DE19542975A1 - Drehstromschaltungsanordnung mit Heizkörpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsan­ ordnung mit mehreren am dreiphasigen Drehstromnetz angeschlos­ senen Heizkörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE-AS 21 54 523 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Schal­ tungsanordnung findet bei einem elektrisch beheizten Durchlauf­ erhitzer Anwendung, bei dem die Zu- bzw. Abschaltung von Phasen und damit der in ihnen liegenden Heizwiderstände in Abhängig­ keit von der Wasserdurchflußmenge als Maßstab des Leistungsbe­ darfs vorgenommen wird.

Dazu sieht die Schaltung vor, jeweils einen von drei Heizwider­ ständen in jeder Phase in Sternschaltung anzuordnen. Zwei Phasen sind über mechanische Kontakte mit ihren entsprechenden Heizwiderständen verbindbar und die dritte Phase wird über eine Zweirichtungs-Thyristortriode (Triac) geführt. Im Betrieb mit niedriger Leistung wird zunächst die über den durchgeschalteten Triac geführte Phase zusammen mit einer weiteren Phase mit zwei Heizkörpern verbunden, um 50% der Leistung des Drehstromheiz­ systems zu erreichen, wenn der Triac zeitlich voll eingeschal­ tet ist. Bei einem Bedarf von mehr als 50% der Heizleistung wird auch die dritte Phase zugeschaltet, wobei zum Vermeiden eines sprunghaften Leistungsanstiegs der Triac vorübergehend ausgetastet wird, wodurch wieder ein zweiphasiger Betrieb ent­ steht. Nach dem Ende der Austastzeit wird die Einschaltdauer des Triacs allmählich gesteigert, um die Leistung weiter zu er­ höhen.

Es wird bei dieser Schaltung als nachteilig angesehen, daß beim Übergang von der ersten Leistungsstufe zur zweiten Leistungs­ stufe ein Umschalten auf ein anderes Paar von Heizwiderständen erforderlich ist und der Triac während dieser Zeit ausgetastet werden muß, was einen relativ hohen Steueraufwand erfordert. Der Umschaltvorgang führt zu einem Einbruch der Temperatur­ kurve, da der Heizwiderstand, auf den umgeschaltet wird, zu Be­ ginn noch nicht die erforderliche Betriebstemperatur aufweist. Darüber hinaus werden durch das Umschalten und Austasten des Triacs elektromagnetische Störungen hervorgerufen, welche elek­ trische Schaltkreise in der unmittelbaren Umgebung empfindlich beeinflussen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst störungsarme Schaltungsanordnung anzugeben, die einfach aufge­ baut und daher kostengünstig ist, und mit der eine stufenlose Regelung der Heizleistung möglich ist.

Diese Aufgabe wird von einer Schaltungsanordnung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, ein erstes und zweites steuerbares Halbleiterbauelement in zwei Phasen anzuordnen, mit dem die Leistung der in diesen variablen Phasen liegenden Heiz­ körper regelbar ist und daß die verbleibende der drei Phasen direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines steuerbaren Elements mit einem Heizkörper verbindbar ist.

Im Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung ergibt sich der Vorteil, daß eine Grundlast von dem in der festen Phase liegen­ den Heizkörper erreicht wird und daß durch Zuschalten der beiden variablen Phasen die Last symmetrisch gesteigert werden kann, ohne daß dazu Umschaltvorgänge erforderlich wären. Die Steuerung für die Halbleiterbauelemente kann daher einfach ge­ halten werden, wodurch die Schaltungsanordnung kostengünstig herstellbar ist. Darüber hinaus werden durch den symmetrischen Betrieb zweier Phasen nur geringe elektromagnetische Störsi­ gnale erzeugt, welche in der Nähe befindliche Schaltungskreise in negativer Weise beeinflussen könnten.

Vorzugsweise ist das steuerbare Halbleiterbauelement als ein Triac (Zweirichtungs-Thyristortriode) ausgebildet, wenngleich prinzipiell auch andere steuerbare Halbleiterbauelemente, bei­ spielsweise ein einfacher Thyristor, einsetzbar wäre. Der Triac besitzt jedoch den Vorteil, daß er für die positive und nega­ tive Halbwelle einer Wechselspannung durch geeignetes Anlegen von Steuersignalen leitend geschaltet werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Halblei­ terbauelemente unabhängig voneinander steuerbar, wodurch eine individuelle Steuerung der variablen Phasen vorgenommen werden kann.

Gemäß einer dazu alternativen Ausführung sind die Steueran­ schlüsse der zwei Halbleiterbauelemente miteinander verbunden, wobei ein und dasselbe Steuersignal verwendet werden kann, und sich der Aufwand für die Erzeugung der Steuersignale reduziert.

Vorzugsweise umfaßt die Schaltungsanordnung eine Steuerschal­ tung, welche die Halbleiterbauelemente in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einer Soll-Temperatur und einer Ist-Tempera­ tur der Heizkörper steuert. Eine so ausgebildete Steuerschal­ tung regelt mit hoher Genauigkeit die von dem Heizkörper abge­ gebene Leistung und vermeidet ein Überschwingen der Heizkörper­ temperatur.

In einer bevorzugten Ausführung umfaßt die Schaltungsanordnung ein Hauptrelais, das in einer Weise steuerbar ist, daß es die Verbindung der Heizkörper mit dem Drehstromnetz unterbricht. Diese Ausführung trägt Sicherheitserfordernissen Rechnung, welche im Fehlerfall ein Freischalten der Heizkörper erfordern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist der Sternpunkt der Schaltung mit dem Nulleiter des Versor­ gungsnetzes verbunden, wodurch eine Betriebsart der Schaltung mit nur einer Phase ermöglicht wird.

Die vorliegende Erfindung soll nunmehr anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung noch näher beschrieben werden.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zeigt ein Anschlußteil 1 an ein übliches dreiphasiges Drehstromnetz mit einem Anschluß an drei Phasen, welche entsprechend mit L1, L2 und L3 bezeich­ net sind. Das Anschlußteil umfaßt weiterhin einen Nulleiter N sowie einen nicht dargestellten Schutzleiter. Das Drehstromnetz besitzt gemäß deutscher Norm eine Spannungsamplitude von etwa 400 V und eine Frequenz von 50 Hz.

Die Schaltungsanordnung weist darüber hinaus eine Vielzahl von Heizkörpern 2 auf, deren erste Anschlüsse über Verbindungslei­ tungen entsprechend mit jeweils einer der Phasen L1 bis L3 des Anschlußteils 1 verbindbar sind. Die Verbindung zwischen den Phasen L1 bis L3 und den Heizkörpern 2 kann über ein Hauptre­ lais 3 unterbrochen werden. Das Hauptrelais 3 ist so ausge­ führt, daß über einen gemeinsamen Betätigungsarm alle drei Schaltkontakte 4 gleichzeitig bewegbar sind. In einer dazu alternativen Ausführungsform kann jeder Kontakt über ein sepa­ rates Relais geöffnet und geschlossen werden. Jedes Relais ist elektrisch betätigbar und empfängt an den Ausgangsklemmen A1, A2 ein geeignetes Steuersignal.

In zwei der drei Phasen u, v, w ist ein steuerbares Halbleiter­ bauelement in Gestalt eines Triacs (Zweirichtungs-Thyristor­ triode) angeordnet. Es ist klar, daß die in der Zeichnung dar­ gestellte Anordnung, bei der die Triacs in den Phasen u und v angeordnet sind, auch in einer beliebigen Kombination zweier anderer Phasen liegen können. Der Aufbau, die Kennlinie und die Ansteuerung eines Triacs ist dem Fachmann allgemein bekannt und muß daher nicht gesondert erläutert werden.

In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Steueranschlüsse der beiden Triacs 5 miteinander verbunden und als ein gemeinsamer Steueranschluß St aus der Schaltung herausgeführt. Alternativ dazu kann für jeden Triac ein eigener Steueranschluß vorgesehen werden, um das Schaltverhalten der Triacs einzeln zu steuern. Jedes Steuersignal wird von einer nicht dargestellten Steuerschaltung erzeugt, deren Ausbildung und Betrieb in Abhängigkeit von dem gewünschten Schaltverhalten des Triacs vorgenommen wird.

Die Heizkörper, welche symbolisch in der Zeichnung durch einen Heizwiderstand 2a, 2b, 2c in jeder Phase dargestellt sind, können selbstverständlich auch mehrere parallel oder seriell miteinander verschaltete Heizwiderstände sein. Die zweiten An­ schlüsse der Heizkörper auf der den Triacs abgewandten Seite sind an einem gemeinsamen Sternpunkt S miteinander verbunden, der, soweit erforderlich, eine Verbindung mit dem Nulleiter des Drehstromversorgungsnetzes aufweisen kann. In diesem Zusammen­ hang soll darauf hingewiesen werden, daß eine Sternpunkterdung nicht in jedem Fall notwendig ist und daß die Erfindung auch Ausführungsformen umfaßt, die keine Sternpunkterdung aufweisen.

Alternativ zu der gezeigten Ausführung kann auch eine Schal­ tungsanordnung mit zwei Öfen vorgesehen sein, wobei jeder Ofen drei Heizwiderstände umfaßt. In diesem Fall sind die beiden in der Phase u liegenden Heizwiderstände, die in der Phase u lie­ genden Heizwiderstände und die in der Phase v liegenden Wider­ stände jeweils parallel miteinander verbunden. Die Triacs steuern dann jeweils ein Paar von parallel geschalteten Heizwi­ derständen in den variablen Phasen.

Im folgenden soll nun der Betrieb der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung erläutert werden. Dabei wird angenommen, daß die Schaltungsanordnung in einem Saunaofen Anwendung findet, welcher in zwei verschiedenen Betriebsarten, einem normalen Saunabetrieb und einem sogenannten Sanariumbetrieb mit redu­ ziertem Temperaturbereich betreibbar ist. Der Temperaturbereich der Sanarium-Betriebsart beträgt beispielsweise 40-60°C und je­ ner der Sauna-Betriebsart 60-110°C. (Die entsprechende Regel­ temperatur kann höher liegen).

Die Leistung des Heizwiderstandes 2a in der festen Phase u ist so dimensioniert, daß sich im eingeschalteten Zustand dieser Phase sich eine Temperatur von ca. 40°C ergibt, wenn gleichzei­ tig die variablen Phasen v und w keinen Strom führen, d. h. im vollständigen Sperrzustand der Triacs. Wenn dann die Temperatur auf einen beliebigen Wert zwischen 40 und 60°C gesteigert werden soll, erzeugt das Steuergerät Phasenanschnittssignale, welche den Steueranschlüssen der Triacs 5 zugeführt werden, da­ mit auch die Heizwiderstände 2b und 2c eine, wenngleich geringe Leistung abgeben.

In der Sauna-Betriebsart im Temperaturbereich zwischen 60 und 110°C wird durch Erzeugen geeigneter Steuersignale die Tempera­ tur auf einen gewünschten Wert eingeregelt. Die Regelung ist in üblicher Art und Weise aufgebaut, d. h. wenigstens ein Tempera­ turmeßsensor erfaßt die Ist-Temperatur und das Steuergerät steuert in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Ist- und Soll-Wert das Schaltverhalten der Triacs. Vorteilhaf­ terweise ist die Regelung so ausgeführt, daß sie beim Unter­ schreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für die Temperatur­ differenz zwischen Soll- und Ist-Wert das Schaltverhalten der Triacs so eingestellt, daß die Leistung der Heizwiderstände be­ reits reduziert ist. Dadurch wird ein Überschwingen der Tempe­ ratur über einen gewünschten Soll-Wert vermieden.

Das Hauptrelais 3, welches die Verbindung zwischen den Heizwi­ derständen und den Anschlußleitern unterbricht, wird beispiels­ weise dann ausgelöst, wenn ein Fehlersignal in der Steuerschal­ tung auftritt, oder wenn der Temperaturfühler ein Signal abgibt, welches über einem zulässigen Grenzwert liegt. Vorzugsweise ist die Ansteuerung des Relais so ausgebildet, daß im spannungslosen Zustand des Relais die Schaltkontakte 4 geöffnet sind.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung mit mehreren, am dreiphasigen Drehstrom­ netz angeschlossenen Heizkörpern (2a, 2b, 2c), die in Stern­ schaltung angeordnet sind, insbesondere für einen Saunaofen, wobei die erste Phase (u) ohne Zwischenschaltung eines steuer­ baren Elements direkt mit einem, in dieser Phase liegenden Heizkörper (2a) verbindbar ist, und die Leistung eines in der zweiten Phase (v) liegenden Heizkörpers (2b) über ein steuerba­ res Halbleiterbauelement (5) regelbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß in der dritten Phase (w) ein zweites steuerbares Halblei­ terbauelement (5) angeordnet ist, mit dem die Leistung eines, in dieser Phase liegenden Heizkörpers (5) regelbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterbauelemente (5) Triacs (Zweirichtungs-Thyristortrioden) sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwei Halbleiterbauelemente (5) unabhängig voneinander steuerbar sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steueranschlüsse der zwei Halbleiterbauele­ mente (5) miteinander verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Steuer­ schaltung umfaßt, welche die Halbleiterbauelemente (5) in Ab­ hängigkeit von der Differenz zwischen einer Soll-Temperatur und einer Ist-Temperatur der Heizkörper (2) steuert.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung ein Hauptre­ lais (3) umfaßt, das in einer Weise steuerbar ist, daß es die Verbindung der Heizkörper (2) mit dem Drehstromnetz unter­ bricht, wenn ein elektrisches Fehlersignal oder ein Übertempe­ ratursignal erzeugt wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt (S) der in Sternschal­ tung angeordnete Heizkörper (2) mit dem Nulleiter (N) des Dreh­ stromnetzes verbunden ist.