Thyristor-Leistungssteller Grundlagen und Tipps für den Praktiker Manfred Schleicher Winfried Schneider Bemerkung Diese Broschüre wurde nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Für mögliche Irrtümer übernehmen wir keine Gewähr. Maßgebend sind in jedem Fall die Betriebsanleitungen zu den entsprechenden Geräten.
Vorwort Als Leistungssteller werden in der Industrie elektronische Geräte bezeichnet, mit welchen man Leistung beziehungsweise Strom oder Spannung variabel stellen kann. Typischerweise handelt es sich dabei um Thyristor-Leistungssteller. Typische Anwendungen sind allgemein da zu finden, wo elektrische Leistung variiert werden muss, diese aber letztlich in thermische Energie umgewandelt wird. So werden Leistungssteller unter anderem im Industrieofenbau oder der Kunststoffverarbeitung eingesetzt. JUMO ist bereits seit Jahren ein kompetenter Partner der Industrie, wenn es um Thyristor-Leistungssteller geht. Mit den Geräten der TYA 200-Serie werden Produkte zum Betrieb von allen elektrischen Heizelementen angeboten. Eine möglichst einfache Inbetriebnahme und Handhabung stand im Mittelpunkt des Entwicklungskonzepts. Sehr viele Standardanwendungen mit Leistungsstellern sind relativ einfach zu handhaben. Im Einzelfall müssen je nach Stellerlast für eine zielführende Konfiguration jedoch zahlreiche Punkte berücksichtigt werden. Themen wie Unterlagerte Regelung, Strombegrenzung, Limitierung der maximalen Heizelementtemperatur, Reduzierung von Spitzenlasten im System spielen dabei eine wichtige Rolle. Deshalb ist dieses Fachbuch ein effektiver und wichtiger Ratgeber, um für jeden Anwendungsfall die richtige Entscheidung zu treffen. Es vermittelt wichtige allgemeine Grundlagen zu Thyristor-Leistungsstellern und im speziellen zur TYA 200-Serie. Darüber hinaus gibt es nützliche Hilfestellungen für den praktischen Einsatz der Geräte im Hinblick auf Dimensionierung, Anschluss und Konfiguration. Die vorliegende Neuauflage wurde grundlegend überarbeitet und ergänzt und bietet so einen umfassenden Einblick in die komplette Thematik. Fulda, im Januar 2016 Dipl.-Ing. (FH) Manfred Schleicher Dipl.-Ing. (FH) Winfried Schneider JUMO GmbH & Co. KG Moritz-Juchheim-Straße 1 36039 Fulda, Germany Telefon: +49 661 6003-396 Telefax: +49 661 6003-500 E-Mail: manfred.schleicher@jumo.net Internet: www.jumo.net Nachdruck mit Quellennachweis gestattet! Teilenummer: 00398728 Buchnummer: FAS 620 Druckdatum: 2016-01-04 ISBN: 978-3-935742-04-7
Inhalt 1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller... 5 1.1 Thyristor-Leistungsschalter... 5 1.2 Thyristor-Leistungssteller... 6 2 Thyristor-Leistungssteller... 7 2.1 Betriebsarten... 9 2.1.1 Impulsgruppenbetrieb... 9 2.1.2 Phasenanschnittbetrieb... 10 2.2 Kombinierte Verwendung von Impulsgruppen- und Phasenanschnittbetrieb... 12 2.2.1 Softstart... 12 2.2.2 Umschaltung auf Phasenanschnittbetrieb über Binäreingang... 14 2.2.3 Impulsgruppenbetrieb mit -Start... 15 3 Unterlagerte Regelung... 17 3.1 U 2 -Regelung... 18 3.2 I 2 -Regelung... 19 3.3 P-Regelung... 20 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme... 21 4.1 Dimensionierung... 21 4.2 Auswahl der Stellereigenschaften hinsichtlich des Heizelementes... 21 4.3 Anschluss im Einphasenbetrieb Phase/N und Phase/Phase... 22 4.3.1 Konfiguration... 24 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203... 25 5.1 Handbetrieb... 25 5.2 Lastüberwachung... 25 5.3 Widerstandsbegrenzung (R-Control)... 27 5.4 Zündimpulsverriegelung... 28 5.5 Duales Energiemanagement... 28 5.6 Netzspannungseinbruchüberwachung... 29 5.7 Halbwellensteuerung für Vibrationsantriebe... 29 5.8 Anbindung über Schnittstellen... 30 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem... 33 6.1 JUMO TYA 202 Thyristor-Leistungssteller zur Ansteuerung von ohmsch-induktiven Lasten in Drehstrom-Sparschaltung... 34 6.2 JUMO TYA 203 Dreiphasen-Thyristor-Leistungssteller... 36 7 Literaturverzeichnis... 41 Thyristor-Leistungssteller
