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Stufenlos einstellbare thermische Rückführung für elektrische Regler
Es sind stufenlos einstellbare thermische Rückführungen für elektrische Regler bekannt,
bei denen für jede Laufrichtung des Stellgliedes ein Rückführorgan, z. B. ein Thermoelement,
ein Widerstandsthermometer oder ein Halbleiter, in der Meßschaltung des Reglers
vorgesehen ist. Die Rückführorgane werden mit den Stellimpulsen des Reglers über
zugehörige Heizkörper beheizt. Zur Verstellung des Einflusses der thermischen Rückführung
auf den Regler sind Anordnungen bekannt, mit denen mechanisch der Abstand der Heizkörper
gegeneinander verstellt werden kann.
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Die Steilheit der Abkühlkurve der Rückführung nach Abschalten der
Aufheizung entspricht der Nachstellzeit des Reglers, d. h., je steiler diese Kurve
abfällt, um so kleiner ist die Nachstellzeit und je flacher die Kurve verläuft,
um so länger wird die erreichbare Nachstellzeit. Soll nun die Nachstellzeit zwischen
extrem kurzen Werten von wenigen Minuten und extrem langen Werten bis zu einer Stunde
stufenlos eingestellt werden, so muß die Steilheit der Abkühlkurve des Rückführorgans
zwischen einem sehr steilen und einem sehr flachen Verlauf stufenlos veränderbar
sein.
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Für ein Zeitrelais ist eine thermische Rückführung bekannt, bei der
zwei mit den Stellimpulsen eingeschaltete Heizkörper auf das Rückführorgan wirken.
Der eine Heizkörper besitzt eine kleinere Wärmekapazität und steht in unmittelbarem
Wärmekontakt mit dem Rückführorgan, während der andere Heizkörper mit größerer Wärmekapazität
räumlich benachbart angeordnet ist. Die beiden Heizkörper sind als Heizwicklungen
ausgeführt und können mit unterschiedlicher Heizleistung dadurch betrieben werden,
daß sie von getrennten Spannungsquellen versorgt werden. Mit dieser bekannten Anordnung
ist es aber nicht möglich, die Nachstellzeit eines elektrischen Reglers zwischen
extrem kurzen und extrem langen Werten stufenlos zu verändern.
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Eine konstruktiv einfachere Anordnung mit großem Verstellbereich wird
gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Heizkörper größerer Wärmekapazität
als Spulenwicklung das Rückführorgan mit dem Heizkörper kleinerer Wärmekapazität
konzentrisch umschließt und in der elektrischen Stromzuführung zu der Spulenwicklung
Mittel zur Einstellung der Heizleistung und damit der Abkühlzeitkonstante vorgesehen
sind.
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Dieser Aufbau der Rückführung geht auf die überlegung zurück, daß
es notwendig ist, den Aufheizvorgang des Rückführorgans vom Abkühlvorgang zu trennen.
Zur Aufheizung des Rückführorgans wird vorzugsweise eine Heizung geringerer Wärmekapazität
vorgesehen, deren Heizleistung gering, jedoch konstant ist und die in möglichst
gut wärmeleitender Verbindung mit dem Rückführorgan steht. Der Abkühlvorgang wird
dagegen von einer zweiten Heizung bestimmt, deren Heizleistung zur Veränderung der
Nachstellzeit einstellbar ist und die den Abkühlvorgang mehr oder weniger verzögert.
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An Stelle des zweiten Heizkörpers mit größerer Wärmekapazität können
auch mehrere derartige Heizkörper verwendet werden.
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Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung aufgebauten
thermischen Rückführung; F i g. 2 bis 4 sind Kurvendarstellungen des Aufheiz- und
des Abkühlvorganges der Rückführung; F i g. 5 gibt die Wirkung der Rückführung in
einem Regler an; F i g. 6 ist ein Beispiel für die Schaltung der verschiedenen Heizwicklungen.
