[FBH/thermische Stellantriebe] (mal wieder) PWM-Zykluszeit kleiner als Öffnungszeit

[mmutz]

Ich möchte den Thread nicht kapern, daher eröffne ich einen neuen.

Auch wenn jetzt wieder alle selbsternannten Fachleute über mich herfallen: Drosselventile vor den Stellventilen (die vom Aktor angesteuert werden) voll öffnen, also weg mit der hydraulischen Abwürgerei. PID-Parameter des Reglers: P-Band mindestens 12 K, I-Zeit 60 Minuten. Anders ist die Regelung nicht stabil. PWM-Zykluszeit möglichst kurz, maximal 30 s. Wer es nicht glaubt: Sowas erfährt man in einem Ingenieurstudium in Elektrotechnik.

Ich habe die Erfahrung gemacht, dass Experten häufig nicht besonders gut erklären können, warum etwas richtig ist. Man muss sich dann Zeit nehmen, etwas zu verstehen, bevor man urteilt. Daher treiben mich rosebud's Kommentare seit Jahr und Tag um...

Darum hier nochmal der Versuch, dem Geheimnis auf die Spur zu kommen:

Jetzt kann man ja mal probieren, ob 1 Minute mit 100% reicht, um die Tempertur zu halten oder ob man doch lieber die Z ykluszeit auf 30 Minuten stelltund ggf die Zeit, wo der Stellantrieb geschlossen ist, dadurch verlängert. Das dürfte dann auch das Pulsen des Wärmeerzeugers verringern.

Das Ventil macht aber nicht erst bei 100% auf, sondern Du bekommst signifikanten Durchfluss auch schon bei weniger als 10%. Durch eine PWM-Zeit sehr viel kleiner als die Öffnungszeit des Antriebs führen alle Stellwerte < 50% zu einer Drift auf "zu" hin, alle Werte > 50% zu einer auf "offen" hin, letzteres ohne dass dabei das Ventil jemals komplett zu machte. 50% würden theoretisch die aktuelle Position (im Mittel) halten.

Anders ausgedrückt: mit einer solch kurzen PWM-Zykluszeit bedeuten die Stellwerte:

• < 50%: langsam zu machen (Geschwindigkeit < als Öffnungszeit, ungefähr proportional zum Abstand des Stellwertes von 50%). Im Limes dann: (fast) zu lassen, minimaler Durchfluss (außer bei exakt 0%)
• = 50%: alles passt, lass es wie's ist
• > 50%: langsam auf machen (Geschwindigkeit > als Öffnungszeit, ungefähr proportional zum Abstand des Stellwertes von 50%). Im Limes dann: (fast) auf lassen (minimale Minderung des Durchflusses, außer bei exakt 100%)

In gewisser Weise ergibt sich also eine Glättung und Verstetigung des Durchflusses gegenüber längeren PWM-Zyklen. Insb., wenn man noch die Totzeit des Antriebs mit betachtet, die leider anscheinend kaum in Datenblättern angegeben ist. Im Limes gegen viele PWM-Zyklen ergibt sich jedoch auch eine Art 2-Punkt Regelung, da der Regler wahrscheinlich nicht so schnell reagiert, dass er die Drift zu vollständig offen bzw. geschlossen verhindert. Ob das schlimm ist, kann ich nicht sagen. Es ist jedoch eine interessante Idee, die man vielleicht doch mal empirisch ausprobieren sollte. Im MDT-Handbuch findet sich dazu auch eine Grafik. Leider fallen die MDT-Aktoren dafür aus, da sie nur min. 1min haben.

Da hier die Ventile tendenziell nur dann geschlossen sind, wenn wirklich kaum/kein Heizbedarf ansteht, gehe ich, anders als spassbird oben, davon aus, dass sich diese Art der Ansteuerung besser mit Niedertemperatur-Wärmeerzeugern verträgt als das ständige komplette Zumachen bei einer langen Zykluszeit.

Die Frage ist nun, ob es dadurch auch bei trägen FBH zu einer besseren Regelung kommt. Lt. MDT-Handbuch ist das bei Heizkörpern bereits der Fall. Dazu kann ich leider nichts beisteuern. Die Antwort interessiert mich jedoch sehr.

Einen potenziellen Nachteil sehe ich noch: da die absolute Anzahl an PWM-Zyklen zunimmt, müsste auch die Stromaufnahme im Mittel zunehmen, da der Einschaltstrom öfter anliegt (beim Alpha-5 z.B. bis zu 550mA/100ms statt der nominalen 4mA (Daten vom baugleichen BJE 6164/10-102)).

