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Elektrische Flammenwächteranlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Flammenwächteranlage zur Überwachung und Steuerung von Brennern zur Verfeuerung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, welche in einem Schaltkreis als Schaltelemente für die Durchführung das in die Stadien Anlaufzeit, Spülzeit, Vorventilation und Störzeit unterteilten Steuerprogrammes unter anderem ein lichtempfindliches Element zur Beobachtung der Flamme sowie eine Anzahl von elektromagnetischen Relais und Thermorelais aufweist.
Gemäss behördlichen Vorschriften ist für Überwachungsgeräte der gegenständlichen Art die exakte Einhaltung vorgeschriebener Zeiten, die zum Teil vom Öldurchsatz abhängig sind, zwingend notwendig.
Werden diese Zeiten nämlich nicht eingehalten, dann sind Betriebsstörungen, die sogar bis zur vollständigen Zerstörung der Anlage führen können, nicht absolut unterbunden. Wird z. B. die Spülzeit unterschritten, so kann es geschehen, dass die Zündung der Flamme in dem unter Druck stehenden Feuerraum erfolgt und der Kessel zerrissen wird. Dass solche Betriebsstörungen von erheblichen Sachschäden begleitet sind und selbst Menschenleben gefährden, liegt auf der Hand.
Wesentlich und wichtig ist dabei auch der Umstand, dass die Qualität der Heizöle überaus stark variiert, so dass bei der Verwendung solcher Heizöle in besonders gewissenhafter Weise die Einhaltung der vorgeschriebenen Zeiten zu beachten ist.
Die Hersteller der elektrischen Flammenwächteranlagen sind daher bemüht, die Relais so auszubilden, dass sie die Schalthandlungen in der vorgeschriebenen Zeit bzw. während der vorgeschriebenen Zeitspanne exakt durchführen. Es werden dazu mechanische, mittels Synchronmotoren über entsprechende Übersetzungen angetriebene Relais verwendet, und dieser mechanische Aufwand bringt es zwangsweise mit sich, dass die Preise für Einrichtungen dieser Art unwahrscheinlich hoch sind.
Bei bekannten Anlagen dieser Art wurde schon vorgeschlagen, Thermozeitrelais zu verwenden, doch hat sich in der Praxis vielfach der Mangel ergeben, dass die Schaltzeiten der Thermozeitrelais mitunter erheblichen Schwankungen unterworfen waren, so dass der Anlauf der Anlage und die Abschaltung beim Auftreten von allfälligen Betriebsstörungen nicht innerhalb einer den Vorschriften entsprechenden Sicherheitszeit erfolgte.
Gemäss der Erfindung wird dieser Mangel dadurch behoben, dass die Heizwicklung zumindest des als Anlaufzeitrelais dienenden Thermozeitrelais über mindestens zwei, verschiedene Spannungsabfäl- le aufweisende Strompfade an die Spannung squelle der Anlage, z. B. an die Netzspannung anschliessbar ist und die Umschaltung von einem Strompfad auf den andem mittels eines bei Ablauf der Spülzeit in Aktion tretenden Hilfsrelais erfolgt, so dass das Anlaufzeitrelais unabhängig vom jeweiligen Schaltzustand der Anlage bis zum Ablauf des Steuerprogrammes stromdurchflossen ist.
Durch die erfindungsgemässe Massnahme ist das Anlaufzeitrelais so einstellbar, dass trotz des Spannungsabfalles an dem Anlaufzeitrelais in Serie vorgeschalteten Steuer- bzw. Schaltglieder die Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais nach Ablauf einer bestimmten Zeit (der Anlaufzeit) die für den Ablauf des Programms erforderliche Umschaltung des dem Anlaufzeitrelais zugeordneten Umschaltkontaktes durchführen können. Während der Spülzeit, dem zweiten Stadium des Steuerprogramms, liegt die
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Wicklung des Anlaufzeitrelais in einem Stromkreis mit zusätzlichem Spannungsabfall, so dass der Stromdurchfluss durch die Heizwicklung reduziert wird, als dessen Folge eine Abkühlung des Bimetallstreifens stattfindet, wodurch zwar noch keine Rückschaltung des Anlaufzeitrelais erfolgt, jedoch das Relais näher an die Rückschaltlage heran gelangt.
