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Vorrichtung zur Regelung einer Heizanlage
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Stand der Technik Die Erfindung geht'aus von einer Vorrichtung zur
Regelung der Temperatur eines Heizkessels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es
ist bereits bekannt, Heizkessel zu regeln. Mittels eines Temperaturfühlers wird
dabei die Temperatur des Heizwassers bestimmt und dieser Wert einem Zweipunktregler
zugeführt. Sinkt die Temperatur im Kessel unter einen vorgegebenen Wert ab, so wird
durch den Zweipunktregler der Brenner gestartet. Erreicht das Medium im Kessel eine
obere Temperatur, so wird durch den Zweipunktregler die Heizung abgeschaltet. Die
Verwendung von Zweipunktreglern hat den Nachteil, daß ein schlechter Wirkungsgrad
der Heizanlage gegeben ist. Als weiterer Nachteil ist anzusehen, daß aufgrund der
Totzeit der Flüssigkeit im Kessel die Temperaturdifferenz für den oberen und den
unteren Grenzwert des Zweipunktreglers recht groß gewählt werden muß, so daß starke
Temperaturschwankungen an den Heizkörpern oder beim Brauchwasser nicht zu ve-rmeiden
waren.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß eine
stetige Regelung des Heizkessels möglich ist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen,
daß auch bei starker Abweichung von der Solltemperatur ein Überschwingen des Reglers
nicht eintritt. Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Heizungsanlage dadurch
einen guten Wirkungsgrad aufweist und Temperaturdifferenzen nicht auftreten.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im llauptannpralch angegebenen Vorrichtung
möglich. Besonders vorteilhaft ist es, den PI-Regler unsymmetrisch auszubilden.
Dadurch wird erreicht, daß beim Hochregeln und beim Rückregeln unterschiedliche
Zeitkonstanten wählbar sind, so daß der PI-Regler besonders gut an die Regelstrecke
anpaßbar ist. Es ist auch günstig, für den I-Anteil des PI-Reglers beim Hochregeln
eine kleine, beim Zurückregeln jedoch eine große Zeitkonstante zu wählen. Bei Heizungsregelungen
mit einer langen Totzeit der Temperatur im Kessel hat dies den Vorteil, daß schnell
die Solltemperatur erreicht wird, und eine Schwingneigung des Reglers bedämpft wird.
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Weiterhin ist es günstig, den Komparator kurz vor Erreichen des Temperatursollwertes
zu schalten. Dadurch wird erreicht, daß der Regelvorgang des PI-Reglers nur um den
Sollwert herum stattfindet. Überschwinger werden dadurch gering gehalten. Weiterhin
ist es günstig, die Ausgangsspannung des Komparators einstellbar zu machen.
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Dadurch kann der Übergang zwischen ungeregeltem und geregeltem Aufheizen
bestimmt werden und den Erfordernissen angepaßt werden. Vorteilhaft ist- es, die
Zeitkonstante des I-Anteils des PI-Reglers einstellbar DU
gestalten.
Es ermöglicht eine OptiBierung des Reglers in Abhängigkeit von der Größe der Heizungsanlage.
Um Rückkopplungen zwischen dem PI-Regler und dem Komparator zu vermeiden, ist es
vorteilhaft, Sperrdioden vorzusehen, die an den Eingang und den Ausgang des PI-Reglers
geführt sind und die Wirkung des PI-Reglers bei eingeschaltetem Komparator verbinden.
Zur Störunterdrückung ist es vorteilhaft, am Eingang des PI-Reglers und/oder des
Komparators Bedämpfungsglieder zur Störspannungsunterdrückung vorzuschalten. Außerdem
ist es vorteilhaft, den Schaltpunkt des Komparators in Abhängigkeit vom eingeschalteten
Sollwert veränderbar zu gestalten, so daß bei einer Änderung des Temperatursollwertes
der Ausschaltzeitpunkt des Komparators angepaßt wird.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 ein Regelsystem nach der Erfindung, Fig. 2 eine Regelvorrichtung nach der Erfindung
und Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Einregelvorgangs.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Fig. 1 zeigt einen Heizkessel
1, der zur Warmwasserbereitung für Heizungsanlagen oder für Brauchwasser dient.
Unter dem Heizkessel 1 sind Gasbrenner 2 angeordnet, die das Wasser im Heizkessel
1 erhitzen. Im Heizkessel 1 befindet sich ebenfalls ein Temperaturfühler 3. Der
Temperatur fühler 3 steht über Leitungen mit dem Regler 4 in Verbindung, dessen
Ausgang ein
Steuerventil 5 betätigt. Das Steuerventil 5 ist in die
Gaszuführungsleitung für den Brenner 2 geschaltet.
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Der Regler 4 ist im Detail in Fig. 2 dargestellt.
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Leistungsendstufen, die eventuell zur Betätigung des Steuerventils
5 nötig sind, sind in der Fig. nicht dargestellt. An die positive Versorgungsspannungsleitung
6 ist ein Potentiometer 7 angeschlossen, das zur Einstellung des Sollwerts dient.
Das Potentiometer 7 steht über einen Widerstand 8 mit der Masseleitung in Verbindung.
Weiterhin ist an das- Potentiometer ein Widerstand 9 angeschlossen, der seinerseits
zum invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 13 führt. An die Versorgungsspannungsleitung
6 ist'des weiteren ein Widerstand 10 angeschlossen, an dessen anderen Ende der im
Heizkessel 1 angebrachte temperaturabhängige Widerstand 3 angeschlossen ist, der
andererseits mit der Masse in Verbindung steht. Am Verbindungspunkt der Widerstände
3 und 10 führt ein Widerstand 11 zum nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
13.
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Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers 13 sind des weiteren
mit einem Kondensator 12 überbrückt.