[Uwe!]

Das Ventil macht aber nicht erst bei 100% auf, sondern Du bekommst signifikanten Durchfluss auch schon bei weniger als 10%. Durch eine PWM-Zeit sehr viel kleiner als die Öffnungszeit des Antriebs führen alle Stellwerte < 50% zu einer Drift auf "zu" hin, alle Werte > 50% zu einer auf "offen" hin, letzteres ohne dass dabei das Ventil jemals komplett zu machte. 50% würden theoretisch die aktuelle Position (im Mittel) halten.

Sicher?

Die Theorie hinter "Zykluszeit so kurz wie möglich" ist ja eine ganz andere! Das Ventil soll in einer "Mittelstellung" gehalten werden. Also ganz platt bei 10% PWM-Signal, soll das Ventil auch ungefähr (wird natürlich nie richtig stimmen) dauerhaft zu 10% offen sein.

Wie kommst Du drauf, dass bei PWM 45% das Ventil nach x Minuten auf jedenfalls komplett zu sein wird?

[mmutz]

Das Ventil soll in einer "Mittelstellung" gehalten werden.

Das hat mir auch einen Knoten im Kopf erzeugt. Daher habe ich mal nachgedacht, was eine kurze Zykulszeit tatsächlich bedeutet.

Dabei bin ich von einer linearen Bewegung ausgegangen. Ausgehend von der 10%-Stellung, bei konstanten 10% Stellwert ergibt sich für 30sek Zykluszeit, 0s Totzeit (Vereinfachung) und 300s Öffnungszeit, folgendes Verhalten:

Die 10% Stellwert bedeuten dann 3s "Strom an", 27s "Strom aus". 3s "Strom an" bedeuten 1% (3s von 300s) Verfahrweg in Richtung offen. 27s "Strom aus" bedeuten 9% (27s von 300s) Verfahrweg in Richtung geschlossen.

1. Stellantrieb ist 10% auf
2. 3s an → 11% auf
3. 27s aus → 2% auf
4. 3s an → 3% auf
5. 27s aus → zu (Sättigung)
6. 3s an -> 1% auf
7. 27s auf -> zu
8. goto 6

Dasselbe ergibt sich für alle Stellwerte < 50%. Andersherum ergeben alle Werte > 50% eine Drift nach "offen" hin, gefolgt von einer periodischen minimalen Auslenkung in Richtung schließen (die Schleife in 6..8).

Niemals wird man so eine dem Stellwert proportionale Öffnung des Ventils hinbekommen. Sehr wohl aber eine Glättung des Durchflusses ohne zwischenzeitliches "Abwürgen" des Wärmeerzeugers durch alle Ventile zufällig zu, trotz im Mittel z.B. 80% Heizanforderung.

[Uwe!]

Du denkst zu kompliziert! Glaube ich jedenfalls.

Die normalen Antriebe sind je Thermoelemente. Die fahren weder linear noch direkt korrelierend mit der "Strom-AN-Zeit".
Der Strom erwärmt eine Flüssigkeit, irgend ein Öl vermute ich, dass sich dann ausdehnt und die Bewegung erzeugt.

Die Frage ist also welche Temperatur=Ausdehnung hat die Flüssigkiet bei z.B. 10Sek AN und 20Sek AUS. Sie wird jedenfalls eine konstante Temperatur haben und nicht zu Raumtemperatur driften. Also wird auch das Ventil dauerhaft etwas offen sein.

Die Frage ist eher, ab wann, also wie viel PWM das Ventil warm genug wird, damit es zumindest etwas offen ist.

[mmutz]

Du denkst zu kompliziert!

Dann wohl eher zu einfach

Thermoelemente. Die fahren weder linear noch direkt korrelierend mit der "Strom-AN-Zeit".

Solange keiner eine gegenteilige Kurve postet, ist Linearität das einzig sinnvolle Modell. Ich zitiere Haustechnikdialog:

Bei der stromlos geschlossenen Ausführung (NC) wird bei dem Anlegen der Betriebsspannung das Ausdehnungssystem des Stellantriebes beheizt. Nach Ablauf der Totzeit erfolgt der gleichmäßige Öffnungsvorgang. Bei einer Spannungsunterbrechung schließt der Stellantrieb nach Ablauf der Totzeit durch Abkühlung des Ausdehnungssystems.
Bei der stromlos offenenen Ausführung (NO) arbeite das Prinzip genau entgegengesetzt.

