Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome

Transkript

1 Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome Allgemeine Grundlagen: - Thyristor Leistungssteller - IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) Manfred Schleicher

2 Warum Leistungssteller? 2

3 Warum Leistungssteller? Thyristorleistungsschalter stellen die günstigste Möglichkeit eines elektrischen Stellgliedes dar: 230 V 0/24 V 3

4 Warum Thyristorleistungssteller? In einigen Fällen muss die Verbraucherspannung schneller getaktet werden (bessere Regelgüte) In vielen Anwendungen sind Zusatzfunktionen Vorraussetzung: - Strombegrenzungen - Überwachung der Heizelemente auf Maximaltemperatur - Energiemanagement etc % 0 5 kw 4

5 Unterschied Thyristor Leistungssteller/ IPC-Leistungsumsetzer Der wesentliche Unterschied der Steller/ Umsetzer ergibt sich durch die Betriebsarten 5

6 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 die Netzspannung 3 Vollwellen auf die Last und sperrt 2 Vollwellen: 6

7 Thyristor Leistungssteller Impulsgruppenbetrieb Werksseitig schaltet der Steller mit einer festen Taktzeit von einer Sekunde 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) 7

8 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 8

9 Thyristor Leistungssteller Gegenüberstellung 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 9

10 Thyristor Leistungssteller Gegenüberstellung 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 => Große Temperaturwechsel => Höhere Maximaltemperaturen => Stress für die Heizelemente => kürzere Standzeiten für Heizelemente Phasenanschnittetrieb Ein- und Ausschaltzeiten sehr kurz, dadurch weniger Stress für Heizelemente 10

11 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Umsetzer verfügt über eine Betriebsart, die Amplitudenregelung: Ohne Induktivität (Drossel) ist keine Funktion des Umsetzers möglich 0 100% Induktivität 11

12 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 12

13 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Netzstrom hat ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf und die gleiche Phasenlage wie die Netzspannung: Aus der gleichen Phasenlage von Netzstrom und spannung ergibt sich, das dem Netz nur Wirkleistung entnommen wird! 13

14 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 14

15 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. Durch diesen Sachverhalt 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) 15

16 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 60 VAC N Durch die Amplitudenregelung entfällt beim IPC der Transformator: L1 Drossel Ofen 230 VAC 60 VAC N 16

17 Unterlagerte Regelung U 2 - 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: U P = 2 R L 17

18 Unterlagerte Regelung U 2 - Regelung Sinnvoll ist die U 2 Regelung bei Heizelementen mit positivem oder konstantem 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 18

19 Verwendung der Strombegrenzung Thyristor Leistungssteller und IPC Beispiel TYA 201: Der gewünschte Maximalstrom ist einzustellen (nur im Phasenanschnittbetrieb) I max 19

20 U 2 -Regelung Unterstützende Wirkung auf die Regelkreis Wie bereits erwähnt, erhöhen Heizelemente mit positivem TK den Widerstand mit größer werdender Temperatur: Die Leistungssteller regeln am Ausgang den Effektivwert 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) 20

21 I 2 -Regelung Werden die Steller auf I 2 Regelung konfiguriert, regeln diese den Effektivwert des Stroms (I 2 ) proportional zum Eingangssignal: 21

22 I 2 -Regelung Unterstützende Wirkung auf die 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 22

23 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 23

24 Lastüberwachung Unterstromüberwachung Teillastbruchüberwachung (Unterstromüberwachung) findet Einsatz bei parallel geschalteten Heizelementen Bei Bruch eines Heizelementes sinkt der Laststrom Teillastbruch wird erkannt und signalisiert 24

25 Lastüberwachung Beispiel Thyristorleistungssteller TYA 201 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: 25

26 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 26

27 Lastüberwachung Anzeige und Schalten Ausgang bei Teillastbruch Anzeige bei Abweichung des Stromes von -10 % (beispielhaft): Mit dem Lastfehler wird werksseitig der Binärausgang geschaltet: 27

28 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 28

29 Zündimpulsverriegelung Beispiel Thyristorleistungssteller Mit einem externen Schalter kann die Leistung der Heizelemente abgeschaltet werden Auch mit aktiver Zündimpulsverriegelung ist die Last nicht Spannungsfrei! Spannungsversorgung abschalten! 29

30 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Dimensionierung Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung der Steller: 30

31 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Elektrischer Anschluss TYA 201 im Einphasensystem 31

32 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Minimalkonfiguration Verwendung Strom- oder Spannungseingang? Anzeige am Gerät: Impulsgruppen- oder Phasenanschnittbetrieb? - Stromeingang - U 2 -Regelung - Betriebsart: Phasenanschnitt 32

33 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss 0 20 ma + - Lastspannung Steuerspannung 33

34 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss In der vorherigen Abbildung sind unbedingt einzusetzende Netzfilter nicht eingezeichnet: 34

35 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Laststrom = P (Heizelemente) Lastspannung Nenn PNenn (Heizelemente) Netzstrom = + 2A(Verluste) Spannungsversorgung _ Leistungsteil 35

36 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung 36

37 Auf Wiedersehen Au revoir Good Bye JUMO GmbH & Co. KG MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/ Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter: