AT394910B

AT394910B - Verfahren zur steuerung der auslauftemperatur bei einem elektrisch beheizten durchlauferhitzer

Info

Publication number: AT394910B
Application number: AT84290A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1992-07-27
Also published as: ATA84290A

Description

AT 394 910 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistungszufuhr bei einem elektrischen Durchlauferhitzer. Ein solches System entspricht abstrahiert in etwa einer Regelstrecke mit Ausgleich, die näherungsweise von erster Ordnung ist und die dynamisch im wesentlichen durch eine Zeitkonstante T charakterisiert ist, an die eine zeitlich konstante Eingangsgröße K y angelegt wird und bei der zwischen der Ausgangsgröße x(t), der Eingangsgröße K y, der Zeitkonstante T und der ersten Ableitung der Ausgangsgröße nach der Zeit x(t) der Zusammenhang

Ky-x(t) x(t) =-

T besteht

Der Anfahrvorgang eines Regel- oder Steuerprozesses ist häufig mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da entweder ein sehr vorsichtiges und langsames Annähem der Regelgröße an den Soll-Wert oder aber ein starkes Überschwingen in Kauf genommen werden muß. Derartige Probleme treten beispielsweise bei der Steuerung beziehungsweise Regelung elektrisch beheizter Durchlauferhitzer sowie auch bei Raumtemperaturreglem auf.

Elektrisch beheizte Durchlauferhitzer sind im allgemeinen mit mindestens einer Heizwendel fester und bekannter Leistung ausgestattet. Die Schaltintervalle der Heizwendel, das heißt, die Zeiträume der Leistungsabgaben sind dabei sowohl von der zu erreichenden Aufheiztemperatur als auch von der pro Zeiteinheit durchfließenden Wasseimenge abhängig. Es gilt: m

Dm = - c(Rd-Re) wobei Dm die Durchflußmenge, Pm die Leistung, Rd die Temperatur nach einem Teil der Heizstrecke, Re die Temperatur vor der ersten Heizwendel und c die spezifische Wärme bedeuten. Die dem Wasser bis zum Erreichen der Soll-Temperatur R§0]j zuzuführende Leistung ergibt sich demnach zu P = c. Dm (Rg0n - Re).

Folglich ist

Pm · ^Soll ’ Re> P =-

Unmittelbar nach dem Einschalten ist die Meßgröße Rd jedoch noch viel kleiner als der Beharrungswert so daß eine viel zu große Leistung P errechnet wird. Bei Zufuhr dieser Leistung kann es leicht zu einem Überschwingen der Temperatur kommen. Bekannt ist, daß die Änderungsgeschwindigkeit x des Meßwertes, bezogen auf die Zeitkonstante T der Meßwerterfassung unter Einbeziehung einer Konstanten K nach folgender Beziehung ermittelbar ist:

Ky-x(t) x =-

T wobei y die Stellgröße ist.

Diese Gleichung, die auch in der Form x = f (x, y) geschrieben werden kann, ist für y = const. geometrisch 1 als eine Gerade mit der Steigung — darstellbar. Da Endpunkt dieser fallenden Geraden ist der Wert im Be-

T harrungszustand, das heißt x = 0.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extrapolation des Temperaturverlaufes bei einem elektrischen Durchlauferhitzer anzugeben. Dadurch sollen frühzeitig und unabhängig von der Zeitkonstanten T des Temperaturfühlers verwertbare Aussagen über den Beharrungszustand R^g und damit letztlich über die Schaltintervalle der Leistungsabgabe möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von der Einlauftemperatur Re, dem -2-

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Soll-Wert der Auslauftemperatur und der Temperatur Rd, die von einem Temperaturfühler nach einer ersten Teilstrecke des Heizkanals geliefert wird, der Beharrungswert durch Bildung der ersten Ableitung der Temperatur und des Differentialquotienten der ersten Ableitung der Temperatur Rd und der gemessenen Temperatur Rd gemäß der Gleichung dRd

RdE = Rdl'Rdl W-) dRd ermittelt wird.

Wesentlich ist, daß aus der Steigung dR^/dR^ der Wert im Beharrungszustand für R mit t -> °° und Rd = 0 unabhängig von der Zeitkonstanten T zu einem sehr frühen Zeitpunkt errechnet werden kann.