Siehe auch Grafiken im Danfoss-Handbuch, welches zusätzlich in Tod- und Verharrzeit unterscheidet.

[Uwe!]

aber das Zitat bestätigt doch genau was ich sage. Strom erwärmt etwas, das etwas dehnt sich aus und bewegt das Ventil. Wenn ich in der Schule richtig aufgepasst hab, bedeutet wärmer=stärker ausgedehnt.

Also kann das Ventil bei gleichem PWM nicht in eine Endlage driften.

[mmutz]

aber das Zitat bestätigt doch genau was ich sage. Strom erwärmt etwas, das etwas dehnt sich aus und bewegt das Ventil. Wenn ich in der Schule richtig aufgepasst hab, bedeutet wärmer=stärker ausgedehnt.

Die Grafiken sprechen eine andere Sprache, ebenso das "gleichmäßig" in dem genannten Zitat.

Übrigens gibt es proportionale Stellventile nicht nur in motorisch, sondern auch in thermisch: https://www.moehlenhoff.de/images/co...LT_DEU_web.pdf

Die halten dann den gegebenen Stellwert. Aber für die braucht man Analog-, nicht Heizungsaktoren.

[Uwe!]

Die Grafiken sprechen eine andere Sprache, ebenso das "gleichmäßig" in dem genannten Zitat.

Die Grafiken sind eine ganz einfache schematische Darstellung, die den Fall "Zykluszeit=30 Sek." ganz sicher nicht berücksichtigt und sprechen daher gar keine Sprache.
Auch in das "gleichmäßig" kann ICH nichts hilfreiches rein interpretieren.

Denk doch einfach mal ganz logisch drüber nach.
Tun wir mal so, als wenn das Thermoelement ein Topf mit Wasser auf dem Herd ist. Wir nehmen einen Gasherd, also ohne Verzögerung und ohne Speichermasse.

Was Du behauptest würde bedeuten, dass das Wasser, selbst wenn es schon 50°C hatte, bei 10 Sek volle Leistung und dann 20 Sek. aus im laufe der Zeit wieder auf Zimmertemperatur abkühlen würde. Das ist doch völlig unlogisch. Wo geht denn die Energie der 10 Sek volle Leistung hin? Es MUSS doch zumindest ETWAS wärmer bleiben, als Zimmertemperatur. Und es wird gemittelt bei einer bestimmten Temperatur verharren, die > Zimmertemperatur ist.

[cobrito]

Interessante Diskussion. Uwe, der Haken an deinem Vergleich ist, dass der Herd auf Vollgas wesentlich mehr Energie ins Wasser einbringt, als die Abkühlung durch die Zimmertemperatur liefert. Bei gleicher Wärme-Entzugsenergie wird sich auch das Wasser in deinem Vergleich so wie von Marc beschrieben verhalten.

Nun wird ein thermischer Stellantrieb nicht maßgeblich von der Umgebungswärme abgekühlt und damit zurück gefahren, sondern eine Feder wirkt der Ausdehnung entgegen. Ich würde auch davon ausgehen, dass die Rückstellkraft der Feder auf die Ausdehnung abgestimmt ist, sodass ein annähernd linearer Verlauf in beide Richtungen erreicht wird.

Für mich ist Marcs These also nachvollziehbar.

[Gast1961]

Hat jemand einen Stellantrieb und Aktor zur Hand, um das experimentell zu prüfen? Also mit Aktoransteuerung aus der ETS direkt mit dem Stellwert, ohne Regler dazwischen? Wenn der Stellantrieb auf dem Tisch liegt sind auch externe Einflüsse wie Drift durch Erwärmung durch die Vorlauftemperatur ausgeschlossen. Die resultierende Ventilstellung kann man bei Möhlenhoff am Farbring ziemlich gut erkennen.

[mmutz]

Ich gehe anhand der Beschreibung im Moment davon aus, dass am Anfang, in der Totzeit, die Energie aufgewendet wird, um den Stößel ans Bewegen zu bekommen. Dann fährt die Leistung ja runter, um eine gleichmäßige Bewegung zu erzeugen. Dafür spricht auch, dass der 230V-Antrieb die volle Leistung nur für 100ms zieht, der 24V-Antrieb jedoch für 2min. Das ist zwar geraten, aber (für mich) plausibel.

