DE3511434A1 - Regelsystem fuer eine elektrische saunaheizung - Google Patents

Description

351Η34

WELLA Aktiengesellschaft, 6100 Darmstadt Regelsysten für eine elektrische Saunaheizung

Die Erfindung geht aus von einem Regelsystem nach „„ der Gattung des Hauptanspruchs. Zur Konstanthaltung der Temperatur in einer Sauna ist es bekannt, die Stromzufuhr eines Saunaofens mit Hilfe eines Zweipunktreglers zu regeln. Wegen der großen Heizleistung von 3 kW bis 12 kW werden Saunaofen üblicher-„p. weise an das Drehstromnetz angeschlossen. Um bei diesen hohen Scha 11 Ieistungen die im Steuergerät auftretende Verlustleistung gering zu halten, werden ausschließlich elektromagnetische Schalter eingesetzt. Aus Sicherheitsgründen werden zwei unabhänon gig^er "in Reihe liegende Schütze mit mindestens 3 mm Kontaktabstand vorgeschrieben. Bei bekannten Steuerungen (beispielsweise DE-A1-2529 184) wird eines davon als Sicherheitsschütz und das andere als Regelschütz verwendet.

-χι

Sollte einmal durch irgendeinen Fehler im Regelsystem cjer euren verschwel ί3te Kontakte des Regelschützes ke⁴ne Aöse haltung des Stroms bei der oberen Temperaturcjrenze des Regelsystems erfolgen, so wird - ausgelöst von einer in der Saunakabine befindlichen Temperatur-Schmelzsicherung mit einer Auslösetemperat-jr von nax. 140 C - das Sicherheitsschütz abfallen und d i 5 Stromzuführung unterbrechen. Bei ]_Q den bekannten Regelsystemen führt eine kleine Schalthysterese (der Unterschied zwischen der oberen und der unteren Temperaturgrenze) zu einem häufigen Schalten des Schützes, was sich auf die Lebensdauer des Schützes und des Saunaofens negativ auswirkt.

Wird jedoch eine große Hysterese gewählt, um eine

geringe Schaltzahl des Rege I schützes pro Zeitintervall zu erreichen, so werden die Regelschwankungen um so größer und können sich nachteilig auf das Wohl-2Q befinden der Benutzer der Sauna auswirken.

Weitere Versuche, die Temperaturregelung einer Sauna zu verbessern, sind durch US-C1-3,892,946 bekannt geworden. Dabei wird nach Erreichen einer ersten T e m peraturgrenze die Heizleistung verringert. Dazu ist entweder der Ofen mit zwei Heizwicklungen pro Phase versehen oder die drei Phasen können nacheinander temperaturabhängig zu- bzw. abgeschaltet werden. Bei der erstgenannten Möglichkeit ist der Ofen relativ

„Q aufwendig. Bei der zweitgenannten Möglichkeit sind besondere Temperatur-Regler vorgesehen, bei denen ein Temperaturfühler über eine Kapillarleitung mit einem Mehrfachschalter verbunden ist, dessen Kontakte bei verschiedenen Temperaturen betätigt werden.

Dieses erfordert eine aufwendige und auch störanfällige spezielle Konstruktion des Temperatur-Reglers.

.. . . 351H3A - ⁵

Au* g 3 be de" vorliegenden Erfindung ist es daher ein Regelsystem f j r einen Saunaofen anzugeben, bei w e L c η e ¹I eine ή ö g Liehst genaue Regelung der Temperatur -ijj L ich "'st, welches zuverlässig über eine Längere L 3 ο e π s α a j e f* arbeitet und π i t möglichst geringem technischen Aufwand und geringen Kosten zu verwirklichen i st.

Das e i* f i .->. eungsgemäße Regelsystem mit den kennzeichne η aen Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei sehr genauer Regelung der Saunate-nperatur die Zahl der Schaltungen pro Zeiteinheit ^- sehr gering ist.