Inhalt Thyristor-Leistungssteller
1.1 Thyristor-Leistungsschalter 1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller Für das Heizen mit elektrischer Energie bieten Thyristor-Leistungsschalter eine kostenoptimierte Lösung hinsichtlich der Beschaffung. Die Stellglieder werden durch eine Gleichspannung angsteuert und schalten die Versorgungsspannung auf das Heizsystem beziehungsweise sperren diese: Kompaktregler JUMO dtron 304 Thyristor- Leistungsschalter L1 N DC 0/5 V Heizelement Abbildung 1: Thyristor-Leistungsschalter mit Regler und Heizelement Der Kompaktregler arbeitet bei Ansteuerung des Thyristor-Leistungsschalters als sogenannter Zweipunktregler. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller 5
1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller 1.2 Thyristor-Leistungssteller In vielen Anwendungen ist der Einsatz von Thyristor-Leistungsstellern erforderlich. Die Gründe sind vielfältig, wie beipielsweise das Ziel der höheren Regelgüte durch die schnellere Taktung und die Kompensation von Netzspannungsschwankungen. Weiterhin ermöglichen eine Strombegrenzung und die Überwachung der Heizelementetemperatur den sicheren Betrieb der Heizelemente. Das Energiemanagement reduziert die Spitzenlast im System. w Spannungsversorgung - x Regler y R Thyristor- Leistungssteller y Ofen Sensor Abbildung 2: Schema eines Thyristor-Leistungsstellers im geschlossenen Regelkreis Der Thyristor-Leistungssteller erhält von einem stetigen Regler den Stellgrad y R (0 bis 100 %) in der Regel als Stromsignal 4 bis 20 ma und führt proportional zu diesem Signal die elektrische Leistung (Stellgrad y) in das Heizsystem. Der Thyristor-Leistungssteller wird mit Wechselspannung versorgt. 6 1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
2 Thyristor-Leistungssteller Abbildung 3 zeigt die lieferbaren JUMO Thyristor-Leistungssteller für den Einphasen- und den Dreiphasenbetrieb: Abbildung 3: Thyristor-Leistungssteller TYA 201 (Einphasenbetrieb), TYA 202 (Dreiphasenbetrieb in Drehstromsparschaltung) und TYA 203 (Dreiphasenbetrieb) Auch in Thyristor-Leistungsstellern werden Thyristoren als Schaltglieder verwendet: Anode Gate U AK Kathode Abbildung 4: Schaltzeichen des Thyristors mit Spannung U AK in Schaltrichtung Nach Ansteuern des Gates mit einer positiven Spannung gegenüber der Katode (Abbildung 4) wird die Strecke Anode Kathode niederohmig, man spricht vom Zünden des Thyristors. Ein Löschen über den Steueranschluss (Gate) ist nicht möglich. Erst wenn der von der Anode in Richtung Kathode fließende Strom einen Minimalwert, den Haltestrom, unterschreitet, sperrt er wieder. In Wechselstromkreisen passiert dies, wenn der Strom nach jeder Halbwelle der Netzperiode durch Null geht. Im niederohmigen Zustand fällt zwischen Anode und Kathode die sogenannte Durchlassspannung von 1 V bis 1.2 V ab. Die dadurch entstehende Verlustleistung ist der Stromstärke proportional und heizt den Thyristor auf. Im gesperrten, hochohmigen Zustand fließt über den Thyristor immer noch ein sogenannter Sperrstrom. Er beträgt beispielsweise 20 ma bei einem Thyristor mit einem Nennstrom von 100 A. Wie in Kapitel 1 Thyristor-Leistungsschalter und -steller, Seite 5, erwähnt, kommt der Thyristor in Wechselstromkreisen als kontaktloser Schalter zum Einsatz. Er schaltet den Strom jedoch nur in Richtung der Kathode. Zum Schalten von Wechselströmen sind deshalb zwei Thyristoren in Antiparallelschaltung notwendig (siehe auch Abbildung 1). JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 2 Thyristor-Leistungssteller 7
2 Thyristor-Leistungssteller Thyristor-Leistungssteller enthalten neben den Thyristoren eine Steuerelektronik (Abbildung 5): L1 N/L2 L1 N/L2 Regler Steuerlektronik Thyristor-Leistungssteller Heizelement Abbildung 5: Prinzip Thyristor-Leistungssteller mit Steuerelektronik und Thyristoren, Regler und Heizelement Der Regler liefert den Reglerstellgrad (0 bis 100 %) als stetiges Signal (beispielsweise 4 bis 20 ma). Entsprechend schaltet der Steller die Versorgungsspannung für einen Prozentsatz der Zeit auf das Heizelement. Die Leistung am Heizelement wird prozentual zum Reglerstellgrad gesteuert. 8 2 Thyristor-Leistungssteller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