Um in dem Vergleich mit der Herdplatte zu bleiben: Ankochen auf voller Stufe, dann runterschalten - es kocht weiter.

[Uwe!]

der Haken an deinem Vergleich ist, dass der Herd auf Vollgas wesentlich mehr Energie ins Wasser einbringt, als die Abkühlung durch die Zimmertemperatur liefert.

Das ist beim Stellantrieb nicht anders!

Nun wird ein thermischer Stellantrieb nicht maßgeblich von der Umgebungswärme abgekühlt

Nein? Von was denn dann? Ist ein kleiner Kühlschrank eingebaut? (sorry, ich werde sarkastisch)

dass am Anfang, in der Totzeit, die Energie aufgewendet wird, um den Stößel ans Bewegen zu bekommen.

Was bringt Dich zu der Vermutung? Ich sehe keinen Beleg dafür.

Dann fährt die Leistung ja runter, um eine gleichmäßige Bewegung zu erzeugen.

gleiche Frage hier.
Schau Dir doch mal das Bild auf Deinem Haustechnikdialog an. Welche Schaltung soll denn die Leistung da aktiv reduzieren? Das ist einfach ein PTC dessen Widerstand mit zunehmender Temperatur steigt, so dass er sich nicht überhitzen kann.

Hat jemand einen Stellantrieb und Aktor zur Hand, um das experimentell zu prüfen?

ja bitte, macht das! Alle logischen Erklärungen scheinen euch ja nicht wirklich zu überzeugen.

[mmutz]

Warum so fanatisch? Komm mal runter und erkläre, wie Deiner Meinung nach der Stellantrieb in Schwebe gehalten werden kann. Also mathematisch-physikalisch. Für mich sieht es so aus, als argumentiertest Du, dass ein Kegel stabil auf seiner Spitze stehen könne. Klar kann er das, aber die kleinste Störung wird ihn umfallen lassen. Ein solch labiles System ist ein Stellantrieb auch.

[uncletom]

Das System "thermischer Stellantrieb" ist doch kein sonderlich kompliziertes. Ein Heizelement erhitzt einen Stoff, der sich unter Wärme ausdehnt und dabei einen Stößel bewegt. Eine Feder sorgt dafür, dass bei Abkühlen eine sichere Rückkehr in die Ausgangslage gewährleistet ist. Der Grad der Bewegung entspricht der Ausdehnung des Stoffes (eine Flüssigkeit?). Die Ausdehnung ist eine Funktion der Temperatur dieses Stoffes. Mithilfe einer gepulsten Ansteuerung kann diese Temperatur nun beeinflusst werden. Die mittlere Temperatur ergibt sich aus dem PWM-Verhältnis, wenn die Trägheit des Systems über der Zykluszeit der PWM liegt. Ob ein Ventil dabei stabil auf einem exakten Punkt in der Schwebe gehalten werden kann, wäre zu bezweifeln, ist aber für den Anwendungsfall auch total irrelevant. Was ein nicht von der Hand zu weisender Fakt ist, ist, dass der Fall "Therme läuft, alle Ventile aber gleichzeitig zu" nicht eintritt, so dass ich über die letzten 14 Jahre, die das bei mir so läuft, feststellen konnte, dass die Therme gleichmäßiger durchlaufen kann. Außerdem können durch diese "teilgeöffneten" Stellventile sicher Schwächen im hydraulischen Abgleich kaschiert werden. Ob das sinnvoll ist, muss jeder selbst entscheiden. Wenn Auslegung oder Unterlagen zum Heizsystem fehlen sicher ein probates Mittel, um mit überschaubaren Mitteln Linderung herbeizuführen.
@mmutz: Geht es Dir um die Theorie, die Du im Detail verstehen möchtest, oder hast Du ein konkretes Problem, von dem Du wissen möchtest, ob eine bestimmte Lösung funktioniert??

Gruß,
Lars

[BadSmiley]

Das System "thermischer Stellantrieb" ist doch kein sonderlich kompliziertes. Ein Heizelement erhitzt einen Stoff, der sich unter Wärme ausdehnt und dabei einen Stößel bewegt. Eine Feder sorgt dafür, dass bei Abkühlen eine sichere Rückkehr in die Ausgangslage gewährleistet ist.

Bei NO Antrieben wäre ich ja bei dir, aber bei NC?