Hat das Programm die Phase "Störzeit" erreicht, so liegt die Wicklung des Anlaufzeitrelais in einem Stromkreis, dessen Spannungsabfälle so bemessen sind, dass der durch die Wicklung des Anlaufzeitrelais fliessende Strom noch hinreicht, die Temperatur der Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais über der Rückschalttemperatur zu halten, damit nicht schon vor Ablauf der Störzeit Schalthandlungen ausgelöst werden, die den vorgesehenen Programmablauf stören.
Die dank des erfindungsgemässen Vorschlages mögliche stufenweise Änderung der am Anlaufrelais liegende Spannung nach Ablauf der Anlaufzeit hat den Zweck, die Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais nahe an den Rückschaltpunkt heranzuführen, damit im Augenblick der Entstehung einer ordnungsgemä- ssen Flamme die Abkühlung der Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais unter dem kritischen Rückschaltpunkt dieses Relais rasch vor sich geht.
Durch die erfindungsgemässe Massnahme ist es möglich, dass trotz der Verwendung relativ billiger Thermorelais in Sicherheitsgeräten der erwähnten Art die in der Regel behördlich vorgeschriebenen Zeiten bindend und zuverlässig eingehalten werden, so dass mit möglichst billigen und konstruktiv einfachen Mitteln die höchstmögliche Präzision erzielt wird.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein, wobei in besonderer Weise auf die durch den erfindungsgemässen Vorschlag erzielten Vorteile hingewiesen werden wird.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung eines Ölbrenners sowie ein Schaltbild der elektrischen Steuereinrichtung des Ölbrenners enthalten. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines der in der Schaltung verwendeten Thermozeitrelais.
Die wesentlichen Bestandteile des Ölbrenners sind gemäss Fig. 1 der Brennermotor 1, der die Brennerpumpe 2 antreibt, ferner die Brennstoffzuleitung 3, die Brennstoffdüse 4 mit der Primärluftzufuhr 5 und die Zündung 6 mit dem Zündtransformator 6'. Weiters ist eine Brennstoffumleitung 7 vorhanden, welche an der Brennerpumpe 3 saugseitig und druckseitig angeschlossen ist. Im Bereich der Brennstoffumleitung ist ein Vorwärmer 8 mit einer elektrischen Heizeinrich- tung 8'angeordnet. Schliesslich sind noch einige Ventile vorhanden, u. zw. ein elektromagnetisch zu betätigendes Ventil 9 im Bereich der Brennstoffzuleitung 3, ein ebenfalls elektromagnetisch betätigbares Ventil 10 in der Brennstoffumleitung 7 und ein Druckventil 11 im Bereich der druckseitigen Brennstoffleitung zur Brennstoffdüse 4.
Zur Betätigung des Ventils 9 dient der Elektromagnet 9'und zur Betätigung des Ventils 10 der Elektromagnet 10'.
Die Stromzufuhr zum Brennermotor 1, zu den Elektromagneten 9', 10', zum Zündtransformator 6'und zur Heizung 8', also zu den Antriebs- bzw. Betätigungselementen der Betriebseinrichtungen des Ölbrenners erfolgt über verschiedene Strompfade der Schaltung der Steuereinrichtung, u. zw. in bestimmter Programmfolge und in Abhängigkeit von diversen äusseren Betriebsbedingungen (z. B. der Zimmertemperatur, der Wassertemperatur im Kessel, der Helligkeit der Flamme u. dgl.).