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Nach F i g. 1 ist auf das Rückführorgan 1, z. B. einen metallischen
Widerstand oder einen Halbleiterwiderstand, unmittelbar eine Drahtwicklung 2 aufgewickelt,
die als Heizkörper geringer Wärmekapazität und kleiner Heizleistung wirkt. Die Wicklung,
die zweckmäßig mit einem gut wärmeleitenden Isoliermaterial vergossen ist, wird
mit Hilfe der Flansche 8 derart im Innern eines Spulenkörpers 4 angeordnet, daß
ein symmetrischer Luftraum 3 zur Wärmeisolation vorhanden ist. Der Spulenkörper
4 trägt eine Heizwicklung 5, die als Heizkörper großer Wärmekapazität und großer
Heizleistung wirkt. Beide Heizwicklungen 2 und 5 werden gleichzeitig mit den Stellimpulsen
des Reglers eingeschaltet. In die Stromzuführung zur Wicklung 5 ist z. B. noch ein
einstellbarer
Widerstand 26 bzw. 26' in F i g. 6 eingeschaltet,
mit dem die Steilheit der Abfühlkurve und damit die Nachstellzeit verändert werden
kann. Oberhalb der Heizwicklung 5 ist noch eine weitere Heizwicklung 6 angebracht,
die eine verhältnismäßig geringe Heizleistung, jedoch eine große Wärmedichte besitzt.
Diese Wicklung, die gleichzeitig mit den Wicklungen 2 und 5 eingeschaltet wird,
wirkt gewissermaßen als thermische Isolierung, da sie am Umfang der Heizwicklung
5 eine Temperaturerhöhung hervorruft, die die Wärmeabgabe von der Wicklung 5 nach
außen verzögert. Um die ganze Rückführeinheit wird zweckmäßig noch eine wärmeisolierende
Schicht 7 gelegt.
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Die Heizleistung, die dem Körper 5 und gegebenenfalls weiteren vorhandenen
Heizkörpern zugeführt wird, kann wie erwähnt an einem Vorwiderstand eingestellt
werden. Bei mehreren.Heizkörpern kann jedem ein besonderer Vorwiderstand zugeordnet
werden; die Vörwiderstände werden einzeln oder gemeinsam verstellt. Hierdurch läßt
sich die Abkühlkurve der Rückführung und damit die Nachstellzeit des Reglers verändern.
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Mit den Stellimpulsen des Reglers wird die Beheizung für die Heizkörper
2 und 5 eingeschaltet. Die Temperatur an dem Rückführorgan steigt nach der Kurve
9 in F i g. 2 an. Wäre nur der Heizkörper 2 vorhanden und würde die Beheizung im
Punkt 10 unterbrochen werden, so würde sich das Rückführorgan entsprechend der Kurve
11 abkühlen. Da jedoch der Heizkörper 5 mit großer Wärmekapazität erst nach einer
bestimmten Anlaufzeit auf das Rückführorgan wirkt; wird nach Abschalten im Punkt
10 Wärmeenergie vom Heizkörper 5 auf das Rückführorgan Übertragen, und dieses kühlt
sich nach einer der Kurven 12 ab. Die Steilheit der Kurve hängt davon ab, wie groß
die Heizleistung gewählt wird, die der Körper 5 erhält. Bei ausreichend großer Heizleistung
verläuft die Abkühlkurve flach, und es können große Nachstellzeiten erreicht werden,
jedoch tritt gemäß F i g. 3 ein überschwingen der Temperaturkurve auf, d. h., nach
einer bestimmten Zeit wirkt sich die vom Heizkörper 5 übertragene Wärmeenergie so
stark auf das Rückführorgan aus, daß eine Überhöhung entsprechend Kurve 13 auftritt.
Wird andererseits die Heizleistung so weit verringert, daß diese überhöhung unterbleibt,
so läßt sich ein flacher Verlauf der Abkühlkurve bei den nachfolgenden kurzen Stellimpulsen
nicht erzielen. Um dies zu vermeiden, wird die Heizleistung der Heizkörper mit großer
Wärme- ; kapazität mit wachsender Heizdauer verringert, z. B. dadurch, daß in der
Stromversorgung des Heizkörpers 5 ein Impulsrelais eingeschaltet ist, das die diesem
zugeführte Heizleistung periodisch unterbricht. An Stelle der Kurve 13 in F i g.