2.1 Betriebsarten 2 Thyristor-Leistungssteller Der Thyristor-Leistungssteller arbeitet im Impulsgruppen- oder im Phasenanschnittbetrieb. 2.1.1 Impulsgruppenbetrieb Im Impulsgruppenbetrieb werden komplette Sinuszüge der Netzspannung durchgeschaltet beziehungsweise gesperrt. U Last t Abbildung 6: Impulsgruppenbetrieb Lastspannung ---- Netzspannung Abbildung 6 zeigt die Sinuszüge des Netzspannungsverlaufs (üblicherweise 50 Hz). Im Beispiel wird vom Thyristor-Leistungssteller eine Leistung von 60 % gefordert: 3 Netzspannungsvollwellen werden auf die Last geschaltet während 2 Vollwellen gesperrt werden. Den Heizelementen wird 60 % der Zeit die Versorgungsspannung aufgeschaltet, es ergibt sich eine Leistung von 60 % des Maximalwertes. Werkseitig werden die Thyristoren in einer definierten Zeit einmal ein- und ausgeschaltet (typisch 500 ms). Der Zeitraum wird als Taktzeit bezeichnet und kann auch variabel eingestellt werden. Im zweiten Fall schalten die Steller möglichst häufig. Die Thyristoren werden im Nulldurchgang gezündet und es werden nur vollständige Sinuszüge durchgeschaltet. Durch diesen Sachverhalt entstehen weder Oberwellen noch Blindleistung. Kapitel 2.1.2 Phasenanschnittbetrieb, Seite 10 Nachteilig an dieser sonst unproblematischen Betriebsart sind die entstehenden Spannungsschwankungen, welche bei einem zu schwach ausgelegten Netz auftreten können. Dieser als Spannungsflicker bezeichnete Sachverhalt bewirkt bei am gleichen Netz angeschlossenen Beleuchtungsanlagen unangenehme Leuchtdichteschwankungen. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 2 Thyristor-Leistungssteller 9
2 Thyristor-Leistungssteller 2.1.2 Phasenanschnittbetrieb Im Phasenanschnittbetrieb werden die Thyristoren während jeder Halbwelle gezündet. Die schnelle Taktung schafft die Voraussetzung für eine konstante Temperaturregelung in extrem schnellen Systemen. Als Beispiel sei die Trocknung von Printmedien mit Infrarotstrahlern genannt. Weiterhin ist in der Betriebsart eine Strombegrenzung möglich, diese ist insbesondere bei Heizelementen mit geringem Kaltwiderstand erforderlich. U Last a = 45 wt I Last a = 45 wt Abbildung 7: Strom- und Spannungsverlauf bei Ansteuerung einer ohmschen Last im Phasenanschnittbetrieb Man bezeichnet den Winkel zwischen dem Nulldurchgang der Netzspannung und dem Zünden der Thyristoren als Phasenanschnitt- oder Steuerwinkel el (alpha elektrisch). Bei = 0 el liegt Vollaussteuerung vor, d. h. die Netzspannung liegt als vollständige Sinuszüge am Verbraucher an. Im Gegensatz dazu fällt bei = 180 el keine Spannung am Lastwiderstand ab. Der Steuerwinkel wird variiert, in der Abbildung sind die Verhältnisse für = 45 el dargestellt: zu diesem Zeitpunkt werden die Thyristoren jeweils gezündet und die Netzspannung der Last aufgeschaltet. Die Betriebsart findet weiterhin Verwendung in Beleuchtungsanlagen, in Galvaniken und bei Trafolasten (Betrieb von Niedervolt-Heizelementen über einen Transformator). Weitere Informationen zum Betrieb von Trafolasten sind in Kapitel 2.2.3 Impulsgruppenbetrieb mit -Start, Seite 15, nachzulesen. Ein Nachteil dieser Betriebsart ist die Verursachung von HF-Störungen durch Oberwellen. Die Oberwellen entstehen durch den steilen Flankenanstieg der angeschnittenen Netzspannungshalbwellen. Dieser Sachverhalt erfordert in der Regel den Einsatz von Entstörfiltern: Zur Vermeidung von Funkstörungen müssen elektrische Betriebsmittel und Anlagen funkentstört sein. Die Steuerelektronik des Thyristor-Leistungsstellers entspricht den EMV-Anforderungen EN 61326. Baueinheiten, wie Thyristor-Leistungssteller haben jedoch für sich alleine keinen Verwendungszweck. Sie erfüllen eine Teilfunktion einer Anlage. Gegebenenfalls muss darüberhinaus der ganze Lastkreis des Leistungsstellers mit geeigneten Filtern durch den Errichter der Anlage entsprechend entstört werden. 10 2 Thyristor-Leistungssteller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
