DE2320531B2 - Verfahren und vorrichtung zum regeln der temperatur von innenraeumen - Google Patents

Description

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Θ ~W

erfolgt, wobei τ = Zeitkonstante bei der entsprechenden Drehzahl, Θ = Trägheitsmoment der Motor-Lüfterradanordnung und W= Widerstandsmoment des Lüfterrades bei der entsprechenden Drehzahl ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter für die Lüftermotoren kontaktlose Halbleiterschalter (wie z. B. Kombination von Thyristoren, Triacs oder Transistoren) mit den notwendigen Ansteuerschaltungen Verwendung finden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied in einer Summenschaltung mehrere Meßfühler mit verschiedenen thermischen Zeitkonstanten verwendet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler in zwei Meßfühler aufgespalten ist, wobei der erste Meßfühler eine kleine thermische Zeitkonstante (P-Anteil) und der zweite eine große thermische Zeitkonstante sowie eine große Verstärkung (F2) besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler in zwei Meßfühler mit entgegengerichteten Wirkungen aufgespalten ist, wobei der erste Meßfühler eine kleine thermische Zeitkonstante (Fi) und der zweite Meßfühler entgegengesetztes Stellverhalten mit einer größeren thermischen Zeitkonstante, aber einer kleineren Verstärkung als der des ersten Fühlers (F3) besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler in drei Meßfühler aufgespalten ist, wobei der erste Fühler eine kleine thermische Zeitkonstante (Fi), der zweite Fühler eine große thermische Zeitkonstante und eine große Verstärkung (F2) und der dritte Fühler entgegengesetztes Stellverhalten und eine thermische Zeitkonstante, die zwischen der des ersten und zweiten Fühlers liegt (F3), besitzt (F i g. 1).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von Innenräumen unter Verwendung von Lüftern, deren Drehzahl in Abhängigkeit von einem Temperaturfühler durch Ein- und Ausschalten gesteuert wird, wobei die Luft an Kühl- bzw. Heizflächen vorbeiströmt.

Durch eine derartige Regelung soll der Luftdurchsatz dem Kühl- bzw. Heizleistungsbedarf angepaßt werden, wobei die Störgrößen, wie z. B. das Öffnen der Türen und Fenster oder die Sonneneinstrahlung schnell ausgeregelt werden sollen. Auch sollen Temperaturänderungen der Konvektorfläche innerhalb des Stellbereiches keinen merklichen Einfluß auf die Temperatur haben.

Es ist bekannt, daß bei Klima- und Heizungsanlagen Raumtemperaturregler eingesetzt werden, die die Lüftermotoren bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten einschalten und ausschalten (Zweipunktregler) oder auch auf mehrere Geschwindigkeitsstufen mit Vorwiderständen umschalten.

Die heute übliche Regelung erfüllt die an sie gestellten Forderungen nur ungenügend, ihre Nachteile bestehen im einzelnen darin: (,0

Die unstetige Regelung bedingt erhebliche Temperaturschwankungen der Raumluft.

Als noch störender wird aber die entstehende Zugluft angesehen. Die Zugluft entsteht dadurch, daß in der Lüfterpause sich eine labile Temperaturverteilung im Raum aufbaut, die dann durch das Einschalten des Lüfters angestoßen wird und zu einer intensiven Luftbewegung führt.

Weiterhin wrd vor allem in ruhigen Aufenthaltsräumen das Geräusch durch das Einschalten des Lüfters als Belästigung empfunden. Das Lüftergeräusch an sich wird nach einiger Zeit nicht mehr bewußt wahrgenommen (wie z. B. das Ticken einer Uhr). Das plötzliche Einschalten des Lüfters wird jedoch durchaus als störendes Geräusch wahrgenommen. Zur Verminderung dieser Nachteile wurden die oben erwähnten mehrstufigen Regler eingesetzt. Sie bringen jedoch keine Abhilfe, da die hierbei einstellbare kleinste Drehzahl der Lüftermotoren noch immer viel zu groß ist, um die oben aufgezeigten Nachteile zu beseitigen.

