DE2427961B2

DE2427961B2 - Temperaturregelvorrichtung

Info

Publication number: DE2427961B2
Application number: DE2427961A
Authority: DE
Inventors: Masanori Endo; Ken Miyagi
Original assignee: Tohoku Metal Industries Ltd
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1973-06-11
Filing date: 1974-06-10
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2427961C3; FR2232794B1; IT1014964B; FR2232794A1; DE2427961A1; US3920956A

Description

3. Temperaturregelvorrichtung nacli Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) in Form eines Transformators (5) mit zwei Wicklungen (7,8) versehen ist, von denen die Primärwicklung (7) über einen Widerstand (4) mit der Wechselspannungsquelle (1) und die den Steuerimpuls abgebende v, Sekundärwicklung (8) mit dem Steueranschluß des Thyristors (3,10) verbunden ist (F i g. la, 2,3a, 4).

4. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (16) in Form einer Drossel (14) mit nur einer Wicklung (15) versehen ist, die einerseits über einen Widerstand (4) mit der Wechselspannungsquelle (1) und andererseits zur Abgabe des Steuerimpulses mit dem Steueranschluß des Thyristors (3, 10) verbunden ist

(F ig. 5). «

J5

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturregelvorrichtung für ein von einer Wechselspannungs-Leistungsquelle gespeistes elektrisches Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen aus der US-PS 36 36 310 bekannten Temperaturregelvorrichtung besitzt das der Steuerimpulserzeugung und als Temperaturfühler dienende Bauteil ferner einen bei der Wicklung angeordne ten Thermistor und einer mit der Wicklung verbundenen Gasentladungslampe, die den eigentlichen Steuerimpuls erzeugt Um bei dieser bekannten Temperaturregelvorrichtung zu erreichen, daß das Zu- bzw. Abschalten des Heizelements im Spannungsnulldurchgang erfolgt, müssen zusätzliche Schaltkreiselemente vorgesehen werden. Sowohl der Aufbau des kombinierten Bauteils als auch die notwendigen zusätzlichen Maßnahmen für den Schaltvorgang im Spannungsnulldurchgang bedingen einen erheblichen Schaltungsaufwand, der sich wiederum auf die Kosten der bekannten Vorrichtung niederschlägt Darüber hinaus ist diese bekannte Temperaturregelvorrichtung aufgrund des gegebenen Impedanz-Temperatur-Verhaltens des Thermistors relativ träge, so daß das erreichbare Ansprechverhalten zu wünschen übrig läßt

Aus dem DE-GM 18 59 840 ist ferner eine Temperaturregelvorrichtung bekanntgeworden, bei der die Tatsache ausgenützt wird, daß der Magnetkern bei Überschreiten seiner bestimmten Curie-Temperatur seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert Die Schaltung ist dabei derart, daß die parallel zur Heizwicklung geschaltete Induktionsspule, die über den Magnetkern angeordnet ist, bei Erreichen der betreffenden Curie-Temperatur einen Kurzschluß darstellt, so daß die Heizwicklung so lange nicht mehr vom Heizstrom durchflossen wird, bis die kritische Temperatur wieder unterschritten ist Bei dieser bekannten Vorrichtung wird also auch dann Energie verbraucht, wenn an sich keine Aufheizung mehr erfolgt, da hier Wicklung und Magnetkern nicht als Impulserzeuger, sondern als Kurzschlußschalter wirken. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist ferner, daß die Widerstandswerte für die Induktionswicklung und für die Heizwicklung so gewählt werden müssen, daß bei vorhandener Permeabilität der Wechselstromwiderstand der Induktionswicklup.g wesentlich größer als der Widerstand der Heizwicklung ist, so daß die Speisequelle Hochfrequenzspannung erzeugen muß. Außerdem ist die Regelung auch dieser Vorrichtung relativ träge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperaturregelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, der vom Bauelementenaufwand her vereinfacht ist und ein wesentlich verbessertes Regelverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Temperaturregelvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Temperaturregelvorrichtung verwendet also bei einem der Steuerimpulserzeugung und der Temperaturerfassung dienenden kombinierten Bauteil einen Magnetkern, der aus magnetischen Teilen mit unterschiedlichem Curie-Punkt besteht. Da damit nur der eine Teil des Magnetkernes als Temperaturfühler dient, hat dieser ein kleines Volumen und daher auch eine kleine Wärmekapazität, was sich in einem ausgezeichneten Ansprechverhalten im Betrieb bemerkbar macht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß es damit auch möglich ist, den Temperaturfühler dadurch auf eine andere Solltemperatur einzustellen, in dem man lediglich den einen Teil des Magnetkerns, der die Temperaturerfassung vornimmt, durch ein mit einem entsprechenden anderen Curie-Punkt versehenen Magnetteil ersetzt.