2 Thyristor-Leistungssteller Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Entstehung von Blindleistung auch bei ohmscher Last. Sie wird allein durch die Phasenanschnittsteuerung hervorgerufen und folglich als Steuerblindleistung bezeichnet. a) U Netz wt b) I Netz /I Last wt c) Grundschwingung I Netz /I Last wt Abbildung 8: Erklärung der Steuerblindleistung Abbildung 8 a) zeigt den Netzspannungs- und Abbildung 8 b) den Netz- oder Laststromverlauf. Die Stromhalbwellen entsprechen einer Grundschwingung mit 50 Hz und Oberwellen mit Frequenzen eines Vielfachen von 50 Hz. Die Grundschwingung des Netzstromes (Abbildung 8 c)) ist um den Winkel von der Netzspannung verschoben. Der Strom im Netz eilt der Netzspannung nach, es entsteht Blindleistung. Der so genannte Steuerblindleistungsanteil steigt mit größer werdendem Steuerwinkel. Der Betrieb von entsprechend großen Anlagen macht die Verwendung von Blindleistungskompensationsanlagen erforderlich. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 2 Thyristor-Leistungssteller 11
2 Thyristor-Leistungssteller 2.2 Kombinierte Verwendung von Impulsgruppenund Phasenanschnittbetrieb In JUMO Thyristor-Leistungsstellern existieren verschiedene Möglichkeiten, den Impulsgruppen- und Phasenanschnittbetrieb zu kombinieren. Die Variationen werden in diesem Kapitel vorgestellt. 2.2.1 Softstart Generell findet die Funktion Softstart Einsatz, wo Systeme beim Anheizen nicht sofort mit voller Leistung betrieben werden sollen. Bei einem Stellgradsprung durch den Regler von 0 % auf maximal 100 % beginnt der Steller mit einer Leistung von 0 % und erhöht diese über die Softstartdauer bis auf den geforderten Wert: y R y w t t - x Regler y R Elektrischer Leistungssteller y Ofen Sensor Abbildung 9: Anheizen des Systems - Regler fordert hohen Stellgrad y R Der Softstart hilft bei Heizelementen mit sehr geringem Kaltwiderstand. Bei Aufschalten vollständiger Netzspannungsvollwellen würden in diesem Betriebspunkt unzulässig hohe Ströme entstehen. Bei Elementen mit PTC-Verhalten erhöht sich mit der Temperatur der Elementwiderstand. Allgemein kann der Steller auch bei diesen Elementen im Impulsgruppenbetrieb arbeiten, wird dann aber mit der Funktion Softstart durch Phasenanschnitt betrieben. Mit der Stellgraderhöhung erfolgt die Ansteuerung im Phasenanschnitt über die Softstartzeit. Durch die großen Steuerwinkel entstehen auch im kalten Zustand der Heizelemente keine unzulässig hohen Lastströme. Die Heizelemente werden während des Softstarts aufgeheizt und durch den höheren Elementewiderstand führt die dann erhöhte Lastspannung nicht mehr zu unzulässig hohen Lastströmen. Nach dem Softstart befindet sich der Steller im Impulsgruppenbetrieb: U Last Softstart t Abbildung 10: Impulsgruppenbetrieb mit Softstart durch Phasenanschnitt 12 2 Thyristor-Leistungssteller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
2 Thyristor-Leistungssteller In Abbildung 10 wird der Phasenanschnittbetrieb nur während der Zeit der kalten Heizelemente benötigt. Entsprechend müssen auch nur für diesen Zeitraum die Nachteile des Phasenanschnittbetrieb in Kauf genommen werden (EMV-Störungen, Blindleistung etc.). Während des Softstarts kann bei Bedarf eine Strombegrenzung Verwendung finden. Wird der eingestellte Laststromgrenzwert erreicht, erfolgt keine weitere Verkleinerung des Steuerwinkels. Der Steller verharrt im Softstart, bis der Grenzwert wieder unterschritten ist. Der Softstart ist auch mit Impulsgruppenbetrieb möglich: U Taktzeit t Abbildung 11: Lastspannung im Impulsgruppenbetrieb bei Softstart durch Impulsgruppen Während der Softstartzeit wird das Ein-/Ausschaltverhältnis über die Taktzeit von 0 bis auf maximal 100 % erhöht. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 2 Thyristor-Leistungssteller 13
2 Thyristor-Leistungssteller Einstellungen zum Softstart im Konfigurationsprogramm des Thyristor-Leistungsstellers TYA: Abbildung 12: Einstellungen im Konfigurationsprogramm des Thyristor-Leistungsstellers TYA 2.2.2 Umschaltung auf Phasenanschnittbetrieb über Binäreingang Die Steller können über die Aktivierung eines Binärsignals in den Phasenanschnittbetrieb geschaltet werden. Eine übergeordnete Steuerung muss dann bei Erforderlichkeit die Umschaltung in den Phasenanschnittbetrieb vornehmen (beispielsweise, wenn sich die Heizelemente noch nicht auf Betriebstemperatur befinden und somit eine Strombegrenzung notwendig ist). 14 2 Thyristor-Leistungssteller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
2.2.3 Impulsgruppenbetrieb mit -Start 2 Thyristor-Leistungssteller Entspricht die Nennspannung der Heizelemente nicht der Versorgungsspannung, wird die durch den Thyristor-Leistungssteller getaktete Netzspannung einem Transformator aufgeschaltet. Die Ausgangsspannung des Stellers wird auf die Nennspannung der Niedervolt-Heizelemente transformiert. Endsprechend ist der Stellerstrom (Primärstrom) kleiner als der Heizelementstrom (Sekundärstrom). L1 Primärstrom Sekundärstrom AC 230 V N AC 60 V Ofen Abbildung 13: Versorgung von Niedervolt-Heizelementen über einen Transformator (Trafolast) JUMO Thyristor-Leistungssteller können Heizelemente über Transformatoren mit einer Nenninduktion von 1,2 Tesla betreiben. Eine gängige Betriebsart für Trafoansteuerungen ist der Phasenanschnittbetrieb. Wo es möglich ist, kann man jedoch die Vorteile des Impulsgruppenbetriebes nutzen (keine Blindleistung, geringes Störpotenzial). Durch das Schalten im Nulldurchgang kommt es bei Trafolasten jedoch zum sogenannten Rush-Effekt : Das Eisen des Transformators gelangt in die magnetische Sättigung, wodurch der Primärstrom im wesentlichen nur noch durch den ohmschen Anteil der Primärwicklung begrenzt wird. Der Einschaltstrom kann dabei Werte bis zum 50-fachen des Nennstromes betragen. Dem Rush-Effekt kann im Impulsgruppenbetrieb durch den Anschnitt der ersten Halbwelle entgegen gewirkt werden ( -Start). Um eine optimale Anpassung an den verwendeten Transformator zu erzielen, kann der Ansteuerwinkel für die erste Halbwelle eines jeden Impulspaketes eingestellt werden ( -Start = 0 el bis 90 ). U Last Start t Abbildung 14: Impulsgruppenbetrieb mit -Start Bei Trafolasten empfiehlt sich die Verwendung einer festen Taktzeit. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 2 Thyristor-Leistungssteller 15
2 Thyristor-Leistungssteller 16 2 Thyristor-Leistungssteller JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
3 Unterlagerte Regelung w Spannungsversorgung - x Regler y R Elektrischer Leistungssteller y Strecke Sensor Unterlagerte Regelung Abbildung 15: Thyristor-Leistungssteller mit unterlagerter Regelung Die Steller variieren die elektrische Leistung proportional zum Stellgrad des Reglers (y R ) und unterliegen selbst Netzspannungsschwankungen. Ohne eine unterlagerte Regelung erfordern Netzspannungsschwankungen den Eingriff des Reglers. Der Regler variiert seinen Stellgrad jedoch erst mit der Veränderung der Prozesstemperatur. Die Folge: Ohne unterlagerte Regelung entstehen bei Änderungen der Netzspannung temporäre Regelabweichungen. Durch die unterlagerte Regelung wird die geforderte Leistung auch bei Netzschwankungen konstant gehalten. Es existieren drei unterschiedliche Arten der unterlagerten Regelung: U 2 -Regelung I 2 -Regelung P-Regelung Alle unterlagerten Regelungen verfolgen primär das Ziel der Kompensation von Netzschwankungen. Die unterlagerten Regelungen wirken sich weiterhin positiv auf das Regelverhalten aus. Die Art der unterlagerten Regelung ist unter anderem in Abhängigkeit des verwendeten Heizelementes zu wählen. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 3 Unterlagerte Regelung 17