Dazu ist insbesondere ein Temperaturfühler innerhalb des Heizkanals nach etwa 1/4 bis 1/3 der Heizkanallänge vorgesehen. Die an dieser Stelle erreichte Wassertemperatur Rd ist von der pro Zeiteinheit durchfließenden Wassermenge, das heißt vom Durchfluß Dm abhängig und somit auch ein Maß für den Durchfluß Dm. Die einzustellende Auslauftemperatur Rg0jj ist bei konstanter an der Heizwendel anliegender Spannung U über die Veränderung der Leistung der nachfolgenden Heizwendeln einstellbar. Zur Erhöhung der Auslauftemperatur ist die Leistung entsprechend zu erhöhen, das heißt, es ist an nachfolgenden Heizwendeln Spannung anzulegen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet beziehungsweise werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Figur 1 ein Funktionsschema eines elektrischen Durchlauferhitzers, Figur 2 den zeitlichen Verlauf der Temperatur, der elektrischen Spannung und des Durchflusses bei einem elektrischen Durchlauferhitzer, Figur 3 die Parameterabhängigkeit der zeitlichen Entwicklung einer Meßgröße, Figur 4 die Abhängigkeit der Änderungsgeschwindigkeit einer Meßgröße von dieser Meßgröße, Figur 5 wie Figur 4 für die Meßgröße Temperatur bei einem elektrischen Durchlauferhitzer und Figur 6 eine weitere Veranschaulichung des funktionalen Zusammenhanges zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur und dieser Temperatur.

Das Kernstück eines in Figur 1 stark schematisiert dargestellten elektrischen Durchlauferhitzers ist eine Vielzahl von Heizwendeln (1,2) und (3) welche in einem Wasserströmungsbereich (4) eingesetzt ist. Das in Pfeilrichtung fließende Wasser hat zunächst die Einlauftemperatur Re. Bei an den Heizwendeln (1,2) und (3) angelegter konstanter Spannung Uj, U2 und U3 wird das Wasser während des Pässierens der Heizwendeln (1,2) und (3) allmählich aufgeheizt Nach einem Teil der Heizstrecke ist ein Temperaturfühler (6) zur Ermittlung einer Zwischentemperatur Rd angeordnet. Ein weiterer Temperaturfühler (5) vor der Heizwendel (1) dient der

Ermittlung der Einlauftemperatur Re. Zum Beispiel wird an die erste Heizwendel (1) eine konstante Spannung U j angelegt. Von dieser Heizwendel (1) wird dann die Leistung Pn abgegeben. Die Leistung der übrigen Heizwendeln wird durch eine hier nicht dargestellte elektrische Leistungssteuerung, zum Beispiel eine Schwingungspaketsteuerung bei der pro Zeiteinheit eine variable Anzahl Stromimpulse auf die Heizwendel gegeben werden, so eingestellt, daß die gewünschte Soll-Auslauftemperatur R<j0jj erreicht wird. Diese Leistung RSoll * Re wird bestimmt aus P = P m-. Wegen der großen Totzeiten innerhalb des Heizsystems wird die

Rd * Re

Auslauftemperatur nicht geregelt, sondern über eine Steuerung, bei der alle Störgrößen (Durchfluß, Einlauftemperatur, Netzspannung) erfaßt werden, bestimmt.

Figur 2 zeigt in einem ersten Diagramm zwei mögliche Kurvenverläufe für die gemessene Temperatur Rd in Abhängigkeit von der Zeit. Um eine bestimmte Auslauftemperatur Rg0]) zu erreichen, muß die erforderliche

Leistung nach oben genannter Gleichung ermittelt und den Heizwendeln zugeführt werden. Im Beharrungszustand gehört hierzu am Meßort des Temperaturfühlers (3) der Zwischentemperatur ein Wert RdE‘ Ziel ist, diesen Regelprozeß mit möglichst geringem Zeitaufwand und ohne starkes Überschwingen der einzustellenden Temperatur zu realisieren. Nach einer System- und trägheitsbedingten Totzeit tj steigt die gemessene Temperatur Rd exponential an. Bis zum Erreichen des Beharrungswertes Rdg wird dafür die Zeit (4 benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nun aber darauf ab, den Beharrungswert R^g bereits vor Ablauf des Zeitraumes -3-

