Herzlich Willkommen. Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristor- Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) Dipl.-Ing. Manfred Schleicher

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1 Herzlich Willkommen Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristor- Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) Dipl.-Ing. Manfred Schleicher

2 Inhalt Warum Leistungssteller? Unterscheid Thyristor-Leistungssteller / IPC-Leistungsumsetzer Impulsgruppenbetrieb (Thyristor-Leistungssteller) Phasenanschnittbetrieb (Thyristor-Leistungssteller) Amplitudenregelung (IGBT-Leistungsumsetzer) Funktionsprinzip IPC und Vorteile durch die stetige Leistungsabgabe Unterlagerte Regelungen Lastüberwachung Zündimpulsverriegelung Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Inbetriebnahme IPC 2

3 Warum Leistungssteller?

4 Warum Leistungssteller? Thyristorleistungsschalter stellen die günstigste Möglichkeit eines elektrischen Stellgliedes dar: 230 V 0/5 V 4

5 Warum Thyristorleistungssteller? In einigen Fällen muss die Verbraucherspannung schneller getaktet werden (bessere Regelgüte) In vielen Anwendungen sind Zusatzfunktionen Voraussetzung: - Strombegrenzungen - Überwachung der Heizelemente auf Maximaltemperatur - Energiemanagement etc % 0 5 kw 5

6 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPC-Leistungsumsetzer Impulsgruppenbetrieb (Thyristor-Leistungssteller)

7 Unterschied Thyristor-Leistungssteller/ IPC-Leistungsumsetzer Der wesentliche Unterschied der Steller/ Umsetzer ergibt sich durch die Betriebsarten 7

8 Thyristor-Leistungssteller Impulsgruppenbetrieb Der Steller schaltet im Impulsgruppenbetrieb die Netzspannung für den Prozentsatz des Reglerstellgrades auf die Last: 0 100% Beispiel 60% Stellgrad: der Steller schaltet 3 Netzspannungsvollwellen auf die Last und sperrt 2 Vollwellen: 8

9 Thyristor-Leistungssteller Impulsgruppenbetrieb Werksseitig arbeitet der Steller mit einer festen Taktzeit von 500 ms Weiterhin kann eine schnellst mögliche Taktzeit gewählt werden: Bei 50 Hz ist die Frequenzdauer einer Vollwelle 20 ms Im Fall von 60 % Stellgrad schaltet der Steller 3 Vollwellen ein (3 x 20 ms) und 2 Vollwellen aus (2 x 20 ms) 9

10 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPC- Leistungsumsetzer Phasenanschnittbetrieb (Thyristor-Leistungssteller)

11 Thyristor-Leistungssteller Phasenanschnittbetrieb Der Steller schaltet im Phasenanschnittbetrieb nur einen Teil der Netzspannungshalbwellen auf die Last: 0 100% Beispiel Ansteuerung mit einem Steuerwinkel von α=45 11

12 Thyristor-Leistungssteller Gegenüberstellen der Betriebsarten Impulsgruppenbetrieb Für schnelle Vorgänge Geringe EMV- Störungen da Schaltung im Nulldurchgang Es entsteht keine Blindleistung Im Fall von großen Verbrauchern schwankt beim Ein- und Ausschalten der Lastspannung die Beleuchtungsstärke (Flickereffekt) Phasenanschnittbetrieb Für sehr schnelle Vorgänge (bspw. Steuerung Lichtleistung) Großes Störpotential EMV (Oberwellen) Besonders bei großem Steuerwinkel großer Blindleistungsanteil kein Flickereffekt 12

13 Thyristor-Leistungssteller Gegenüberstellen der Betriebsarten Impulsgruppenbetrieb Im Fall von massearmen Heizelementen steigt während dem Einschalten der Lastspannung die Temperatur am Element. Ist die Lastspannung abgeschaltet, sinkt die Temperatur Phasenanschnittbetrieb Ein- und Ausschaltzeiten sehr kurz, dadurch weniger Stress für Heizelemente => Große Temperaturwechsel => Höhere Maximaltemperaturen => Stress für die Heizelemente => kürzere Standzeiten für Heizelemente 13

14 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPC- Leistungsumsetzer Amplitudenregelung (IGBT-Leistungsumsetzer)