Als Wicklung mit Kern aus magnetischem Material kommt entweder ein Transformator oder eine Drossel

in Betracht Bei Verwendung eines Transformators wird die Primärwicklung aber den Widerstand an die Wechselspannungsquelle angelegt, während die Sekundärwicklung mit dem Steueranschluß des Thyristors verbunden wird; bei Verwendung ^iner Drossel wird deren Wicklung einerseits über den Widerstand mit der Wechselspannungsquelle und andererseits mit dem Steueranschluß des Thyristors verbunden. Die Impulse, die in der Sekundärwicklung des Transformators induziert bzw. in der Wicklung der Drossel selbstinduziert werden, bringen den Thyristor in leitenden Zustand, d.h., sie schalten ihn ein. Der Aufbau der Schaltung ist besonders einfach; die Vorrichtung hat eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit Es können außerdem Bauteile von nur sehr kleinem Volumen verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

F i g. la ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. Ib die Hysteresisschleife des Kerns des Transformators in F i g. la,

Fig. lc das Temperaturverhalten der differentiellen Permeabilität des Kerns des Transformators in Fig. la bei einer der Koerzitivkraft entsprechenden magnetischen Feldstärke,

Fig. Id verschiedene Spannungs- und Strom verlaufe der Schaltung nach Fig. la bei eingeschaltetem Heizelement

F i g. 1 e verschiedene Spannungs- und Stromverläufe der Schaltung nach Fig. la bei nicht eingeschaltetem Heizelement,

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel,

F i g. 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel,

F i g. 3b eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Temperatureinstellung durch Änderung der Spannung am Steuerungsanschluß des Thyristors in F i g. 3a,

F i g. 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele,

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel eines Kerns eines Transformators oder einer Drossel, wie sie bei den Ausführungsbeispielen Verwendung finden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 a liegen ein elektrisches Heizelement 2 und ein Triac 3 in Reihe an einer Wechselspannungsquelle 1 als Quelle elektrischer Leistung an. Die Primärwicklung 7 des Transformators 5 ist über den Widerstand 4 ebenfalls mit der Wechselspannungsquelle 1 verbunden; die Sekundärwicklung 8 ist an das Gate des Triac 3 geführt

Der Transformator 5 ist in einem Ofen 9 angeordnet bzw. enthalten, in dem auch das Heizelement 2 angeordnet ist Der Transformator 5 ist also der Temperatur des Ofens 9 ausgesetzt.

Der Kern 6 des Transformators 5 besteht aus magnetischem Material, dessen Curie-Punkt gleich der Temperatur entspricht, mit der der Ofen 9 betrieben werden soll, auf die seine Temperatur also eingeregelt werden soll. Dieses Material hat eine im wesentlichen rechteckige Hysteresisschleife, die in F i g. Ib dargestellt ist mit relativ niedriger Koerzitivkraft H₀. Das Temperaturverhalten ist derart, daß die differentielle Permeabilität μ<///ι bei einer magnetischen Feldstärke, die gleich der Koerzitivkraft ist, wie aus Fig. Ic zu ersehen, mit Erhöhung der Temperatur zunächst schwach und dann in Nähe des Curie-Punktes T_c sehr stark abnimmt. Der Kern 6 ist also unterhalb des Curie-Punktes ferromagnetisch, bei bzw. über dem Curie-Punkt paramagnetisch.

Magnetische Materialien mit Eigenschaften nach F i g. Ib und Ic sind z. B.:

Beispiel A:

Fe₂O₃: 50,6-54,8 mol-%; MnO₂: 6,4-20,4 mol-%; ZnO: 24,8-43,0 mol-%; sowie, falls notwendig, Zusätze.

Curie-Punkt:zwischen -30°Cund 150⁰C.

Beispiel B:

Fe₂O₃: 50,0 mol-%; ZnO: 33,0-38,0 mol-%; NiO: 12,0 -17,0 mol-%; sowie, falls notwendig, Zusätze. Curie-Punkt: zwischen 0° C und 120° C

Beispiel C:

Ni:78-80mol-%;Nb;Cu; Mound Fe
Curie-Punkt: 395° C

Bei Betrieb fließt von der Wechselspannungsquelle 1

ein Wechselstrom i durch den Widerstand 4 und die Primärwicklung 7; dabei hat die Wechselspannung ν der Wechselspannungsquelle 1 den bei (I) in Fig. Id gezeigten sinusförmigen Verlauf.

Die Wechselspannung ν sei ν = Em sin ωί, der Widerstand 4 sei Äund die Induktivität der Primärwicklung 7 sei L; dann ergibt sich /wie folgt:

dabei ist

ψ = tan"

Der Phasenwinkel φ kann vernachlässigt werden, sofern man die Ungleichung ωΖ. ■< R realisiert; der Wechselstrom / durch den Widerstand 4 und die Primärwicklung 7 ist dann in Phase mit der Wechselspannung ν, wie bei (2) in F i g. 1 d gezeigt

Während derjenigen Zeit während der die Temperatur im Ofen 9 und dementsprechend auch diejenige des Kerns 6 des Transformators 5 unterhalb des Curie-Punktes des Kernes liegt hat der Kern 6 die ferromagnetischen Eigenschaften nach F i g. Ib; es fließt also ein wechselnder magnetischer Fluß durch ihn. Der Verlauf dieses magnetischen Flusses ist wie bei (3) in Fig. Id gezeigt, im wesentlichen rechteckig, da die Hysteresisschleife rechteckig und die Koerzitivkraft relativ gering ist Daraus folgt, daß jedes Mal dann, wenn die Wechselspannung ν Null wird, in der Sekundärwicklung 8 ein Impuls induziert und von ihr

so abgegeben wird. Zwei aufeinanderfolgende Impulse haben entsprechend der Wechselspannung, jeweils entgegengesetzte Polarität, wie bei (4) in Fig. Id gezeigt.

Diese Impulse Vp, die an der Sekundärwicklung 8 auftreten, sind an das Gate des Triac 3 gekoppelt; sie schalten bzw. zünden das Triac 3 jedesmal dann, wenn die Wechselspannung ν Null wird, so daß sich zu diesem Zeitpunkt dann ein Stromfluß durch das Triac 3 ergibt. Ein Strom i_L fließt dann auch durch das Heizelement 2,

bo das somit also eingeschaltet wird, so daß sich die Temperatur im Ofen 9 erhöht.

Hat die Temperatur im Ofen 9 und damit auch die Temperatur des Kernes 6 des Transformators 5 einen Wert erreicht der gleich dem Curie-Punkt des Kernes 6

b5 ist, dann verschwindet der Ferromagnetismus des Kernes 6; er wird paramagnetisch. Dann ergibt sich ein Verlauf des magnetischen Flusses durch den Kern 6, wie er bei (3') in Fig. Ie dargestellt ist; die in der

Sekundärwicklung 8 des Transformators 5 induzierten Impulse haben dann den bei (4') in Fig. Ie gezeigten Verlauf und reichen nicht aus, um das Triac 3 zu zünden. Es wird also auch nicht leitend. Es fließt somit kein Strom. Das Heizelement 2 wird also nicht eingeschaltet. Dementsprechend sinkt die Temperatur im Ofen 9 wieder ab.

Sinkt die Temperatur im Ofen 9 unter den Curie-Punkt des Kernes 6, wird dieser wieder ferromagnetisch. Dann ist die Art des Betriebs wieder die, die oben unter Bezugnahme auf Fig. Id beschrieben worden ist und die zur erneuten Erhöhung der Temperatur im Ofen 9 führt.

Durch Wiederholung dieser beiden Betriebsarten, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. Id und Ie beschrieben worden ist, je nach Temperatur im Ofen 9, wird diese derart geregelt, daß sie konstant bleibt.

Aus der bis jetzt gegebenen Beschreibung folgt, daß das Heizelement 2 dann ein- oder ausgeschaltet bzw. erregt oder entregt wird, wenn die Wechselspannung, die von der Wechselspannungsquelle 1 zur Verfügung gestellt wird, den Wert Null hat; das folgt daraus, daß da;. Triac 3, das zwischen Heizelement 2 und Wechselspannungsquelle 1 geschaltet ist und das das Ein- bzw. Abschalten herbeiführt, von Impulsen gezündet wird, die dann auftreten, wenn die Wechselspannung Null ist Dadurch wird die von der Wechselspannungsquelle 1 abgegebene elektrische Leistung mit besonders hohem Wirkungsgrad ohne Leistungsverlust genützt

Die Temperaturregelungsvorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel ist besonders einfach im Schaltungsaufbau, hat eine lange Lebensdauer und ist in hohem Maße zuverlässig, da sie lediglich aus Heizelement, Triac, Transformator und Widerstand besteht

Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel; es gleicht dem nach Fig. la mit der Ausnahme, daß anstelle des Triac 3 ein mit einer Diode 11 mit umgekehrter Polarität parallelgeschalteter steuerbarer Gleichrichter (silicon controlled rectifier = SCR) 10 verwendet wird. Im übrigen sind in F i g. 2 dieselben Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bereits aus dem Schaltbild ist zu ersehen, daß auch die Betriebsweise dieses Ausführungsbeispiels gleich der des Ausführungsbeispiels nach Fig. la ist mit der Ausnahme, daß durch das Heizelement 2 selbst dann, wenn die Temperatur im Ofen 9 gleich dem Curie-Punkt des Kernes 6 oder höher ist, ein Halbwellenstrom fließt, wie er durch Gleichrichtung in der Diode 11 entsteht

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird verhindert, daß die Temperatur im Ofen 9 sehr schnell unter den Curie-Punkt des Kernes 6 fallen kann und dadurch Beschädigungen des Ofens selbst sowie darin vorhandener Teile entstehen. Die Temperaturregelung erfolgt relativ sanft, und die Welligkeit des Temperaturverlaufs wird verringert

Läßt man beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 die Diode U weg, so wird das Heizelement 2 dann nicht erregt, wenn die Temperatur im Ofen bei oder über dem Curie-Punkt des Kernes 6 liegt Ist jedoch die Temperatur im Ofen 9 unterhalb des Curie-Punktes des Kernes 6, dann zünden die an der Sekundärwicklung 8 entstehenden Impulse den steuerbaren Gleichrichter 10 während jeder ganzen Periode der Wechselspannung einmal. Durch das Heizelement 2 fließt also während derjenigen Periodenhälften ein Strom, während deren die Wechselspannung am steuerbaren Gleichrichter in dessen Vorwärtsrichtung anliegt Eine Temperaturregelungsvorrichtung, wie sie aus F i g. 2 bei Weglassen der Diode 11 entsteht, stellt also auch ein Ausführungsbeispiel dar.

Fig.3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fi g. la ist Es unterschiedet sich lediglich dadurch, daß die an der Sekundärwicklung 8 des Transformators S entstehende Spannung 5 dem Triac 3 über einen Spannungsteiler oder ein Potentiometer zugeführt wird,

ίο das von einem veränderlichen Widerstand 12 und einem festen Widerstand 13 gebildet wird. Wie an Hand von Fig. la erläutert, folgt daraus, daß das Heizelement 2 während der Zeiträume nicht eingeschaltet ist, während deren die Temperatur im Ofen 9 bei oder oberhalb der

Temperatur des Curie-Punktes des Kernes 6 liegt

Während des Zeitraumes, während dem die Temperatur im Ofen 9 unterhalb des Curie-Punktes des Kernes 6 ist, werden Impulse Vp in die Sekundärwicklung 8 induziert, wie bei (4) in Fig. Id gezeigt Diese Impulse werden durch das Potentiometer entsprechend verringert, bevor sie an das Gate des Triacs 3 gelangen. Auf diese Weise wird die Spannung, die am Gate des Triacs 3 anliegt, durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes 12 bestimmt

Die am Gate anliegende Spannung ändert sich mit der Temperatur des Kernes 6 in der aus Fig.3b ersichtlichen Weise; die Kurve a bezeichnet die Veränderung der Gate-Spannung in dem Fall, in dem der veränderliche Widerstand 12 auf seinen Mindest wert eingestellt ist; die Kurve b bezeichnet die Veränderung der Gate-Spannung in dem Fall, in dem der veränderliche Widerstand 12 auf seinen Maximalwert eingestellt ist Der Spannungspegel Vor (gestrichelte Linie) ist die kritische Gate-Spannung, bei der das Triac 3 zündet Aus Fig.3b folgt also, daß die Maximakemperatur, bei der das Triac 3 gezündet werden soll, durch Veränderung der Gate-Spannung am Triac 3 durch Veränderung des Widerstandes 12 von einer Temperatur Tb auf eine Temperatur Ta geändert werden kann. Die Temperatur im Ofen 9, die konstant gehalten werden soll, kann also !ediglich durch

Einstellung des Widerstandes 12 auf einen bestimmten Wert gewählt werden. Fig.4 zeigt ein weiteres Ausfühningsbeispiel. Es

weicht von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. la insoweit ab, daß die Reihenschaltung aus Widerstand 4 und Primärwicklung 7 mit der Wechselspannungsquelle 1 über das Heizelement 2 verbunden ist Dem Heizelement wird also auch dann ein gewisser Wechselstrom über diese Reihenschaltung zugeführt, wenn die Temperatur im Ofen 9 beim oder überhalb des Curie-Punktes des Kernes 6 liegt

Fig.5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des Transformators 5 in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Drossel 14 verwendet wird.

Die Drossel 14 besteht aus einer Wicklung 15 und einem Kern 16, der dieselben magnetischen Eigenschaften wie der Kern 6 beim Transformator in den oben erläuterten Ausführungsbeispielen hat Die Wicklung 15 ist einerseits mit der Wechselspannungsquelle 1 über den Widerstand 4 in Reihe geschaltet und andererseits mit dem Gate des Triacs 3 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel dienen in der Wicklung 15 seibstinduzierte Impulse zur Zündung des Triacs 3. Ansonsten ist die Funktion dieses Ausführungsbeispiels gleich derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. la.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil besonderer Einfachheit der Schaltung, da kein Transformator mit einer Sekundärwicklung, sondern lediglich eine Drossel verwendet wird. Auch dieses Ausführungsbeispiel kann entsprechend Fig. 2 und 3a modifiziert werden.

Der im Transformator oder der Drossel verwendete Kern ist nach Aufbau und Konstruktion — soweit nicht oben besondere Angaben gemacht worden sind — üblicher Art.

F i g. 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Kernes; er wird durch ein U-förmiges magnetisches Teil 61 und durch einen stabähnlichen magnetischen Teil 62 gebildet, die beide miteinander verbunden und aneinander derart befestigt sind, daß ein geschlossener im wesentlichen kreisförmiger Pfad für den magnetischen Fluß entsteht.

Der magnetische Teil 62 ist aus magnetischem Material gemäß den oben gemachten Erläuterungen; sein Curie-Punkt ist gleich der Temperatur, die von der Temperaturregelungsvorrichtung eingeregelt werden soll; hingegen kann der Curie-Punkt des Teils 61, das ebenfalls aus magnetischem Material ist, höher als der des Teils 62 sein. Die Wicklung bzw. Wicklungen sind auf dem U-förmigen Teil 62 angebracht, wie das durch die gestrichelten Linien in F i g. 6 angedeutet ist.

Sofern ein Kern nach Fig.6 Verwendung findet, dient der stabähnliche Teil 62 als Temperaturfühler. Man erhält so eine Temperaturregelung mit einem ausgzeichneten Ansprechverhalten, da dieser Temperaturfühler ein kleines Volumen und daher auch kleine Wärmekapazität hat.

Bei dieser Anordnung kann man auch die Temperatur, auf die die Temperaturregelungsvorrichtung regeln so!!, sehr einfach dadurch ändern., daß man das stabähnliche Teil 62 wegnimmt und durch ein anderes mit einem anderen Curie-Punkt ersetzt.

Hierzu 2 BIaIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturregelvorrichtung für ein von einer Wechselspannungs-Leistungsquelle gespeistes elektrisches Heizelement, mit einem Thyristor, der zwischen die Wechselspannungsquelle und das Heizelement geschaltet ist, und mit einem mit mindestens einer Wicklung versehenen Bauteil, das als Steuerimpulserzeuger zum Zünden des Thyristors und als mit dem Heizelement thermisch gekoppelter Temperaturfühler zum Steuern des Steuerimpulserzeugers in Abhängigkeit von der Temperatur derart, daß das Heizelement im Nulldurchgang der Wechselspannungsquelle zu- oder abgeschaltet wird, dient, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wicklung (7,8; 15) über einem magnetischen Kern (6; 16) mit einer im wesentlichen rechteckigen Hystereseschleife mit geringer Koerzitivkraft angeordnet ist, der einen vorzugsweise stabförmigen magnetischen Teil (62), dessen Curie-Punkt (Tc) bei einer vorbestimmten Temperatur liegt, sowie einen vorzugsweise im wesentlichen U-förmigen magnetischen Teil (61), dessen Curie-Punkt höher ist und auf dem die Wicklung (7, 8, 15) angeordnet ist, besitzt, wobei beide magnetischen Teile (61, 62) einen geschlossenen Pfad für den magnetischen Fluß bilden.

2. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6, 16) aus einer der folgenden Legierungen besteht:

a) 78-80 mol-% Ni, Nb, Cu, Mo und Fe;

b) 50,6-54,8 mol-% Fe₂O₃, 6,4-20,4 mol-% MnO₂, 24,8-43,0 mol-% ZnO und weitere Zusätze;

c) 12,0—17,0 moi-»/b NiO, 33,3-38,0 mol-% ZnO, 50,0 mol-% Fe2Ü3 und weitere Zusätze.