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Anordnung zum zeitlichen Steuern des
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Aufheizstromes bei Heizleiterwiderständen" Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum zeitlichen Steuern des Aufheizstromes bei Heizleiterwiderständen,
angewandt zum Regen der Heizleistung durch Zweipunktregelung eines Wechselstromes
mittels eines nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip geschalteten Leistungsstellgliedes
aus zwei gegenparallelen Thyristoren, das durch synchronisierte Steuerimpulse eines
Impulsgebers mit Impulsbreitenmodulation jeweils bei den Polaritätswechseln des
Wechselstromes eingeschaltet wird.
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Die Leistungsregelung einer in Heizleiterwiderständen umgesetzten
Heizleistung durch Zweipunktregelung eines Wechselstromes mittels nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip
geschalteter Leistungsstellglieder aus gegenparallelen Thyristoren wurde bisher
nur mit Heizleitern ausgeführt, bei denen das Warm-Kalt-Widerstandsverhältnis nicht
weit von 1 abweicht.
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Mit Heizleitermaterialien, bei welchen das Warm-Kalt-Widerstandsverhältnis
wesentlich größer als 1 ist, tritt beim Einschalten des Stromes im Kaltzustand des
Heizleiters und bedingt
durch die Zweipunktregelung jeweils ein
großer Aufheizstrom auf, so daß der Heizleiter hierfür besonders bemessen sein muß
und ein Leistungsstellglied mit Thyristoren für eine entsprechend große Typenstromstärke
zu wählen ist.
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Es ist daher üblich, daß die Leistungsregelung der Heizleistung mit
Heizleitern, bei denen das erwähnte Widerstandsverhältnis größer als 1 ist, mittels
nach dem Phasenanschnitt-Prinzip gesteuerter Leistungsstellglieder, diese ebenfalls
aus gegenparallelen Thyristoren bestehend, ausgeführt wird (nach AEG-Katalog A 43.15.105/0475,Leistungssteller
Thyrotakt/Thyrovar, Seite 4). Es wird dabei die Heizleistung kontinuierlich verändert
bzw. geregelt. Gegenüber dem Phasenanschnitt-Prinzip hat das Vollschwingungs-Taktprinzip
jedoch viele Vorteile, von denen hfr beispielsweise die nur geringe Oberschwingungsbelastung
des Wechselstromnetzes sowie das geringe Funkstörvermögen erwähnt seien.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine für die Heizleistungsregelung
mittels nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip geschalteter Thyristor-Leistungsstellglieder
anwendbare Anordnung im Zweipunktregelungsbetrieb,mit welcher beim Einschalten der
Aufheizstrom gesteuert wird, zu schaffen, damit die vorangehend angegebenen Vorteile
der Heizleistungsregelung uneingeschränkt erhalten werden.
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Durch die DT-OS 18 09 437 ist eine regelspannungsgeführte Steuerschaltung
zur Vollwellensteuerung (Anwendung des Vollschwingungs-Taktprinzips) eines Verbrauchers,
insbesondere Heizleiterwiderstände, mittels Thyristorstellglieder (Leistungsstellglieder
mit Thyristoren) bekannt, mit welcher Steuerschaltung der Temperaturhochlauf der
Heizleiterwiderstände während des Aufheizens nach einem vorgegebenen Sollverlauf
gesteuert werden kann. Es ist hierfür ein bei den Polaritätswechseln des Heizwechselstromes
synchronisierter Steuerimpulsgeber für ein Leistungsstellglied
mit
einem selbständigen und einstellbaren Impulsbreitenmodulator verwendet, durch den
die Steuerimpulse des Impulsgebers in der Impulsbreite während des Aufheizens verändert
werden.
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Die oben dargelegte Aufgabe wird ebenfalls unter Verwendung eines
Steuerimpulsgebers mit Impulsbreitenmodulation in besonders einfacher und vorteilhafter
Weise erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Impulsbreite eines Rechtecksignals
in Abhängigkeit von der Heizleitertemperatur derart, daß bei ansteigender Heizleitertemperatur
die Impuls breite des Rechtecksignals wächst und die Einschaltdauer des Leistungsstellgliedes
zunimmt, steuernder Impulsmodulator verwendet ist und daß durch Uberlagerung des
temperaturabhängig in der Impulsbreite modulierten Signals mit einem den Regel zustand
der Zweipunktregelung darstellenden Signal entsprechend modulierte Steuerimpulse
für das Leistungsstellglied mit einer durch die Zweipunktregelung bestimmten zeitlichen
Schaltfolge gebildet werden.