15 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Umsetzer verfügt über eine Betriebsart, die Amplitudenregelung: Ohne Induktivität (Drossel) ist keine Funktion des Umsetzers möglich 0 100% Induktivität 15

16 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Steller verändert proportional zum Steuersignal die Amplitude der Lastspannung: Die Lastspannung verfügt über die gleiche Frequenz wie die Netzspannung, enthält jedoch nur positive Halbwellen 16

17 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Netzstrom hat ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf und die gleiche Phasenlage wie die Netzspannung: Gleiche Phasenlage bedeutet: dem Netz wird nur Wirkleistung entnommen! 17

18 Funktionsprinzip IPC und Vorteile durch die stetige Leistungsabgabe

19 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Funktionsprinzip Der eingezeichnete Schalter entspricht dem IGBT-Baustein. Durch hochfrequentes Ein- und Ausschalten des IGBT s wird an der Last eine Sinusspannung generiert 19

20 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Vorteile durch stetige Leistungsabgabe Thyristor-Leistungssteller geben in der Momentaufnahme die volle Leistung oder keine Leistung an die Heizelemente. Durch die Amplitudenregelung gibt der IPC eine gleichmäßige Leistung an die Elemente ab Es ergeben sich folgende Vorteile: Bei gleichem Steuersignal stellt sich eine stabile Temperatur der Heizelemente ein und die Maximaltemperatur ist geringer (weniger Stress für Elemente und meist bedeutend längere Standzeiten) Kein Flickereffekt wie beim Impulsgruppenbetrieb Durch gleichmäßige Leistungsaufnahme kleinere Anschlusswerte ausreichend (geringere Kosten an EVU) Bedeutend weniger EMV-Störungen als beim Phasenanschnittbetrieb Kein nennenswerter Blindleistungsanteil (siehe Phasenanschnittbetrieb) 20

21 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Kein Trafo bei Einsatz von Niedervolt Heizelementen Im Fall von Niedervolt Heizelementen muss bei der klassischen Arbeitsweise mit einem Transformator gearbeitet werden: L1 Primärstrom Sekundärstrom Ofen 230 VAC N 60 VAC Durch die Amplitudenregelung entfällt beim IPC der Transformator: L1 Drossel Ofen 230 VAC 60 VAC N 21

22 Unterlagerte Regelungen

23 Unterlagerte Regelungen U²-Regelung Werksseitig regeln die Steller das Quadrat der Lastspannung (U L ) proportional zum Steuersignal Auch bei schwankender Versorgungsspannung wird U 2 ausgeregelt. Bei konstantem Lastwiderstand R L wird prinzipiell die Leistung ausgeregelt: 2 U P = R L 23

24 Unterlagerte Regelungen U²-Regelung Sinnvoll ist die U² Regelung bei Heizelementen mit konstantem/ positivem Temperaturkoeffizienten (TK)* Der ohmsche Widerstand bei Heizelementen mit positivem TK ist im Kaltzustand gering und nimmt mit steigender Temperatur zu: Bei einigen Heizelementen resultiert aus dem geringen Kaltwiderstand ein unzulässig hoher Strom, in diesen Fällen findet die Strombegrenzung (Option I 2 - oder P-Regelung) Verwendung *konst. TK, z.b: Metall-Heizelemente; pos. TK, z.b. Molybdän-Heizelemente 24

25 Unterlagerte Regelungen Thyristor-Leistungssteller und IPC Beispiel TYA 201: Der gewünschte Maximalstrom ist einzustellen (nur im Phasenanschnittbetrieb, Steller mit den Typenzusätzen I² oder P notwendig) I max 25

26 Unterlagerte Regelungen U²-Regelung Unterstützende Wirkung auf den Regelkreis Wie bereits erwähnt, erhöhen Heizelemente mit positivem TK den Widerstand mit größer werdender Temperatur: Die Leistungssteller regeln am Ausgang das Quadrat der Spannung (U 2 ) proportional zum Einganssignal Die Temperatur steigt und damit der Widerstand Mit steigender(m) Temperatur(Widerstand) wird aufgrund von P=U 2 /R die Leistung reduziert (ein Überschwingen über den Sollwert wird unwahrscheinlicher) 26