3 Unterlagerte Regelung 3.1 U 2 -Regelung Bei Anwendung der U 2 -Regelung regelt der Steller das Quadrat der Lastspannung proportional zum geforderten Reglerstellgrad. Bei konstantem Lastwiderstand ist das Quadrat der Lastspannung proportional der Leistung, es wird in diesem Fall die Leistung ausgeregelt: P = U 2 ------ R Die U 2 -Regelung findet zum Beispiel bei Heizelementen mit positivem Temperaturkoeffizienten Verwendung: R P P = U2 R R P Temperatur Abbildung 16: Element mit positivem Temperaturkoeffizient: Widerstand und abgegebene Leistung in Abhängigkeit der Temperatur Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand der Elemente zu. Aus P = U 2 / R wird deutlich, dass bei steigendem Widerstand (oder steigender Temperatur) die Leistung des Heizelementes auch bei gleich bleibender Lastspannung reduziert wird. Dieser Effekt wirkt sich unterstützend auf die Regelung aus: Steigt die Prozesstemperatur in Richtung des eingestellten Sollwertes, wird die dem Prozess zugeführte Leistung geringer (bei gleicher Lastspannung). Allein durch die Wahl der unterlagerten Regelung (hier U 2 ) geschieht das Anfahren an den Sollwert gedämpft. Das Prinzip hilft, ein Überschwingen der Temperatur über den Sollwert zu vermeiden. Erfolgt durch eine Störung die Abkühlung der Elemente, ergibt sich bei geringerer Temperatur eine höhere Leistung. Die unterlagerte U 2 -Regelung hilft, die Temperatur wieder zu erhöhen. Bei geringem Kaltwiderstand der Elemente (Abbildung 16) benötigt der Steller für den Anfahrvorgang eine Strombegrenzung. 18 3 Unterlagerte Regelung JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten sind: Kanthal-Super Infrarotstrahler Wolfram Molybdän Platin 3 Unterlagerte Regelung Weitere Anwendungen für die U 2 -Regelung: Beleuchtungsanlagen: hier ist die Lichtstärke proportional zu U 2 Widerstandsmaterialien mit einem TK von ungefähr 1; dazu gehören Heizelemente aus Nickel/Chrom, Konstantan usw. 3.2 I 2 -Regelung Die Stromregelung (I 2 -Regelung) erweist sich als vorteilhaft bei Heizelementen mit negativem TK. Bei diesen reduziert sich der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur. R P P R Temperatur Abbildung 17: Element mit negativem Temperaturkoeffizient: Widerstand und abgegebene Leistung in Abhängigkeit der Temperatur Bei diesen Elementen erzielt man durch die Leistungsbeziehung P = I 2 R JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 3 Unterlagerte Regelung 19
3 Unterlagerte Regelung ebenfalls den bei der U 2 -Regelung beschriebenen Effekt. Bei konstantem Strom wird mit steigender Temperatur die Leistung reduziert. Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten weisen beispielsweise Nichtmetalle, wie Grafit oder Glasschmelzen, auf. Im zweiten Fall wird der elektrische Strom direkt durch die Glasschmelze geführt und von dieser in Wärmeenergie umgewandelt. Die I 2 -Regelung kommt weiterhin zum Einsatz, wo generell der Laststrom geregelt wird. Dies ist beispielsweise in Galvaniken der Fall. 3.3 P-Regelung Bei der Leistungsregelung (P-Regelung) wird stets das Produkt aus P = U I ausgeregelt. Ein typisches Einsatzgebiet sind zum Beispiel SIC-Heizelemente (Siliziumkarbid) mit Langzeitalterung und gleichzeitig temperaturabhängiger Widerstandsänderung, siehe Abbildung 18. 20 3 Unterlagerte Regelung JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
4.1 Dimensionierung 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung eines Thyristor-Leistungsstellers: Der Laststrom und die Lastspannung. JUMO liefert Steller für maximale Lastströme von 20 bis 250 A. Die lieferbaren Lastspannungen liegen im Bereich von 24 bis 500 V. 4.2 Auswahl der Stellereigenschaften hinsichtlich des Heizelementes Gebräuchliche Heizelemente, welche durch Thyristor-Leistungssteller angesteuert werden, sind Infrarotstrahler, Molybdändisilizid-Heizelemente und SIC-Heizelemente. Weiterhin werden Niedervoltheizelemente über Transformatoren betrieben. Das Kapitel gibt Informationen über die notwendigen Stellereigenschaften. Infrarotstrahler erwärmen verschiedenste