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Einer weiteren Ausbildung der Erfindung entsprechend sowie nach einer
Ausführungsform der Erfindung ist mittels eines Wandlerverstärkers ein dem Temperatur-Istwert
der Heizleitertemperatur darstellendes Signal einem Steuereingang des Impulsbreitenmodulators
und zugleich einem der zwei Eingänge eines für die Zweipunktregelung verwendeten
Komparators zugeführt, welchem an dessen zweiten Eingang ein Temperatur-Sollwertsignal
zugeführt ist, und es sind das Ausgangssignal des Komparators, das den Regel zustand
der Zweipunktregelung darstellt, sowie das in der Impulsbreite modulierte Rechtecksignaldes
Impulsmodulators einem Und-Glied über dessen zwei Eingängen zur Überlagerung zugeführt.
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Die Vorteile der Erfindung werden darin gesehen, daß für diese Ausführungsform
einer Einrichtung zum Steuern des Aufheizstromes
von Heizleiterwiderständen
keine schaltungstechnisch aufwendigen Komponenten benötigt werden, sondern nur Standardelemente,
wie z.B. ein Impulsmodulator, Wandlerverstärker, Impulsoszillator erforderlich sind.
Die gewünschte Aufheizkennlinie von Heizleitern, z.B. bei elektrischen Ofen für
technologische Zwecke, kann mit Hilfe von Stellwiderständen leicht eingestellt und
einem vorgegebenen Programm angepaßt werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das nachstehend in den Einzelheiten beschrieben wird. Die Zeichnung zeigt in Figur
1 eine Schaltungsanordnung+ für die zeitliche Steuerung des Aufheizstromes bei einem
Ofenheizwiderstand 11, der in einem an ein Wechselstromnetz N angeschlossenen Leistungsstromkreis
1 mit einem nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip geschalteten Leistungsstellglied
12, aus zwei gegenparallelen Thyristoren bestehend, liegt. In dem Leistungsstromkreis
wird mittels des geschalteten Leistungsstellgliedes die Heizleistung des Heizwiderstandes
11 durch Zweipunktregelung geregelt. Dabei sind den Thyristoren des Leistungsstellgliedes
die Steuerimpulse aus einem Impulsgeber 21 in einer den Heizstrom steuernden Schaltungsanordnung
2 zugeführt, die dem Leistungsstromkreis zugeordnet ist.
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In der Schaltungsanordnung 2 ist eine Regelstrecke für die Zweipunktregelung
mit einem thermoelektrischen Wandler 24, z.B. eine Thermosäule, ferner einem Wandlerverstärker
25, einem Komparator 26 und einem Signalgeber 27 für den Temperatur-Sollwert der
Regelung eingeordnet. Der thermoelektrische Wandler 24 ist in thermischem Kontakt
mit dem Heizwiderstand 11. Die Thermospannung der Thermosäule wird mittels des Wandlerverstärkers
25 verstärkt, und es wird am Ausgang des Verstärkers ein den Istwert der Reizwiderstandstemperatur
darstellendes Signal gebildet, das einem der zwei Eingänge öl, e2 eines Vergleichers
(Komparator 26) zugeführt ist. Dem zweiten Eingang e2 des Vergleichers
ist
ein den Arbeitsbereich der Zweipunktregelung als Temperatur-Sollwert darstellendes
Signal des Signalgebers 27 zugeführt. Am Ausgang des Vergleichers und Komparators
26 wird ein den Regel zustand (Temperatur-Istwert liegt unterhalb oder oberhalb
des Arbeitsbereiches) darstellendes Signal L bzw. 0 gebildet, das dem Eingang des
Impulsgebers 21 zugeführt ist. Im Regelbetrieb der Zweipunktregelung schwankt die
Temperatur des Heizwiderstandes mit einer diesen Arbeitsbereich unter- bzw. überschreitenden
Schwankungsbreite.
