)
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Oder besser noch jede der drei Phasen einzeln gleichrichten und dann ein 
Strang des Heizstabes mit PWM betreiben.

doch gast

Autor: André Jochim (doc_jochim)
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lrlr schrieb:
> er muss (vermutlich) jede Phase einzeln betrachten ...
>
> wenn er z.b. das Backrohr einschaltet, hat er die betroffene Phase ja
> "nicht mehr zur Verfügung"

Warum einzeln?

BHKW Stromerzeugung erfolgt 3phasig. Der Einspeisezähler saldiert alle 
Phasen und trifft nach Summenbildung die Entscheidung: Einspeisung oder 
Bezug.
Einspeisen auf einer Phase und Bezug auf einer anderen ist also 
ausgeschlossen.

André

Autor: Windfritz (Gast)
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Hallo,

habe wegen neuer PV-Anlage (4kW) ähnliches "Problem".

Rascher und einfacher Lösungsvorschlag:
Zwischen bestehenden Heizstab und Zuleitung einen 6x20A (3x16A oder 
3x20A hab ich keinen gefunden) Lichtdimmer (wie in der 
Beleuchtungstechnik eingesetzt zB "DMX Dimmerpack") dazwischenschalten.
Gibt es auch mit analogem Steuereingang (0-10V) - das Signal könnte vom 
Zähler kommen, muss aber aufbereitet werden (weiß aber nix vom Signal, 
sprich wie sich das bei Einlieferung oder Verbrauch ändert)- weiß das 
wer?
Ausführungen mit Klemmen würd ich bevorzugen. Kosten zw. 200 und gut 
300€.

lG
Fritz

Autor: Windfritz (Gast)
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hab ein bichen gesucht und folgenen günstigen mehrfachdimmer (für mich 
passend) gefunden:
http://www.musikhaus-korn.de/de/EUROLITE-DPX-620-D...

windige und sonnige Grüße,
Fritz

Autor: U. B. (pasewalker)
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> ... und damit gestufte Heizleistungen von 3kW, 6kW bzw. 9kW
> erhalten zu könnnen bzw. über das eingebaute Thermostat eine
> Grenztemperatur einstellen zu
> können, gibt es keine weitere Regulierungsmöglichkeit.

Reicht doch. Auch bei einfachen Durchlauferhitzern wird durch 
Ausschalten einer Phase die Leistung halbiert.
Wird ein grosser Speicher erwärmt, ist das doch völlig i.O.

Autor: André Jochim (doc_jochim)
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Windfritz schrieb:
> hab ein bichen gesucht und folgenen günstigen mehrfachdimmer (für mich
> passend) gefunden:
> http://www.musikhaus-korn.de/de/EUROLITE-DPX-620-D...

Hast Du hier konkretere Infos, welches Dimmverfahren hier angewandt 
wird?

Phasenanschnitt?
Phasenabschnitt?
Sinus-Dimmer?
Pulswellenmodulation?


U. B. schrieb:

> Reicht doch. Auch bei einfachen Durchlauferhitzern wird durch
> Ausschalten einer Phase die Leistung halbiert.
> Wird ein grosser Speicher erwärmt, ist das doch völlig i.O.

Wenn Du mal die vorausgegangenen Beiträge in diesem Thread lesen 
würdest, könntest Du auch bemerken, daß dies keinesfalls ausreicht.

Es geht darum, den Heizstab möglichst nicht mit externem, teurem Strom 
vom Energieversorger zu betreiben, sondern vorhandenen Überschuß der 
eigenen Stromproduktion nicht für zu niedrige Preise an den 
Energieversorger verkaufen zu müssen, sondern diesen ggf. im Heizstab zu 
'verbraten'. Und hierzu muß die Leistungs-Steuerung schon ein bißchen 
genauer dem aktuellen Energieüberschuss angepasst werden. 3 Schaltstufen 
reichen hier keinesfalls aus!

André

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