Claims

AT 394 910 B zu ermitteln, so daß bereits vor dem Erreichen dies»* Temperatur und damit der Auslauftemperatur R g0j| die Energiezufuhr nach einem hier nicht beschriebenen Algorithmus so angepaßt werden, daß ein Überschwingen der Auslauftemperatur über den gewünschten Wert R§0jj hinaus vermieden wird. Wie das R^/t-Diagramm zeigt, läßt sich durch Anlegen ein» Tangente an die meßbare Temperaturverlaufskurve bereits nach einem bestimmten Zeitraum T eine Aussage über den Beharrungswert extrapolieren. Der Zeitraum T ist wesentlich kleiner als t^. Während des Anlaufprozesses liegt an der Heizwendel (1) eine konstante Spannung Uj an. Die Spannung Uj kann nur den Wert Uj oder durch Abschaltung den Wert Null annehmen. Aus den Meßwerten und Re des Temperaturfühlers »gibt sich ein Durchfluß Dm entsprechend dem dritten Diagramm. Das heißt, daß beim Anlaufen zunächst ein viel zu hoher Durchfluß ermittelt und für die Leistungsberechnung zugrunde gelegt wird. Damit wird dem Heizsystem eine zu hohe Leistung zugeführt, so daß mit einem erheblichen Uberschwingen gerechnet werden muß. Weitere in der Figur 3 dargestellte Diagramme zeigen den zeitlichen Verlauf der Regelgröße x bei unterschiedlichen, ab» konstanten Stellgrößen Y j und Y2. D» Beharrungswert XE1 hängt dabei von dem Y y Level und d» Beharrungswert Xjg von dem Y2*Level ab. V»schiedene Zeitkonstanten Tj und T2 beeinflussen nicht die Höhe des Beharrungswertes XE1 beziehungsweise Xg2> wohl aber die bis zur Einstellung des Beharrungswertes Xgj beziehungsweise erforderliche Zeit Um völlige Unabhängigkeit der Beharrungswertermittlung von der Zeitkonstanten zu erreichen, wird die Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße, das heißt des Meßwertes, in Abhängigkeit von diesem Meßwert dargestellt Eine solche Kurvenschar für verschiedene Stellgrößen Y j und Y2 sowie verschiedene Zeitkonstanten Tj und T2 ist in Figur 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die zu Yj gehörenden Kurven sowohl für Tj als auch für T2 auf dem Beharrungswert Xg j gerichtet sind und die zu Y2 gehörenden Kurven sowohl für Tj als auch für T2 den Beharrungswert Xg2 ansteuem. Die Anwendung dies» Darstellungsweise auf die Meßgröße bei ein»n elektrischen Durchlauferhitz» zeigt Figur 5. Die Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen T»nperatur R^ in Abhängigkeit von dies» Temperatur Rjj nimmt, ausgehend von einem Maximum, linear ab. Bei R^ = 0, das heißt am Kreuzungspunkt mit der Abszisse ist der Beharrungswert Rjjgj für eine Heizwendelleistung Pj beziehungsweise R^p·? für eine Heiz wendelleistung P2 erreicht Wie aus Figur 6 hervorgeht, genügen zwei Meßw»te R^ und R^, um aus der Steigung d» R^/R^-Geraden den Beharrungswert zu ermitteln. Entscheidend ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Beharrungswertes keine systemintemen und zeidich in undefini»ter Weise veränd»liche Parameter, wie zum Beispiel Zeitkonstanten, zu berücksichtigen sind. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders geartet»! Ausführungen Gebrauch machen. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Steuerung der Auslauftemperatur bei einem elektrisch beheizten Durchlauferhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Einlauftemperatur Re, dem Soll-Wert der Auslauftemperatur und der Temperatur R^, die von einem Temperaturfühl» nach ein» ersten Teilstrecke des Heizkanals geliefert wird, der Beharrungswert R^g durch Bildung der ersten Ableitung der Temperatur Rj und des Differentialquotienten der »sten Ableitung der Temp»atur R^ und der gemess»i»i Temperatur R^ gemäß d» Gleichung dRd RdE=Rdl'Rdl W-) dRd ermittelt wird. -4- 5 AT 394 910 B
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassertemperatur nach einer Teilstrecke ermittelt wird, die etwa 1/4 bis 1/3 der Heizkanallänge beträgt. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen -5-