Die Anlage ist über einen nicht dargestellten Netzschalter an ein Drehstromnetz angeschlossen, wobei mit u, v, w die Phasenklemmen und mit 0 die Nullklemme für den Anschluss der vom Netzschalter kommenden Leiter bezeichnet sind. Ein Spannungsstabilisator ST hält die Spannung einer der Phasen gegenüber dem Nulleiter konstant. Falls nötig, kann der Spannungsstabilisator ST auch mit einem Frequenzstabilisator kombiniert sein. Die Schaltung der Anlage weist eine Reihe von Kontakten auf, wobei der Steuerhauptschalter H eine Handbetätigung erfordert. Für die Betätigung der übrigen Kontakte sind folgende elektromagnetische bzw. elektrothermische Antriebsglieder vorgesehen : drei Thermozeitrelais A, B, C, wobei das Anlaufzeitrelais A mit dem Umschaltekontakt A,
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ment L und Thermostate T, T, T, T, T auf.
Das lichtempfindliche Element besteht aus einer Cadmiumdiode und wird so montiert, dass die von der Flamme ausgehende Strahlung die Cad-
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miumdiode treffen kann. Bei leuchtender Flamme übt die Cadmiumdiode eine Sperrwirkung aus. Von den Thermostaten ist T ein Zimmerthermostat, T ein Sperrthermostat am Vorwärmer 8 (der
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kannter Weise gemäss Fig. 2 mit Hilfe von zwei nebeneinanderliegenden, auf einem gemeinsamen schwenkbaren Träger 11 montierten Bimetallstreifen 12,13 ermöglicht wird, wobei einer der beiden Bimetallstreifen die Heizwicklung 14 trägt und sich mit seinem freien Ende gegen einen dem Schaltstück 15 des zu betätigenden Kontaktes gegenüberliegenden Anschlag 16 abstützt, während das freie Ende des andern Bimetallstreifens 12 das Schaltstück 15 berührt.
Die Temperaturkompensation der Thermozeitrelais A, B, C und die Stabilisierung der an den Wicklungen der Thermozeitrelais A, B, C liegenden Spannungen durch den Spannungsstabilisator ST garantieren exakt konstante Schaltzeiten, welche von Temperatur-und Spannungsschwan- kungen unabhängig sind.
Die an der Wicklung des Anlaufzeitrelais A anliegende Spannung wird jedoch während der verschiedenen Stadien des Steuerprogrammes bewusst verändert, u. zw. je nach der Stellung der Kontakte SI und V4'
Aus Sicherheitsgründen liegt das Anlaufzeitrelais A in den ersten beiden Stadien des Steuerprogrammes in Serie zum Störzeitrelais B, so dass bei schadhaftem Störzeitrelais B das Steuerprogramm, welches mit der Tätigkeit des Anlaufzeitrelais A beginnt, gar nicht erst in Gang gesetzt werden kann. Diese Serienschaltung bewirkt auch, dass das Störzeitrelais B während der ersten beiden Stadien des Steuerprogrammes vorgeheizt wird.
Zur Erläuterung der Funktion der in den Zeichnungen als Ausführungsbeispiel dargestellten Steuereinrichtung wird zunächst von dem Zustand ausgegangen, in dem sich die gesamte Anlage ausser Betrieb befindet. Die Phasenklemmen u, v, w und die Nullklemme 0 sind durch einen nicht dargestellten Schalter vom Drehstromnetz getrennt. Der Steuerhauptschalter H ist offen.
Werden nun die Phasenklemmen u, v, w und die Nullklemme 0 mit dem Drehstromnetz verbunden, dann wird zunächst nur die Heizeinrichtung 8'für die Ölvorwärmung über den Thermostat- kontakt T in Funktion gesetzt.