Das Einschalten von Vorwiderständen (gestufte oder kontinuierlich verstellbare) zeigt nur dann einen befriedigenden Erfolg, wenn die Widerstände in den Ankerkreis von Kollektormotoren geschaltet werden, weil bei diesen Motoren wegen der besseren Drehmomentenverläufe noch ausreichende Anlaufmomente verwirklicht werden können. Da diese Kollektormotoren im allgemeinen einen hohen Geräuschpegel abstrahlen, sind sie für ruhige Wohnräume mit hohem Aufenthaltskomfort nicht geeignet. Andererseits bedingen die Verluste in dem Vorschaltwiderstand einen schlechten elektrischen Wirkungsgrad, der vor allem bei schwachen elektrischen Netzen (z. B. in Fahrzeugen) ein Nachteil ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Reglerverfahren der eingangs genannten Art zeitlich kontinuierlich durchzuführen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ein- und Ausschalten des Lüftermotors periodisch erfolgt, wobei

sich Anlauf und Auslauf in schneller Folge aneinanderreihen und die Umschaltung jeweils vor Erreichen des Endzustandes erfolgt.

Eine zweckmäßige Ausbildung ist, daß die Taktfrequenz vorzugsweise so gewählt wird, daß bei gegebenem Trägheitsmoment und Widerstandsmoment der Lüfterrad-Motorläufer-Anordnung sich eine nahezu gleichmäßige Drehzahl einstellt. Dies ist gegeben, wenn die zeitliche Folgefrequenz fschder Einschalt-Ausschaltlmpulse gemäß der Beziehung

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erfolgt, wobei τ die Zeitkonstante bei der entsprechenden Drehzahl, θ das Trägheitsmoment der Motor-Lüfterradanordnung und W das Widerstandsmoment des Lüfterrades bei der entsprechenden Drehzahl ist.

Wesentlich für die Funktion des Reglers ist, daß durch Verändern des Einschalt-Ausschalt-Zeitverhältnisses die Drehzahl im weiten Bereich eingestellt werden kann. Dies sollte von einer astabilen Kippstufe gesteuert werden, deren Taktverhältnis von einem Meßfühler und Sollwertsteller beeinfluß wird.

Als Schalter für die Lüftermotoren werden Vorzugsweise kontaktlose Halbleiterschalter (wie z. B. Kombination von Thyristoren, Triacs oder Transistoren) mit den notwendigen Ansteuerschaltungen verwendet.

Zweckmäßig erfolgt die Steuerung der Ansteuerstufen für den Halbleiterschalter durch eine astabile Kippstufe, deren Taktverhältnis durch das Meßglied und den Sollwertsteller eingestellt wird.

Soll auch bei großer Regelgeschwindigkeit der Regelverlauf stabil erfolgen, so müssen gemäß der weiteren Ausgestaltung des Reglers geeignete, einstellbare Regelparameter realisierbar sein. Die Erfindung wird deshalb dadurch ergänzt, daß als Meßglied in einer Summenschaltung mehrerer Meßfühler mit verschiedenen thermischen Zeitkonstanten verwendet werden. Diese Lösung des Problems bedeutet bei den großen benötigten Zeitkonstanten einen außergewöhnlichen Vorteil gegenüber einer rein elektrischen Realisierung der benötigten Regelcharakteristik in einer gesonderten Reglerschaltung. Mit sehr geringem technischen Aufwand können hohe Reglerqualitäten durch die erfindungsgemäße Integrierung des Meßgliedes mit dem Regelglied zu einer Baueinheit erzeugt werden.

Neben dem Proportional-Verhalten des Reglers (P-Verhalten mit Verzögerung 1. Ordnung), erzeugt durch einen Meßfühler mit kleiner thermischer Zeitkonstante, können die weiteren Regelcharakteristiken ausgebildet werden:

1. Proportional-Integralähnliches Regelverhalten (PI-Verhalten) wird durch Aufspalten des Meßfühlers in 2 Meßfühler erreicht: Der erste Meßfühler mit kleiner thermischer Zeitkonstante (P-Anteil, der zweite mit großer thermischer Zeitkonstante und großer Verstärkung,

2. Proportional-Differentialähnliches Regelverhalten (PD-Verhalten) wird durch Aufspalten des Meßfühlers in 2 Meßfühler mit entgegengerichteten Wirkungen erreicht. Der erste Meßfühler mit kleiner thermischer Zeitkonstante und der zweite Meßfühler mit entgegengesetztem Stellverhalten mit einer größeren thermischen Zeitkonstante aber kleinerer Verstärkung als der des ersten Fühlers,

3. Proportional-Integral-Differentialähnliches Regelverhalten (PID-Verhalten) wird durch Aufspaltung

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50 des Meßfühlers in 3 Meßfühler als Kombination von 1 und 2 erreicht. Der erste Fühler mit kleiner Zeitkonstante, der zweite Fühler mit großer thermischer Zeitkonstante und großer Verstärkung und der dritte Fühler mit entgegengesetztem Stellverhalten und einer thermischen Zeitkonstante, die zwischen der des ersten und zweiten Fühlers liegt.

Wie leicht zu erkennen ist, gehen mit der Erfindung beträchtliche Vorteile einher. Der Regler läßt sich kostengünstig herstellen, da er noch elektronische Bauelemente beinhaltet.

Wegen des Fehlens von mechanischen Bauteilen kann mit einer hohen Lebensdauer gerechnet werden.

Als wesentlicher Vorteil kann die Tatsache gelten, daß die Raumtemperatur bis auf wenige Bruchteile von Grad konstant gehalten werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die unangenehme »Zugluft« durch stetiges Stören der sich ausbildenden labilen Temperaturverteilung verhindert wird.

Wegen der Drehzahlverminderung des Lüfters wird der Lüftergeräuschpegel herabgesetzt. Bei der Bewertung dieses Vorzuges muß zusätzlich noch berücksichtigt werden, daß der Geräuschpegel weitgehend konstant gehalten wird und dadurch von Personen als monotones Hintergrundgeräusch kaum noch wahrgenommen wird.

Die Staubaufwirbelung wird wegen der kleineren Luftgeschwindigkeiten verringert.

Als vorteilhaft hat sich gezeigt, daß bei Ausnutzung des gesamten Regelbereiches bei der Raumheizung weit niedrigere Konvektorfiächentemperaturen ausreichen, um den Sollwert einzuhalten gegenüber unstetigen Reglern mit »Thermischer Rückführung«. Bei Speicherheizungen bedeutet dies z. B. eine bessere Ausnutzung der Speicherkapazität.

Der neu entwickelte stetige Regler kann anstelle des heute üblichen Zwei- oder Dreipunktreglers mit oder ohne thermische Rückführung ohne Installationsänderung eingesetzt werden.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei stellt

F i g. 1 ein Blockschaltbild und

F i g. 2 einen vereinfachten Schaltplan der Regelung

dar.

Die Baugruppe des Halbleiterschalters S für die Lüftermotoren ist hier nur ein Triac, dessen Ansteuerstrom von einem als Schalter arbeitenden Transistor Tl geliefert wird. Die Steuerspannung für diesen Schalttransistor wird am Kollektorwiderstand des astabilen Multivibrators K abgegriffen. Die Multivibratorgrundschaltung mit den Transistoren Tl und Γ3 wird insoweit abgewandelt, als die üblicherweise benutzten zwei Basisstromableitwiderstände durch jeweils einen Ast eines Differenzverstärkers mit den Transistoren Γ 4 und 75 ersetzt werden. Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers werden in den Nullzweig der Widerstandsbrücke B geschaltet. Die Widerstandsbrükke wird aus den temperaturabhängigen Widerständen (Thermistoren) Fl, F2 und F3 und dem Tandempotentiometer Ri und R 2 als Sollwertsteller gebildet. Die Thermistoren werden so mit zusätzlichen Wärmekapazitäten und wärmedämmenden Isolierungen umgeben, daß die benötigte Regelcharakteristik sich ergibt. Die Stromversorgung der Reglerschaltung erfolgt aus der Netzspannung in der Baugruppe G durch Vorwiderstand, Gleichrichterdiode, Zenerdiodenstabilisierung und Glättungskondensator.

Hierzu 1 Bhitt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln der Temperatur von Innenräumen unter Verwendung von Lüftern, deren Drehzahl in Abhängigkeit von einem Temperaturfühler durch Ein- und Ausschalten gesteuert wird, wobei die Luft an Kühl- bzw. Heizflächen vorbeiströmt, dadurch geke in η zeichnet, daß das Ein- und Ausschalten des Lüftermotors periodisch erfolgt, wobei sich Anlauf und Auslauf in schneller Folge aneinanderreihen und die Umschaltung jeweils vor Erreichen des Endzustandes erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausschaltzeit von einer astabilen Kippstufe gesteuert wird, deren Taktverhältnis von einem Meßfühler und Sollwertsteller beeinflußt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Folgefrequenz /sw, der Einschalt-Ausschalt-Impulse gemäß der Beziehung