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Zwischen den Widerständen 7 und 8 ist ein weiterer Widerstand 16 angeschlossen,
der zum invertierenden Eingang eines als Komparator geschalteten Differenzverstärkers
19 führt. An den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 19 ist ein
Widerstand 17 angeschlossen, der mit den Widerständen 3 und 10 verbunden ist.-Weiterhin
führt vom nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 19 ein Widerstand
20 zum Ausgang des Differenzverstärkers 19. Zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers
19 ist ein Kondensator 18 geschaltet. Ein veränderbarer Widerstand 15,
der
zum Einstellen des Schaltpunktes des Komparators 19 dient, ist einerseits an die
positive-Versorgungsspannungsleitung 6, andererseits an den invertierenden Eingang
des Differenzverstärkers 19 angeschlossen.
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Der Ausgang des Differenzverstärkers 19 steht über einen einstellbaren
Widerstand 21 und eine Diode 22 mit dem Ausgang des Reglers 4 in Verbindung. Eine
weitere Diode 23 führt vom Ausgang des Differenzverstärkers 19 zum invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 13. Der Ausgang des Differenzverstärkers 13 steht
über einen Widerstand 14 mit dem Ausgang des Reglers 4 in Verbindung. Weiterhin
ist mit dem Ausgang 29 ein einstellbarer Widerstand 24 verbunden, der einerseits
über einen Widerstand 25 mit. dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
13 verbunden ist, andererseits zu einem Widerstand 26 und einer Diode 28 führt.
Der Widerstand 26 und die Diode 28 sind parallel geschaltet und an dem anderen Ende
ist ein Kondensator 27 angeschiossen, der seinerseits wiederum mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 13 verbunden ist. Der Differenzverstärker 13 ist
als PI-Regler geschaltet, wobei der P-Anteil im wesentlichen durch den Widerstand
25 und der I-Anteil im wesentlichen durch die Widerstände 24 und 27 bestimmt sind.
Die Diode 28 überbrückt den Widerstand 26 beim Hochregeln des PI-Reglers, so daß
der I-Anteil eine kleinere Zeitkonstante aufweist.
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Die Wirkungsweise des Reglers sei anhand der Fig. 3 erläutert. Ist
der Heizkessel kalt und soll aufgeheizt werden, so weicht der mit dem Potentiometer
7 eingestellte Sollwert sehr stark von dem Istwert ab, der durch den temperaturabhängigen
Widerstand 3 gemessen wird. Dies bedeutet, daß der Komparator 19
durchgeschaltet
ist, und an seinem Ausgang eine Spannung nahe der Versorgungsspannung anliegt. Diese
gelangt über den Widerstand 21 und die Diode 22 an den Ausgang 29 des Reglers 4
und betätigt das Steuerventil 5. Gleichzeitig wird dieses Signal über die Diode
23 an den invertierenden Eingang des Differdnzverstärkers 13 gelegt, so daß der
PI-Regler gesperrt ist. Durch die Zuführung einer weiteren Gleichspannung über den
einstellbaren Widerstand 15 an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
19 wird erreicht, daß der Operationsverstärker umschaltet, bevor die Spannung am
temperaturabhängigen Widerstand 3 die Spannung erreicht hat, die durch das Potentiometer
7 eingestellt wird. Dies ist in der Fig. 3 bei der Temperatur T1 der Fall. Erst
ab diesem Zeitpunkt wird die Regelung des Heizkessels durch den PI-Regler übernommen.
Dadurch wird die hohe Überschwingneigung des PI-Reglers unterdrückt, die durch die
lange Totzeit des Heizkessels, der die Regelstrecke bildet, bedingt ist.
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Die Schalttemperatur T1 liegt unterhalb der Solltemperatur T2 des
PI-Reglers. Die Differenz zwischen beiden Temperaturen ist im wesentlichen durch
die Heizanlage bestimmt und muß empirisch ermittelt werden.
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Mit dem einstellbaren Widerstand 21 wird die Spannung eingestellt,
die beim Einschalten des PI-Reglers 13 am Ausgang 29 des Reglers 4 anliegen soll.
Die im Kondensator 27 gespeicherte Energie, die sich aus der Spannungsdifferenz
am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 13 und am Ausgang 29 zusammensetzt,
bestimmen den Ausgangswert des PI-Reglers. Der PI-Regler beginnt nun mit reduzierter
Spannung ab der Temperatur T 1 innerhalb seines Arbeitsbereiches zu regeln. Dieses
Regelverhalten iot iln w<. itren in der Itig 3 allJgít,lagen. Ein Uberschwingen
der überwachten Temperatur über den Sollwert T2 hinaus ist nicht möglich. Durch
den einstellbaren
Widerstand 24 ist der Regler der Heizanlage
anpaßbar. Durch die Diode 28 wird bewirkt, daß der Widerstand beim Hochregeln des
PI-Reglers kurzgeschlossen ist, so daß schnell der eingestellte Sollwert T2 erreicht
wird, während beim Zurückregeln eine höhere Zeitkonstante durch das Einschalten
des Widerstandes 26 bedingt ist. Durch eine geeignete Abstimmung des einstellbaren
Widerstandes 24 wird erreicht, daß die Übergangsfunktion zwischen eingeschaltetem
und ausgeschaltetem PI-Regler nahtlos erfolgt und Sprünge nicht feststellbar sind.
Die Kondensatoren 12 und 18 bilden mit den Widerständen 9 und 11 bzw. 16 und 17
Eingangsbedämpfungsglieder für die Differenzverstarker 13 und 19, um Störspannungen
an den Eingängen zu unterdrücken. In einem praktischen Ausführungsbeispiel hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, bei einer Solltemperatur T2 von 87 OC eine Schalttemperatur
T1 von 77 OC zu wählen.