Mit dem Schliessen des Steuerhauptschalters H leuchtet die grüne Signallampe 4. auf und es beginnt die eigentliche Programmsteuerung, sofern die Thermostatkontakte T,T,T,T. geschlossen sind, was der Fall ist, wenn die Raumtemperatur, die Öltemperatur im Vorwärmer, die Wassertemperatur im Kessel solche Werte aufweisen, dass eine Inbetriebnahme des Brenners sinnvoll und ungefährlich ist. Mit dem Schliessen des Steuerhauptschalters H wird das Flammenüberwachungsrelais F über das lichtempfindliche Element L (dessen Widerstand bei abwesender Flamme verschwindend klein ist) unter Spannung gesetzt, wodurch die mit dem Flammenüberwachungsrelais F in Wirkverbindung stehenden Kontakte F, F, F geschlossen werden.
In einem ersten Stadium des Steuerprogrammes - während der Anlaufzeit - liegen die Wicklungen der beiden Thermozeitrelais A und B in Serie über die geschlossenen Kontakte F und S und über
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der beiden Thermozeitrelais A und B erwärmt und ändern ihre Lage.
Nach Ablauf einer bestimmten Zeit entsprechend der Zeitkonstante des Anlaufzeitrelais A wird von dessen Bimetallstreifen der Umschaltkontakt A umgelegt. Über den Kontakt F und den Umschaltkontakt A liegt nun das Motorschütz S einerseits an der Phase und anderseits über den Um- schaltekontakt V und den Widerstand R (etwa 150 Q) am Nulleiter. Das Motorschütz S zieht daher an, schliesst die Kontakte S, S, S4 und der Brennermotor 1 läuft. Gleichzeitig wird auch der Kontakt S geöffnet und der Kontakt S'geschlossen (Selbsthaltekontakt). Der Elektromagnet 9'des Ventils 9 wird über den geschlossenen Kontakt S'unter Spannung gesetzt und öff- net das Ventil 9. Das Ventil 10 bleibt vorerst auch noch offen.
In diesem Moment beginnt das zweite Stadium des Steuerprogrammes : die Spülzeit und Vorventilation. Die vom Brennermotor 1 angetriebene Brennerpumpe 2 bringt das im Bereich des Vorwärmers 8 vorhandene Öl in Umlauf, wobei jedoch kein Öl zur Brennstoffdüse 4 gelangt, weil das Öl über die Umleitung 7 zirkuliert und sich daher kein Staudruck bilden kann, der das Druckventil 11
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ausgeblasen werden.
Die Dauer der Spülzeit wird durch das Thermozeitrelais C kontrolliert, welches zu Beginn der Spülzeit über den Kontakt Si und den Umschaltekontakt V3 an die Phase gelegt wird und über den Umschaltekontakt Cl am Nulleiter liegt. Nach Ablauf der Zeitkonstante des Thermozeitrelais C erfolgt die Umschaltung des Umschaltekontaktes C, wodurch das Hilfsrelais V erregt wird
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tes V3 bewirkt ein Abschalten des Thermozeitrelais C. Durch das Schliessen des Kontaktes V wird der Elektromagnet 10'unter Spannung gesetzt und schliesst das Ventil 10, so dass nunmehr das aus der Brennstoffzuleitung 3 geförderte Öl am Druckventil 11 einen Staudruck bewirkt und das Druckventil 11 öffnet, wodurch das Öl in den Bereich der Brennstoffdüse 4 und der Zündung 6 gelangt.
In diesem Augenblick beginnt das dritte Stadium des Steuerprogrammes, u. zw. entweder der normale Betriebszustand oder die Anlage geht auf Störung.
Der normale Betriebszustand tritt dann ein, wenn die Zündung erfolgt, und sich eine den Vorschriften entsprechende Flamme bildet. In diesem Fall sperrt das lichtempfindliche Element den über das Flammenüberwachungsrelais F führenden Stromkreis und bewirkt ein Abfallen des Flammenüberwachungsrelais F, wodurch dieKontakte F.F und F geöffnet werden. Durch das Öffnen des Kontaktes F wird das Strözeitrelais B vor Ablauf der Zeitkonstante desselben stromlos und kühlt ab.