Als weiterer VorteiL ist anzusehen, daß die Schaltgeräusche nicht so häufig wie bei den bekannten RegeLsystemen auftreten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Regelsystems möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die drei Regelrelais, von denen jeweils eins einer Phase des Drehstrotnnetzes zugeordnet ist, zyklisch vertauscht anzusteuern. Dadurch ergibt sich eine weitere Verkleinerung der Regelschwankungen bei einer weiteren Verringerung der SchaLtzahLen der _n Relais sowie durch gleichmäßige ReLaiskontaktbelastung eine höhere Re LaiskontaktLebensdauer . Anstatt der drei Relais könnten auch elektronische Schaltelemente eingesetzt werden, es entfiele jedoch der Vorteil des geringeren Re LaiskontaktverschLeis-^SeS·

Ein Ajsfjhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in α er- na:hfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Regelsystem, Fig. 2 D i a g ^r a m ·η e zur Erläuterung des bekannten Re-

gelsystems,

Fig. 3 schematised) ein erfindungsgemäßes Regelsystem,

Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung des erfindungsge-

mä3en Rege I sy st ems,
Fig. 5 weitere Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemä'3en Regelsystems, Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung einer Weiterbildung

der Erfindung und
Fig. 7 Diagramme zur Erläuterung einer Weiterbildung

der Erfindung mit PI-RegelverhaIten. Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem bekannten Regelsystem nach Fig. 1 wird der Ofen 1 über die Schütze 2 und 3 an das Drehstromnetz angeschlossen. Dazu sind die Anschlüsse U, V, W, der in Sternschaltung oder eine nicht dargestellte Dreieckschaltung geschalteten Heizwiderstände 4, 5, 6 über je einen Schaltkontakt des Schützes 3 und je einen Scha It kontakt des Schützes 2 mit den Phasen R, S, T des Drehstromnetzes verbunden, während der ge-

OQ meinsame Anschluß der Heizwiderstände 4, 5, 6 an den Nulleiter N des Drehstromnetzes angeschlossen ist. Außerdem ist der Ofen 1 mit dem Schutzleiter PE verbunden.

Eine Steuerschaltung 7 wird i/on der Phase R über den Schalter S π i t Spannung versorgt. Das Sicherheitsschütz 2 wird von einer Temperatursicherung gesteu-9 r t/ deren Aisprechtemperatur oberhalb der oberen Temperatur grenze des Regelsystems/ jedoch unterhalb einer hochstzulässigen Temperatjr liegt.

Das Schütz 3 bildet zusammen mit dem Temperatursensor 10 einen Zweipunktregler, durch den der Ofen mit dem Drehstromnetz solange verbunden bleibt, bis eine obere Temperaturgrenze erreicht ist. Das Schütz 3 schaltet den Ofen 1 dann ab/ worauf sich die Temperatur der Sauna absenkt. Bei einer unteren Temperaturgrenze schaltet das Schütz 3 den Ofen 1 wieder ein, worauf die Temperatur innerhalb der Sauna wieder bis zur oberen Temperaturgrenze ansteigt. Diese Vorgänge sind in Fig. 2 als Diagramm dargestellt. Zeile a) der Fig. 2 zeigt die Temperatur in Abhängigkeit der 2Q Zeit, während in Zeile b) die normierte Heizleistung P/P ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Die obere Temperaturgrenze liegt bei dem dargestellten Beispiel etwa 4K über der unteren. Während des Zeitabschnitts t_n bis t. ist der Ofen eingeschaltet und die Temperatur ändert sich nach einer Exponentialfunktion von der unteren Temperaturgrenze bis zur oberen. Bei der Darstellung in Fig. 2 ist der Anlauf vom Beginn des Einstellens an nicht dargestellt, sondern lediglich der statio-QO näre Zustand. Nach dem Erreichen der oberen Temperaturgrenze zum Zeitpunkt t₁ wird der Ofen abgeschaltet und die Temperatur beginnt zu sinken. Dieses geschieht mit einer größeren Zeitkonstante/ da der Wärmeverlust durch die Wände der Sauna wesentlieh geringer ist als die Wärmezufuhr durch den Ofen bei voller Heizleistung.

BAD ORIGINAL

Z j n Zeitpunkt t -, ist dann wiederum die untere Tenperatjrgrenze erreicht und der Ofen wird wieder ^ eingeschaltet. In der Praxis haben sich etwa folgende Werte ergeben: für die Hysterese etwa 4K, ferner 10 Schaltspiele pro Stunde oei einer Einschaltdauer von e t«/a 20 %.