Materialien kontaktlos. Die Wärmestrahlung ist als elektromagnetische Strahlung so schnell wie Licht und der Energietransfer erfolgt somit unmittelbar nach dem Einschalten. Je nach Wellenlänge der emittierten Strahlung wird zwischen Kurz-, Mittelund Langwellenstrahlern unterschieden. Die kurzwelligen Strahler verfügen über ein hohes Warm-/ Kaltwiderstandsverhältnis. Bei den anderen beiden Strahlertypen ist das Verhältnis kleiner und erreicht einen Wert bis zu 1. Aufgrund des Temperaturkoeffizienten von 1 kommt als unterlagerte Regelungsart U 2 zum Einsatz. Häufig findet die Softstartfunktion Verwendung, aufgrund des geringen Kaltwiderstandes ist bei den kurzwelligen Strahlern die Strombegrenzung notwendig. Molybdändisilizid-Heizelemente (zum Beispiel Kanthal-Super) verfügen über einen großen positiven Temperaturkoeffizienten. Die U 2 -Regelung kommt zum Einsatz, aufgrund des sehr geringen Kaltwiderstandes ist eine Strombegrenzung unumgänglich. Die Softstartfunktion findet häufig Verwendung. Die Heizelemente sind sehr empfindlich hinsichtlich Überhitzung, deshalb erfolgt die Begrenzung der Einsatztemperatur mit der Funktion R-Control, siehe Kapitel 5.3 Widerstandsbegrenzung (R-Control), Seite 27. Siliziumcarbid-Heizelemente (SIC-Heizelemente) verfügen bei geringeren Temperaturen über einen negativen Temperaturkoeffizienten und bei höheren Temperaturen über einen positiven Temperaturkoeffizienten. Aufgrund dieses Verhaltens kommt die P-Regelung zum Einsatz. R bis 4 R N Alterung Nennwiderstand (R ) N Abbildung 18: Temperaturverhalten eines SIC-Heizelementes Für eine wirksame Teillastbruchüberwachung wird vom Steller über die Teach-In-Funktion (Kapitel 5.2 Lastüberwachung, Seite 25) der Laststrom im Gut-Zustand bestimmt. Um die Alterung mit ein- JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme 21
1 2 3 4 5 6 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme zubeziehen, wird bei diesen Elementen Teach-In jede Minute wiederholt. Aufgrund des Alterungsverhalten muss über die Lebenszeit der Heizelemente die Lastspannung erhöht werden, deshalb werden SIC-Heizelemente üblicherweise über Transformatoren betrieben. Beim Betrieb von Heizelementen über Transformatoren kann sowohl der Impulsgruppenbetrieb als auch der Phasenanschnittbetrieb Verwendung finden. Im Impulsgruppenbetrieb wird mit -Start die erste Halbwelle angeschnitten. Hinsichtlich der unterlagerten Regelung und dem Einsatz der Strombegrenzung orientiert man sich an dem angeschlossenen Heizelement. 4.3 Anschluss im Einphasenbetrieb Phase/N und Phase/Phase Abbildung 19 zeigt den generellen Anschluss eines Thyristor-Leistungsstellers vom Typ TYA 201 (vereinfachtes Anschlussbild). Vorgabe Stellgrad L1 N PE Sollwerteingänge: Sicherung für Leitungsschutz U N 0(4)... 20 ma + - 0(1)... 5 V, 0(2)... 10 V - + I L Halbleitersicherung Versorgung Lastkreis Versorgung Steuerelektronik N/L2 V L1 U2 U1 Sicherung für Steuerelektronik 2A I Thy Last Abbildung 19: Verdrahtung Einphasenbetrieb Phase/N 22 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme Für die Vorgabe des Reglerstellgrades stehen ein Spannungs- und ein Stromeingang zur Verfügung. Im Beispiel kommt der Stromeingang zum Einsatz, 0/4 bis 20 ma entsprechen 0 bis 100 % Stellgrad. Die Steuerelektronik wird ebenfalls mit der Nennspannung der Heizelemente (Lastkreis) beaufschlagt es ist keine weitere Spannungsversorgung notwendig. Anstelle des Anschlusses L1/N kann der Umsetzer auch zwischen zwei Phasen (L1/L2) angeschlossen werden Selbsterklärend erfolgt dann der Einsatz eines Stellers mit der entsprechend höheren Leiterspannung. Die dargestellte Halbleitersicherung (Abbildung 20) ist zum Schutz des Thyristormoduls eingebaut und kann bei Bedarf ausgewechselt werden. Abbildung 20: Halbleitersicherung JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme 23