Das Anlaufzeitrelais A, welches nach Ablauf der Spülzeit über den Widerstand R, an der Phase und über den umgelegten Kontakt V4, den Widerstand Reden Kontakt F und den Widerstand R mit dem Nulleiter in Verbindung stand, wird nun wegen der Öffnung des Kontaktes F ebenfalls stromlos, wodurch der Umschaltekontakt A wieder in die Ausgangslage zurückkehrt, jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung, da die Abkühlung der Bimetallstreifen nicht plötzlich erfolgt.
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so Nachzündungen möglich, was sehr zweckmässig ist, damit gewisse unvermeidliche Unregelmässig - keiten bei der Entstehung der Flamme ausgeglichen werden, ohne dass die Anlage auf Störung gehen und das Anlaufprogramm wiederholt werden muss.
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Kontakt F, den umgelegten Umschaltekontakt V, und den geschlossenen Kontakt S'an volle Spannung gelegt. Bis dahin hat nur eine Vorwärmung der Bimetallstreifen des Störzeitrelais B
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einer Öffnung des Störkontaktes B führt. Die rote Signallampe L leuchtet auf und sämtliche Relais der Steuereinrichtung werden von der Phase getrennt. Auch das Motorschütz S fällt ab und der Brennermotor 1 wird abgeschaltet. In gleicher Weise setzt die Zündung 6 aus und die Elektroma-
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Hand aus betätigt werden, worauf das beschriebene Steuerprogramm erneut abläuft.
Die bisherige Funktionsbeschreibung der Steuereinrichtung bezog sich auf die Inbetriebnahme der Anlage. Es ist nun noch zu erläutern, welche Schalthandlungen bei Störungen während des Betriebes ausgelöst werden :
Während des funktionsgemässen Betriebszustandes sind die drei Thermozeitrelais A, B, C strom-
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Stellung verschieden. Die Ventile 9 und 11 sind offen. Das Ventil 10 ist geschlossen. DieZündung ist abgeschaltet.
Erlischt in diesem Zustand des normalen Betriebes die Flamme, dann fällt der Sperrwiderstand am lichtempfindlichen Element L ab, das Flammenüberwachungsrelais F zieht an und die Kontak- te F, F, P werden geschlossen.
Durch das Schliessen des Kontaktes F2 wird das Motorschütz S kurzgeschlossen und fällt ab.
Die Motorkontakte S, S, S4 werden geöffnet, den Motor steht still. Gleichzeitig wird auch der Kontakt S geschlossen und S'geöffnet, womit auch das Hilfsrelais V abfällt und die zugehörigen Kontakte V,V,V,V wieder in die dargestellte Ausgangslage zurückkehren. Das Ventil 9 wird geschlossen und das Ventil 10 geöffnet.
Durch das Schliessen des Kontaktes F2 wird aber die Zündung 6 wieder in Bereitschaft gesetzt und durch das Schliessen des Kontaktes F gelangt das Anlaufzeitrelais A in Serie mit dem Störzeitrelais B wieder unter Spannung und das bei der Inbetriebnahme der Anlage beschriebene Steuer-. programm (Anlaufzeit-Spülzeit-Betriebszustand bzw. Störzeit) wird repetiert. Für dieses Repetieren hat auch der Widerstand R eine besondere Bedeutung, indem er einen Kurzschluss durch den nunmehr geschlossenen Strompfad von der Phase über die Kontakte S',AundF zum Nulleiter verhindert.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass das Motorschütz S mit einer zusätzlichen auf Motorüberstrom ansprechenden Wicklung ausgestattet ist und bei Motorüberstrom ein Umlegen des Überstromkontaktes U bewirkt, wobei die rote Signallampe L3 aufleuchtet und die Anlage abgeschaltet wird. Von Hand aus kann über die Taste U'die Anlage erneut eingeschaltet werden, wobei das beschriebene Steuerprogramm von neuem beginnt.