IQ Bei dei in Fig. 3 gezeigten Ausfjhrungsbeispiel entspricht der Ofen, das Sicherheitsschütz 2 und dessen Temperatursicherung 9 im wesentlichen den in Fig. 1 dargestellten Teilen. Anstelle eines Regelschützes bei dem bekannten Regelsystem sind jedoch drei von-

,p- einander unabhängig ansteuerbare Relais 11/ 12 und 13 vorgesehen. Ein Temperatursensor 14 gibt die Temperaturwerte an einen Mikroprozessor 15, welcher über einen Treiber 16 mit den Spulen der Relais 11/ 12/ 13 in Verbindung steht. Die Wirkungsweise der

₉₍-, Anordnung nach Fig. 3 wird nun mit Hilfe von Fig. 4 erläutert. Während beim Anheizen der Sauna alle Relais 11/ 12/ 13 angezogen sind/ der Ofen also dreiphasig mit dem Netz in Verbindung steht/ wird zur Erhaltung der gewünschten Temperatur nur jeweils

_oc eines der Relais 11/ 12 oder 13 eingeschaltet. Dieses bewirkt/ daß der Ofen 1 mit einem Drittel der maximal möglichen Leistung P betrieben wird/ was

m 3 x

wiederum zur Folge hat/ daß der Temperaturanstieg wesentlich langsamer erfolgt. Dieses ist aus Zeile _ a) der Fig. 4 ersichtlich. Die Zeitspanne zwischen t „ und t,. ist wesentlich größer als bei dem bekannten Regelsystem und die während dieser Zeit aufgenommene Leistung beträgt 1/3 der maximalen Leistung P . Bei den in den Zeilen a) und b) der

Ϊ713 K

_orr Fig. 4 dargestellten Vorgängen wird eine Hysterese

vorausgesetzt/ welche der im Zusammenhang mit dem

BAD ORIGINAl

bekannten Rege I system genannten Hysterese von 4 K entspricht. Die Tsmperaturschwankungen entsprechen d 3 η β f denjenigen beirr, bekannten Regelsystem/ es e r geben sich jedoch weniger als die Hälfte der Schaltspiele pro Stunde als bei de-n bekannten Regelsystem.

Den durch die Verringerung der Leistung erzielten Vorteil kann man jedoch auch zur genaueren Tempera-

^q tu rein haltung nutzen. 3ei der Darstellung in den Zeilen c) und d) der Fig. 4 wird von einer Hysterese von 1,8K ausgegangen. Diese Temperaturspanne wird natjrge-T)ä'3 in einer kürzeren Zeit durchfahren, so da.3 die Zahl der Schaltspiele pro Stunde größer

j= wird. Ein Vergleich mit der Darstellung zum Stand der Technik (Fig. 2) zeigt jedoch, daß in diesem Fall die Zahl der Schaltspiele nicht größer ist als bei dem bekannten Regelsystem.

2P Bei einer Zweipunktregelung werden die Ein- und Ausschaltzeitpunkte dadurch bestimmt, wann die Ist-Temperatur die Temperaturgrenzen erreicht. Ein weiteres Regelverfahren, bei welchem man mit Schaltern regelt, die lediglich zwei Zustände - nämlich "ein"

2g und "aus" kennen, ist die zeitproportionale Regelung. Hierbei wird die Ist-Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs, welcher mit der Hysterese des Zweipunktreglers vergleichbar ist, in eine Einschaltdauer umgewandelt. Dieses geschieht im allge-

_on meinen dadurch, daß eine der Temperatur proportio-

nale Spannung mit einer dreieckförmig verlaufenden Spannung verglichen wird.

u».„ ^

351H34

Zur ErLäuterung dieser Vorgänge ist in Fig. 5 , Z e i Le a) der Verlauf der Ist-Temperatur sowie die Grenzen des sogenannten ProportionaLbandes dargestellt. Zeile b) zeigt den dreieckförmigen Vergleichswert f (t) . Die Heizung wird nun eingeschaltet, wenn die Differenz zwischen der Ist-Temperatjr und der unteren Grenze des Proportionalbandes kleiner als der Vergleichswert f(t) ist. Dieses geschieht beispiels-

]_Q weise in den in Fig. 5 gestrichelt dargestellten Zeitpunkten, so daß der in Zeile c) gezeigte Verlauf der Leistungsaufnahme P entsteht. Je höher die Ist-Temperatur innerhalb des Proportionalbandes ist, je kurzer sind die Einscha 11zeiten, während bei

l§ niedrigeren Temperaturen die Einschaltzeiten langer sind.

Oberhalb des Proportionalbandes wird die Heizung solange nicht eingeschaltet bis die Ist-Temperatur wieder in das Proportionalband gerät. Sinngemäß ist die Heizung dauernd eingeschaltet, wenn die Ist-Temperatur unterhalb des Proportinalbandes liegt.

Bei analog arbeitenden Regelsystemen liegt der Vergleichswert f(t) üblicherweise als dreieck- oder sägezahnf Örrni ge Spannung vor, während der Ist-Wert der Temperatur in eine ihm proportionale Spannung umgewandelt wird. Beide Spannungen werden dann in einem Komparator verglichen.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung hat

sich der Einsatz eines Mikroprozessors gut bewährt. Hierbei wird der Ist-Wert der Temperatur in numerische Werte umgewandelt, während der Vergleichswert „c als numerischer Wert vorgegeben wird; beide werden dann mit Hilfe von Rechenoperationen verglichen.

351U34 - 44

3 e i der zeitproportionalen Regelung ist zwar die Zahl der SchaltspieLe pro Zeiteinheit nicht unmittelbar von der Anderjngsgeschwindigkeit der Ist-Temperatjr abhängig, sondern hängt mit der Frequenz der Ver· gLeichsspannung zusammen. Bei der Festlegung dieser Frequenz ist jedoch zu berücksichtigen/ daß die sogenannte Totzeit des Rege L systems nicht größer ist, jQ a Ls ein durch die 'Änderungsgeschwindigkeit der Ist-Te^nperatur jnd die Hysterese gegebener Wert» Dadurch gelten f j r die Verhältnisse zwischen der ZahL der Schaltspiele pro Zeiteinheit, der Hysterese und der Änderungsgeschwindigkeit der Ist-Temperätur ähnliche -, j- Zusammenhänge wie bei der Zwei punkt rege Lung . Somit wird auch bei der zeitproportionalen RegeLung durch eine Verminderung der Heizleistung des Ofens 1 eine Verringerung der ZahL der SchaLtspieLe pro Zeiteinheit erzielt.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Relais 11, 12, 13 zyklisch vertauscht angesteuert werden. Hierdurch wird außer der eingangs erwähnten Verbesserung der Temperaturregelung gegenüber einfacheren Ausführungsformen der Erfindung eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens erreicht, sowie ein gleichmäßiger Relaiskontaktverschleiß, wodurch die Gesamt lebensdauer der Relaiskontakte erheblich verlängert wird.

Durch eine entsprechende Ausbildung- der Steuerschaltung wird-bei dieser Weiterbildung die Ist-Temperatur zur Steuerung der drei Relais-11, 12, 13 mit je einem jeweils um 120° phasenverschobenen dreieck-

„,- formig verlaufenden VergLeichswert verglichen. Anstelle des dreieckförmigen kann auch ein sägezahn-

ORIGINAL

351143A

formiger Verlauf des Vergleichswertes vorgesehen wurden. Diese VergLeic h s werte sind in den Zeilen b) , c) und d) der Fig. 6 dargestellt. Zeile a) der Fig. c 6 zeigt einen angenommenen Verlauf der Ist-Temperatur.

In den Zeilen e), f) und g) sind die Einschaltzeiten der Relais 11, 12, 13 dargestellt. Jedes der Relais

iQ ist dann eingeschaltet, wenn die Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der unteren Grenze des Proportional bandes kleiner als der entsprechende Vergleichswert f(t) ist. Entsprechend den in den Zeilen e), f) und g) dargestellten Zeitverlauf en

j- wird den einzelnen Heiz widerständen 4, 5, 6 (Fig. 3) elektrische Leistung zugeführt. Die gesamte Leistungsaufnahme ist in Zeile h) der Fig. 6 dargestellt. Aus der Darstellung geht hervor, daß je nach Ablage der Ist-Temperatur vom Sollwert zeitweise dia

„„ drei Heizwiderstände 4 , 5, 6 gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet sind oder einzelne Heizwiderstände kurzzeitig eingeschaltet sind. So sind beispielsweise innerhalb des Zeitraumes, während dessen die Ist-Temperatur unterhalb des Proportionalbandes

2j- liegt die Heizwiderstände über längere Zeit gleichzeitig eingeschaltet.