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Beim Einschalten des Heizstromes liegt im Kaltzustand des Heizwiderstandes
11 die Temperatur weit unterhalb des Arbeitsbereiches, so daß ein großer Aufheizstrom
auftritt, der um so größer ist je weiter die Temperatur des Heizwiderstandes unterhalb
des Arbeitsbereiches liegt. Durch ein temperaturabhängiges Steuern des Aufheizstromes
kann das Auftreten eines zugroßen Aufheizstromes verhindert wein, und zwar durch
Impulsbreitenmodulation der Steuerimpulse für das Leistungsstellglied 12. Dafür
enthält die Schaltungsanordnung 2 zusätzlich einen Impulsmodulator 23 mit einem
Rechteckoszillator 22 und ein Und-Glied 28. Dieser erzeugt ein Rechtecksignal, das
dem Modulator 23 zugeführt wird. Der Impulsmodulator ist steuerbar und hat einen
Steuereingang e. Gesteuert wird der Impulsmodulator 23 durch das den Temperatur-Istwert
darstellende Signal des Wandlerverstärkers 25, dessen Ausgang mit einem der Eingänge
des Komparators 26 und zugleich mit dem Steuereingang e des Impulsmodulators verbunden
ist. Die L-O-Ausgangssignalfolge des Komparators, die wie oben erläutert den Regelzustand
der Zweipunktregelung darstellt, sowie das mittels des gesteuerten Modulators 23
in der Impulsbreite modulierte Rechtecksignal sind dem Und-Glied 28 über dessen
zwei Eingänge e3, e4 zur Überlagerung zugeführt. Am Ausgang des Und-Gliedes entsteht
ein Überlagerungssignal, das dem Eingang des Im-Impulsgebers 21 zugeführt ist.
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Wenn der Aufheizvorgang beendet ist und die Temperatur des Heizwiderstandes
in den Arbeitsbereich der Zweipunktregelung eingetreten ist, dann ist mittels des
Impulsmodulators 23 die Impulsbreite des modulierten Rechtecksignals gleich der
Periodendauer des Rechtecksignals aus dem Oszillator 22, so daR am Ausgang des Impulsmodulators
ein Dauersignal L entsteht. Dem Impulsgeber 21 wird in diesem Falle die unveränderte
L-O-Ausgangssignalfolge des Komparators 26 als Überlagerungssignal zugeführt, so
daß die Temperatur des Heizwiderstandes weiterhin durch die Zweipunktregelung geregelt
wird. Liegt dagegen die Temperatur des Heizwiderstandes noch unterhalb des Arbeitsbereiches
der Zweipunktregelung, so ist die Impulsbreite des mittels des Impulsmodulators
23 modulierten Rechtecksignals nach Maßgabe des Temperaturunterschiedes zwischen
der Temperatur des Heizwiderstandes und einer vorgegebenen Temperatur kleiner als
die Periodendauer des Rechtecksignals gesteuert. In diesem Falle werden im Impulsgeber
21 die L-Signale des Komparators 26 entsprechend moduliert als Überlagerungssignal
zugeführt. Die Thyristoren des Leistungsstellgliedes 12 werden, während die Signale
zugeführt sind, jeweils mit einem der Impulsbreite im Verhältnis zur Periodendauer
des Rechtecksignals gleichen Taktverhältnis geschaltet. Dadurch wird im Leistungskreis
der Effektivwert des Aufheizstromes in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizwiderstandes
bzw. von dem erwähnten Temperaturunterschied begrenzt. In der Fig. 2 ist ein Bespiel
des Verlaufes des Effektivwertes Ieff des Aufheizstromes in Abhängigkeit von der
Temperatur (Ieff bezogen auf die Periodendauer eines Ein-Aus-Zyklus der Impulsbreitensteuerung
bzw. der Zweipunktregelung) und des Verlaufes des Taktverhältnisses oL der Impulsbreitenmodulation
als Diagramm dargestellt, worin /so die Umgebungstemperatur und ß m die mittlere
Temperatur des Arbeitsbereiches der Zweipunktregelung bezeichnen. Das Diagramm zeigt
als Kurve (1) den Verlauf des Stromes Ieff f ( () bei einer bestimmten Abhängigkeit
des Heizleiterwiderstandes von der
Temperatur ohne Impulsbreitenmodulation,
d.h. für @@ = 1 = konstant. Kurve (2) zeigt die Abhängigkeit des Stromes von der
Temperatur mit Impulsbreitenmodulation nach einem Taktverhältnis =, f ( @ ) gemäß
Kurve (3). Nach dem Beispiel erreicht das Taktverhältnis s bei einer Temperatur
@1 den dert 1, wobei @1 auch gleich oder größer als @ m gewählt sein kann. Sobald
die Temperatur @ m erreicht ist, setzt die Zweipunktregelung ein und setzt den effektiven
Strom bzw.
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1ie mittlere Leistung soweit herab, daß die mittlere Temperatur innerhalb
des Arbeitsbereiches der Regelung konstant gehalten wird.