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Anordnung zum Konstanthalten der Betriebs-
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temperatur eines elektrischen Heizleiters Die Erfindung bezieht sich
auf eine Anordnung zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen
Heizleiters mit Hilfe eines im Stromkreis des Heizleiters liegenden Stellgliedes
und einer das Stellglied nach dem ohmschen Widerstand des Heizleiters steuernden
Vergleichseinrichtung.
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Derartige Anordnungen sind für die Stromversorgung von Heizstromverbrauchern
jeglicher Art verwendbar, wie zum Beispiel bei sogenannten Folienschweißmaschinen
wie auch zur Stromversorgung bei Haushaltsgeräten und elektrischen Heizkörpern.
Als Temperaturfühler sind dabei zumeist Thermoelemente gebräuchlich. Aus der physikalisch-elektrischen
Meßtechnik ist es vom Prinzip her bekannt, die Temperatur eines elektrischen Heizleiters
aus dem ohmschen Widerstand zu bestimmen, wobei die Temperaturabhängigkeit des ohmschen
Heizleiterwiderstandes zugrunde gelegt wird (s. z.B. von Angerer-Ebert, "Technische
Kunstgriffe bei physikalischen Untersuchungen", Widerstandsthermometer S. 224 Friedr.
Vieweg & Sohn, Braunschweig 1952).
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Für die Konstantregelung der Betriebstemperatur von elektrischen
Heizleitern
sind bei bestimmten Anwendungen, und speziell bei Folienschweißmaschinen Temperaturfühler
zu ge . Bei Folienschweißmaschinen ist der Heizstrom ein Wechselstrom, der mit Hilfe
eines Triacs oder mit Thyristoren durch Phasenanschnittsteuerung konstantgehalten
wird, wobei der Anschnittwinkel zwischen zwei Grenzlagen, eine mit großen Anschnittwinkeln
für den Leerlaufbetrieb und eine mit kleinem Anschnittwinkel für den Schweißbetrieb,
verändert wird. Bei wieder Änderung der Betriebsbedingung, beispielsweise Netzspannungsänderungen
oder Änderungen der Kühlung der Heizleiter durch die sogenanntSchweißbacken, müssen
diese Grenzlagen neu festgelegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
beschriebenen Art zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen Heizleiters
noch derart aus zu bilden, daß damit die Heizleitertemperatur, von einer durch Betriebsänderungen
nicht beeinflussbaren Betriebsgrundeinstellung des Stellgliedes ausgehend, nach
dem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand des Heizleiters auf einer beliebig
vorzugebenden Höhe konstantregelbar ist.
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Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei der Anordnung
zwei, einmal den Heizstrom und einmal die Spannung über dem Heizleiter erfassende,
Meßkanäle, die Je einen Gleichrichter enthalten und einer/erfassenden Meßkanäle
einen veränderbaren Bewertungswiderstand enthält, mit dem Eingang eines Reglers
verbunden sind und zusammen mit diesem eine ein Stellglied steuernde Vergleichseinrichtung
bilden, durch welche auf gleichgroße Zeitflächen der Spannung über dem Heizleiter
und des Heizstromes geregelt wird und damit die Temperatur des Heizleiters konstat
gehalten wird.
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Bei dieser Anordnung wird einer weiteren Ausbildung der Erfindung
entsprechend
eine Grundeinstellung des Stellgliedes für den leerlaufbetrieb dadurch ermöglicht,
daß der Ausgang des Reglers über Ablösedioden mit dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers
verbunden ist, von welchem der Verbindung der Dioden ein die Betriebsgrundeinstellung
des Stellglieds festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist, das vom Ausgang
des Reglers abgeblockt ist. Um eine bessere Regeldynamik zu erreichen, ist einer
zusätzlichen weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß der Ausgang (A) des Reglers
über Ablösedioden mit dem Abgriff eines ohmschen weiteren Spannungsteilers verbunden,
von welchem der Verbindung der Dioden ein eine gewählte Betriebseinstellung des
Stellgliedes festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist,und es ist dieser
Spannungsteiler beim Einschalten des Heizstromes vorübergehend an eine Gleichspannung
schaltbar.
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Insgesamt ist eine derart ausgebildete Anordnung für Wechselstrom
- wie auch für Gleichstromanwendungen mit Jeweils günstigem Regelungsverhalten verfügbar
und überdies für den automatischen Betriebsablauf bei Heizmaschinen verwendbar.
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Zum Konstanthalten der Temperatur eines mit Gleichstrom versorgten
Heizleiters kann erfindungsgemäß ein durch die Vergleichseinrichtung analog gesteuerter
Halbleiterwiderstand oder ein mit veränderlichem Tastverhältnis und/oder Tastfrequenz
geschalteter Halbleiterschalter als elektronisches Stellglied verwendet werden.