Auf diese Weise ergibt sich eine sehr genaue Regelung der Temperatur, ohne daß allzu viele Schalt_on spiele pro Zeiteinheit erforderlich sind. Außerdem werden die drei Heizwiderstände 4, 5, 6 gleichmäßig

=4.

belastet.

BAD GRlGIlOT

Das bisher im Zusammenhang mit den Figuren 5 und beschriebene Regelsystem weist ein P-(-Proportional-) Verhalten auf, das bekanntlich ständig eine

Regelabweichung zur Folge hat. ο

Das e r f i ndung sge-Tiä'3e Regelsystem kann jedoch durch die Anwendung eines PI-Reglers weiter verbessert werden. Insbesondere kann sich ein dUr¹Ch einen Mikroprozessor kontrollierter PI-Regler über eine sehr 10

große Bandbreite selbst an den jeweiligen Betriebszustand adaptieren. Dadurch wird eine optimale Anpassung an verschiedene Saunatypen hinsichtlich Führungs- und Störgrößeηverhalt en erreicht.

Fig. 7 zeigt das Nachführen von f Ct) durch den I-Anteil innerhalb des Proportionalbandes für aI -/x/<t)>0. Die Umkehrung für J₅ -/$(t)<Q

W W

basiert auf dem gleichen Prinzip. Das Nachführen

über den I-Anteil erfolgt sinnvoll nur im Bereich 20

des Proportionalbandes.

Eine besonders günstige Regelung ergibt sich, wenn in der Sauna zwei Temperaturfühler vorgesehen sind,

von denen ein erster in der Nähe des Ofens und ein 25

zweiter im Bereich der Liegeflächen angeordnet ist. Vom ersten Fühler wird vorzugsweise der P-Antei I, vom zweiten Fühler der I-Anteil abgeleitet.

Die Erfindung wurde zwar am Beispiel einer Schaltung 30

mit Relais erläutert; es können jedoch auch Halbleiterschalter verwendet werden. Dabei bedeutet die geringe S cha Lt häufigkeit zwar keinen Vorteil bezüglich der Lebensdauer. Das erfindungsgemäße Regelsystem bietet jedoch auch bei der Verwendung von Halbleiterschalterη Vorteile, denn eine herkömmliche

Phasenanschnittsteuerung würde bei der beträchtlichen Leistungsaufnahme einer Sauna (12 KW) erhebliche Netzstörungen verursachen. Sei einer Vollwel-L ansteuerung jedoch sollte die Schalthäufigkeit ebenfalls aus Gründen eines ungestörten Netzbetriebes nicht allzu hoch sein.

BAD ORIGINAL

Claims (10)

351U34 WELLA Aktiengesellschaft^. 6100 Darmstadt Patentansprüche

1. Regelsystem für eine elektrische Saunaheizung, die mit Drehstrom versorgt wird, wobei mit Hilfe mindestens eines Temperatursensors die Stromzufuhr zur Saunaheizung steuerbar ist, dadurch ge-20

kennzeichnet/ daß drei jeweils eine Phase schaltende steuerbare Schalter vorgesehen sind, welche von einer Steuerschaltung einzeln ansteuerbar sind.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch ge-25

kennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter elektromagnetisch steuerbar sind.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter Halblei-

terschalter sind.

4. Regelsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der

Ist-Temperatur entsprechende elektrische Größe in 35

zyklischer Folge jeweils für die Ansteuerung eines

351U34

der drei Schalter mit einen Vergle ichswert i/erglichen wird.

5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch ge-

kennzeichnet, daß der Vergleichs wert nach einer periodischen Zeitfunktion Werte innerhalb eines Bereichs einni-nmt, der den d e :n Sollwert der Temperatur entsprechenden Wert einschließt.

6. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert dreieck- oder sägezahnfb'roiig verläuft, wobei die Vergleichs werte für die drei Schalter jeweils um 120° phasenverschoben sind.

7. Regelsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein P-Regler vorgesehen ist.

8. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein PI-Regler vorgesehen ist.

9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch ge-25

kennzeichnet, daß in der Sauna ein erster Temperatursensor in der Nähe des Ofens und ein zweiter Temperatursensor im Bereich der Liegeflächen angeordnet ist und daß der erste Temperatursensor zum P-AnteiI und

der zweite Temperatursensor zum I-Anteil des PI-Reg-30

lers beiträgt.

10. Regelsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines

Mikroprozessors.
35