27 Unterlagerte Regelungen I²-Regelung Werden die Steller auf I 2 -Regelung konfiguriert, regeln diese das Quadrat des Laststroms (I 2 ) proportional zum Eingangssignal: 27

28 Unterlagerte Regelungen I²-Regelung Unterstützende Wirkung auf den Regelkreis Die I 2 -Regelung ist bei Verwendung von Heizelementen mit negativem TK* sinnvoll Diese reduzieren bei größer werdender Temperatur ihren Widerstand Aus P=I 2 x R ist ersichtlich, dass bei steigender Temperatur automatisch die Leistung reduziert wird Entsprechend wird bei geringer werdender Temperatur die Leistung automatisch erhöht *neg. TK. z.b: Glas, Keramik und Graphit-Heizelemente 28

29 Unterlagerte Regelungen P-Regelung Einsatz für Alterungsausgleich Diverse Heizelemente verändern über ihre Lebenszeit sehr stark ihren Nennwiderstand (SIC-Heizelemente): Alterung Nennwiderstand (R N ) Bei Einsatz dieser Heizelemente findet die P-Regelung Verwendung 29

30 Lastüberwachung

31 Lastüberwachung Unterstromüberwachung Teillastbruchüberwachung (Unterstromüberwachung) findet Einsatz bei parallel geschalteten Heizelementen Bei Bruch eines Heizelementes sinkt der Laststrom Teillastbruch wird erkannt und signalisiert 31

32 Lastüberwachung Beispiel: Thyristorleistungssteller TYA201 Mit den Typenzusätzen I 2 - und P-Regelung steht die Funktion zur Verfügung Bei zu geringem Laststrom ( Lastbruch) spricht die Funktion an Einsatz findet diese Funktion bei Heizelementen mit konstantem TK Einstellung der Schaltschwelle: 32

33 Lastüberwachung Ermittlung Betriebsstrom durch Teach-In Mit Teach-In kann der Betriebsstrom für betriebsbereite Heizelemente bestimmt werden Die Messung kann beispielsweise manuell ausgelöst werden: Durchführung der Strombestimmung am Gerät im Handbetrieb: PGM PGM 33

34 Lastüberwachung Anzeige und Schalten des Ausgangs bei Teillastbruch Anzeige bei Abweichung des Stromes von -10 % (beispielhaft): Mit dem Lastfehler wird werksseitig der Binärausgang geschaltet: 34

35 Lastüberwachung Überstromüberwachung Die Lastüberwachung kann auf Überstrom erfolgen Diese Möglichkeit wird bei in Reihe geschalteten Heizelementen verwendet: Bei Kurzschluss eines Heizelementes steigt der Laststrom Teillastbruch wird erkannt und signalisiert 35

36 Zündimpulsverriegelung

37 Zündimpulsverriegelung Überstromüberwachung Mit einem externen Schalter kann die Leistung der Heizelemente abgeschaltet werden Auch mit aktiver Zündimpulsverriegelung ist die Last nicht Spannungsfrei! Spannungsversorgung abschalten! 37

38 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller

39 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Dimensionierung Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung der Steller: 39

40 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Elektrischer Anschluss TYA201 im Einphasensystem 40

41 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Minimalkonfiguration Verwendung Strom- oder Spannungseingang? Anzeige am Gerät: Impulsgruppen- oder Phasenanschnittbetrieb? - Stromeingang - U 2 -Regelung - Betriebsart: Phasenanschnitt Grundlagen Thyristorleistungssteller und Inbetriebnahme und IPC-Leistungsumsetzer JUMO-Thyristorleistungssteller / Grundlagen und Manfred IPC-Leistungsumsetzer/ Schleicher 41

42 Inbetriebnahme IPC

43 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss 0 20 ma + - Lastspannung Steuerspannung 43

44 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss In der vorherigen Abbildung sind unbedingt einzusetzende Netzfilter nicht eingezeichnet: 44

45 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Laststrom = P (Heizelemente) Lastspannung Nenn PNenn (Heizelemente) Netzstrom = + 2A(Verluste) Spannungsversorgung _ Leistungsteil 45

46 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung 46

47 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.