3 läßt sich darin ein Kurvenverlauf entsprechend P i g. 4 erhalten.
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Bei einen PI-Regler, bei dem auf einen längeren P-Impuls mehrere kürzere
1-Impulse folgen, kann die Impulszeit, während der dem Heizkörper 5 der Rückführung
Wärmeenergie zugeführt wird, größer gewählt werden, als der Länge der 1-Impulse
des Reglers entspricht. Für die Unterbrechung der Heizleistung können z. B. Thermorelais
oder Relais mit RC-Gliedern mit geeigneter Impulszeit verwendet werden.
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Statt die Reizleistung periodisch zu unterbrechen, kann auch ein ansprechverzögertes
Relais vorgesehen werden, das die Heizleistung der Heizkörper mit großer Wärmekapazität
z. B. dadurch verringert daß es bei seinem Ansprechen in den Heizkreis einen Widerstand
einschaltet. Eine weitere Möglichkeit für die zeitabhängige Verringerung der Heizleistung
besteht darin, in die Speiseleitung der Heizkörper mit großer Wärmekapazität einen
temperaturabhängigen Widerstand einzuschalten, der sich nach einer gewissen Zeit
so weit erwärmt hat, daß sich der Heizstrom verringert.
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In F i g. 5 ist an Hand einer an sich bekannten Schaltung dargestellt,
wie die Rückführung mit dem Regler zusammenarbeitet. In der Brücke 15 wird der Istwert
der Regelgröße mit dem Sollwert verglichen und entsprechend der Regelabweichung
ein Verstärker 16 ausgesteuert, der in seinem Ausgang einen Dreipunktschalter 17
betätigt. Bei positiver Regelabweichung wird der Schalter z. B. nach oben umgelegt
und die Wicklung 18 des Stellmotors- eingeschaltet, während bei negativer Regelabweichung
der untere Kontakt geschlossen und die Wicklung 19 eingeschaltet ist. Der als Xondensatormotor
dargestellte Stellmotor läuft erstsprechend in der einen oder anderen Drehrichtung.
Gleichzeitig mit den Wicklungen 18 und $9 erhalten die Heizwicklungen 20 bzw. 21
:Strom, welche die Rückführorgane 22 bzw. 23 beheizen. Für jedes Rückführorgan ist
zur Vereinfachung der Darstellung nur eine Heizwicklung angegeben. Die Rückführorgane
(z. B. Halbleiterwiderstände) liegen in einer Brückenschaltung, deren Diagonalspannung
in entsprechendem Wirkungssinn in die Meßschaltung des Reglers eingeführt ist.
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An Hand von F i g. 6 wird ein Beispiel für die elektrische Schaltung
der verschiedenen Heizwicklungen in F i g. 1 angegeben. Auch für dieses Beispiel
ist angenommen, daß zwei Rückführungen, je eine für positive und negative Regelabweichung,
vothanden sind. Um den Heizstrom für die Wicklung 5 in Abhängigkeit von der Zeitdauer
der Beheizung zu verringern, wird, wie bereits früher ausgeführt, in F i g. 7 ein
verzögertes Relais verwendet. Das Rückführorgan 1 wird von den Wicklungen 2, 5 und
6 beheizt, wenn der Schalter 17 während eines Stell Impulses des Reglers schließt.
Als Heizstromquelle wird z. B. Netzwechselspannung verwendet, die über einen Transformator
an die Klemmen 24 und 25 anzuschließen ist. Die Heizwicklungen 5 und 6 liegen zueinander
parallel und werden über den einstell= baren Widerstand 26 vom Heizstrom durchflossen.
An diesem Widerstand wird die Steilheit der Abkühle kurve eingestellt. Im Heizstromkreis
liegt außerdem der Kontakt a eines Relais A. Dieses Relais hat eine
Ansprechverzögerung und schaltet bei seinem Ansprechen den Widerstand 27 in den
Heizstromkreis der Wicklung 5 und 6. Die gleiche Rückführung ist für die in der
anderen Richturig verlaufenden Stell Impulse vorgesehen und im linken Teil von F
i g. 7
gezeigt. Die Bezugszeichen sind hier mit einem Strich versehen.