Nachdem nunmehr sowohl der Aufbau als auch die Funktionsweise der Anlage beschrieben ist, wird noch auf die bereits erwähnten verschiedenen Zustände bzw. Spannungsstufen des Anlaufzeitrelais A und des Störzeitrelais B näher eingegangen. Das Anlaufzeitrelais A befindet sich während des ersten Stadiums des Steuerprogrammes, also während der Anlaufzeit, unter Spannung in Serie mit dem Störzeitrelais B. Das Anlaufzeitrelais A ist so eingestellt, dass trotz des Spannungsabfalles am Strözeitrelais B die Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais A nach Ablauf einer bestimmten Zeit (der Anlaufzeit) die gewünschte Umschaltung des Umschaltkontaktes A durchführen können.
Im zweiten Stadium des Steuerprogrammes, während der Spülzeit, liegt die Wicklung des Anlaufzeitre- lais A ausserdem noch in Serie zum Widerstand , wodurch ein Spannungsabfall eintritt und eine Abkühlung der Bimetallstreifen stattfindet. Dieser Spannungsabfall am Widerstand R2 wird jedoch so bemessen, dass noch keine Rückschaltung des Umschaltekontaktes A bewirkt wird. Die Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais A gelangen jedoch näher an die Rückschaltlage des Umschaltkontakt tes A heran. Eine weitere stufenweise Änderung der Spannung an der Wicklung des Anlaufzeitrelais A tritt nach Beendigung der Spülzeit bzw. nach dem Anziehen des Hilfsrelais V, also während der Störzeit, ein.
In diesem Stadium des Steuerprogrammes liegt die Wicklung des Anlaufzeitre- lais A nicht mehr in Serie zur Wicklung des Störzeitrelais B. Das Anlaufzeitrelais A liegt vielmehr über den umgelegten Kontakt V und den geschlossenen Kontakt S'direkt an der Phase und über den umgelegten Kontakt V, den WiderstandRR, den geschlossenen Kontakt F2 und den Widerstand R am Nulleiter.
Die Widerstände Rund R3 sind wieder so bemessen, dass der durch die Wicklung des Anlaufzeitrelais A fliessende Strom noch ausreicht, die Temperatur der Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais A über der Rückschalttemperatur zu halten. Dies ist notwendig, damit nicht schon vor Ablauf der Störzeit das Motorschütz S über den Kontakt A1 und F2 (der bei noch abwesender Flamme geschlossen ist) kurzgeschlossen wird, wodurch abgesehen von dem zu diesem Zeitpunkt nicht erwünschten Stillstand des Motors noch weitere Schalthandlungen (über das Hilfsrelais V) ausgelöst werden, die den ganzen vorgesehenen Programmablauf stören.
Die beschriebene Reduzierung der Spannung am Anlaufzeitrelais A nach Ablauf der Anlaufzeit hat den Zweck, die Bimetallstreifen des Anlaufzeit, relais A näher an den Rückschaltpunkt des Umschaltkontaktes A heranzuführen, damit im Augenblick der Entstehung einer ordnungsgemässen Flamme die Abkühlung der Bimetallstreifen des Anlaufzeitrelais A unter den kritischen Rückschaltpunkt des Umschaltkontaktes A rascher vor sich geht.
Die bereits erwähnte Parallelschaltung der Wicklungen des Anlaufzeitrelais A und des Störzeitrelais B erfolgt, wie ebenfalls bereits erwähnt, einmal aus Sicherheitsgründen und hat ausserdem für das Störzeitrelais B den Zweck, dieses vorzuwärmen, da sich herausgestellt hat, dass sich bei einem angewärmten Thermozeitrelais die gewünschte Abschaltzeit noch feinstufiger einstellen lässt, was ins-
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besondere beim Störzeitrelais B sehr wichtig ist.