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Anhand der Zeichnung ist nachstehend als Ausführungsbeispiel der Erfindung
eine Wechselstromanwendung beschrieben. Die Zeichnung zeigt eine Anordnung zum Kontanthalten
der Betriebstemperatur der Heizleiter einer Folienschweißmaschine als Schaltbild.
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In der Zeichnung ist links der Heizstromkreis mit dem Heizliter, einem
als Stellglied verwendeten Triac und einem Stromwandler
in Reihenschaltung
dargestellt.
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Der Heizleiter 1 habe einen positiven Temperaturkoeffizienten. Als
Stellglied kommen auh Thyristoren, Transistoren und des weiteren Stelltransformatoren,
Stellwiderstände oder magnetische Verstärker in Betracht. Von den Heileitern und
vom Stromwandler geht ein Spannungsmeßkanal 1' und ein Strommeßkanal 3' aus, die
an einer Vergleichsstelle 1, 3 zusammengeführt sind. Dieser Vergleichsstelle ist
die über den Meßkanal 1' mittels eines Transformators Tr und Brückengleichrichters
G1 an einer Brüde B1 dargestellte, gleichgerichtete Heizleiterspannung U1 und die
über den Meßkanal 3' mit entgegengesetzter Polung mittels eines Brückengleichrichters
G3 an einer Bürde B3 dargestellte, gleichgerichtete und dem Heizstrom proportionale
Meßspannung U3 zugeführt. In den Meßkanälen 1' und 3' liegen ein veränderbarer ohmscher
Bewertungswiderstand P1 bzw. ein ohmscher Festwiderstand R3. Die Spannung an der
Vergleichsstelle 1, 3 wird durch einen Kondensator C geglättet und ist über einen
ohmschen Widerstand Ro mit dem invertierenden Eingang "-" eines Operationsverstärkers
4 verbunden. Dieser ist mit einem auf den Eingang "-" rückkoppelnden Reihen-RC-Glied
R1, C als integrierender Verstärker beschaltet. Das RC-Glied bildet zusammen mit
dem Widerstand Ro einen Spannungsteiler. Der Ausgang des Operationsverstärkers 4
ist über eine Blockdiode D4 und einen ohmschen Widerstand R4 mit dem Steuerungseingang
eines im Triac 2 zugeordneten Impulsgebers 7 verbunden, welcher mit einem UjT-Oszillator
arbeitet. Das Zeitglied R7, C7 des Oszillators enthält als gesteuerten Widerstand
einen Transistor T. Der Impulsgeber 7 erhält eine trapezförmige Betriebsgleichspannung
aus der Wechselstromquelle R, Mop des Heizstromkreises 1, so daß der Impulsgeber
mit der Wechselstromquelle synchronisiert ist. Die Elemente 1', 3', 4 bilden zusammen
eine Vergleichseinrichtung der Anordnung für die eine geglättete Gleichspannung,
die gleichfalls aus der Wechselstromquelle
R, flp über einen Gleichrichter
D8 in einem Kondensator C8 erzeugt wird, als Betriebsspannung dient.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 4 ist über Ablösedioden D4,
D5, D6 an den Abgriffen von ohmschen Spannungsteilern Sp5 und Sp6 angeschlossen,
welche an der Betriebsgleichspannung der Vergleichseinrichtung liegen. Der Spannungsteiler
Sp6 ist schaltbar mittels eines Kontaktes $. Die Verbindung der Dioden D4, D5 und
D6 liegt im Steuerungskanal 4' des Operationsverstärkers 4 und ist über einen ohmschen
Widerstand R5 an dieser Betriebsspannung angeschlossen. Wie der Zeichnung zu entnehmen
ist, sind die Bürden B1 und B3, der Spannungsteiler Sp5 und Sp6 und der Kondensator
C7 des Impulsoszillator-Zeitglieds sowie auch ein Zündübertrager Z des UJT an dem
Bezugspotential der geglätteten Betriebsgleichspannung der Anordnung angeschlossen.
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Mit dem Triac 2 wird der Heizstrom durch Phasenanschnittsteuerung
verändert. Fließt im Stromkreis der Heizleiter der Heizstrom, so sind der Vergleichsstelle
1, 3 die zweiweggleichgerichteten Meßspannungen aus der Heizleiterspannung und aus
dem Heizstrom zugeführt. Die Meßspannungen sind gegenphasig geschaltet. Der Bewertungswiderstand
wird zuvor so groß eingestellt, daß bei 1, 3 die zwei Meßspannungen gleichgroße
Amplituden erhalten, wenn der Heizleiter 1 die gewünschte, stationäre Betriebstemperatur
hat. Wird im stationären Betrieb die Temperatur des Heizleiters höher als die gewünschte
Betriebstemperatur, so wird, weil der Widerstand des Heizleiters zunimmt, die Amplitude
der Meßspannung aus dem Heizstrom kleiner als die Amplitude der Meßspannung aus
der Heizleiterspannung. Der Operationsverstärker 4 in Integrationsschaltung steuert
dabei am Ausgang A zunehmendes Potential und es wird dadurch der Kollektorstrom
des Transistors T des Impulsgebers 7 verringert. Dabei wird die ladezeit des Zeitglieds
mit dem Kondensator C7 länger und der Steuerwinkel des Triacs 2 wird entsprechend
größer. Bei dem betreffenden Regelvorgang wird
die den Heizleitern
über den Triac zugeführte Leistung so weit verringert, bis die gewünschte Betriebstemperatur
wieder erreicht wird. Wird umgekehrt die Temperatur der Heizleiter niedriger als
die gewünschte Betriebstemperatur, so wird die Amplitude der Meßspannung aus dem
Heizstrom größer als die der Meßspannung aus der Heizleiterspannung, weil nun der
Widerstand des Heizleiters geringer wird. Der Operationsverstärker steuert dabei
abnehmendes Potential am Ausgang A, so daß der Steuerwinkel des Triacs kleie und
die zugeführte Leistung so weit erhöht wird, bis die gewünschte Temperatur wieder
erreicht wird.
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Am Differenzeingang des Operationsverstärkers 4 wird der zeitliche
Verlauf der Meßspannungsdifferenz U1 (t) - U3 (t) als Eingangsspannung Ue (t) erfaßt,
durch die der in Integrationsschltung verwendete Operationsverstärker so gesteuert
wird, daß am Verstärkerausgang A eine zeitlich veränderliche Gleichspannung UA (t)
auftritt. Diese stellt sich mit guter Näherung als Integral der Eingangsspannung
Ue (t) dar, durch die Beziehung.
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Das Stellglied Triac und nicht nur speziell dieses wird im Leerlaufbetrieb
aus Gründen der Regelungsstabilität zweckmäßig unter einem Steuerwinkel kleiner
als 180 Oel angesteuert. Hierfür wird eine Grundeinstellung des gesteuerten Ladewiderstandes
(Transistor T) im Impulsgeber 7 vorgesehen, indem mittels der Schaltung 5 ein bestimmtes
Steuerpotential im Steuerkanal des Operationsverstärkers 4 hinter der Diode D4 fest
vorgegeben wird. Das Potential ist ausreichend weniger positiv als bei A, so da,
die Diode D4 sperrt und den Ausgang A von 4 vom Potential abblockt. Der Übergang
in den stationären Heizbetrieb von dieser Leerlaufeinstellung ausgehend wird alsdann
durch den Operationsverstärker mit sinkendem Potential am Ausgang A gesteuert. An
der Verbindung der Dioden 1)4 und D5 wird
mittels des Spannungsteilers
Sp5 und des ohmschen Widerstandes R5 über die Diode D5 aus der geglätteten Betriebsgleichspannung
ein festes Potential so lange vorgegeben, als die Diode 1)4 und D6 gesperrt ist.
Wenn die Diode D4 nicht mehr sperrt, wird das Steuerpotential im Steuerkanal zum
Impulsgeber 7 vom Ausgang A her verändert vorgegeben, bis der Steuerwinkel des Triacs
2 an die stationäre, gewünschte Betriebstemperatur der Heizleiter hochgefahren ist.
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Die Höhe der Eingangsspannung am Regler ist vom Steuerwinkel des Triacs
2 mit abhängig. Um eine größere Regelgeschwindigkeit beim Einschalten des Heizstromes
zu erreichen, wird kurzseitig und vorübergehend der Spannungsteiler Sp6 mittels
des Kontaktes S an die Betriebsgleichspannung Ug ängeschaltet.
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Dadurch wird das Gleichspannungspotential an der Verbindung der Dioden
D4, D5 und D6 negativer, so daß die Dioden D4 und D5 sperren. Der Kondensator C
der Rückführung des Reglers 4 wird über die Dioden D8 oder Dg, ferner über R1 und
D6 und den Spannungsteiler Sp6 vorgegebene Gleichspannung geladen. Der Kontakt S
wird dann wieder geöffnet. Durch das Laden des Rückführungskondensators C hat der
Ausgang A des Reglers 4 das gleiche Gleichspannungspotential wie vorher der Abgriff
des Spannungsteilers Sp6 und die Diode D6 sperrt. Die Diode D4 ist in Durchlaßrichtung
geschaltet. Durch das Aufreißen des Reglers 4 ist am Vergleichspunkt 1, 3 sofort
eine größere Regelabweichung vorhanden, die vom Regler 4 entsprechend schneller
ausgeregelt wird.
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L e e r s e i t e