4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme Die Tabelle gibt eine Übersicht für die Dimensionierung des einphasigen Stellers TYA 201. Anschlussart Phase/N Phase/Phase Lastnennspannung Thyristorsteller U N 3~/N/400/230 V 230 V 400 V Formel für Thyristorstellerstrom I S P -------------------------------------- Gesamtnenn/Last U N P = I Gesamtnenn/Last S = -------------------------------------- 3~/N/400/230 V I S (A) = 4,35 P Gesamtnenn/Last (kw) I S (A) = 2,5 P Gesamtnenn/Last (kw) U L U L Formel für maximale Leistung U N I S U L I S P max bei 3~/N/400/230 V und I S = 150 A 34 kw 60 kw Tabelle 1: Dimensionierung des einphasigen Stellers 4.3.1 Konfiguration Die Konfiguration kann über die Gerätefront oder ein komfortables Setup-Programm erfolgen. Für typische Anwendungen sind lediglich folgende Parameter einzustellen: Stellgradsignal vom Regler: Signalart: Betriebsart: Unterlagerte Regelung: Strom, Spannung 0 bis 20 ma, 4 bis 20 ma, 0 bis 10 V, 2 bis 10 V Impulsgruppenbetrieb, Phasenanschnittbetrieb U 2, I 2, P Bei Verwendung von Heizelementen mit positivem TK und geringem Kaltwiderstand (Abbildung 16) findet die Strombegrenzung Verwendung. Der maximal zulässige Strom wird eingestellt. 24 4 Dimensionierung/Betriebsart/Inbetriebnahme JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 Dieses Kapitel beschreibt hilfreiche Funktionen der Thyristor-Leistungssteller. 5.1 Handbetrieb Im Handbetrieb wird über die Gerätefront des Stellers ein Stellgrad vorgegeben. Es erfolgt keine Einbeziehung des Reglersignals. Diese Funktion ist hilfreich bei der Inbetriebnahme oder bei Servicearbeiten. Lastspannung Laststrom Abbildung 21: Thyristor-Leistungssteller im Handbetrieb 5.2 Lastüberwachung Die Lastüberwachung überwacht mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Heizelemente auf Bruch oder Kurzschluss. Die Überwachung parallel geschalteter Heizelemente geschieht über eine Unterstromüberwachung. Bruchstelle Parallele Lastwiderstände Abbildung 22: Parallel geschaltete Heizelemente Ohne die Überwachung und Signalisierung wird bei der unterlagerten U 2 -Regelung mit jedem gebrochenen Heizelement die Heizleistung geringer. Unter Umständen werden gebrochene Elemente nicht vom Anwender erkannt. Letztlich ist die Anlage nicht mehr funktionstüchtig und im Extremfall kann durch ein weiteres gebrochenes Heizelement ein Prozess nicht mehr abgeschlossen werden. Bei Nutzung der P- oder I 2 -Regelung versucht der Steller, die geforderte Leistung (oder den geforderten Strom) mit den verbleibenden Heizelementen zu realisieren. Die verbleibenden Heizelemente werden stark belastet und die Standzeit verkürzt. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 25
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 Ein Kurzschluss in Reihe geschalteter Heizelemente wird durch eine Überstromüberwachung erkannt. Abbildung 23: In Reihe geschaltete Heizelemente Ohne die Überwachung und Signalisierung würde bei Verwendung der I 2 -Regelung mit jedem kurzgeschlossenen Heizelement die Gesamtleistung für die Anlage geringer. Bei der P- und U 2 -Regelung würde mit jedem kurzgeschlossenen Heizelement die Leistung beziehungsweise die Lastspannung an den verbleibenden Heizelementen größer und diese würden noch mehr belastet. Für die Lastüberwachung müssen am Steller/Umsetzer die korrekten Lastverhältnisse und der Grenzwert eingestellt werden. Der Grenzwert für die Stromänderung ergibt sich aus der Anzahl der Elemente und der Schaltungsart (Einphasenbetrieb, Dreiphasenbetrieb in Stern- oder Dreieckschaltung). Die korrekten Lastverhältnisse können bei den Thyristor-Leistungsstellern TYA 201/202/203 sehr einfach mit der Funktion Teach-In bestimmt werden. Nach einem manuellen Teach-In über die Gerätefront, werden die korrekten Lastverhältnisse der Anlage gespeichert. Ausgehend von diesem Zustand werden die Laständerungen unabhängig vom geforderten Stellgrad ständig beobachtet. Bei Bruch oder Kurzschluss eines Heizelementes verringert oder vergrößert sich der Laststrom. Dies wird von der Lastüberwachung erkannt und ein Lastfehler signalisiert. 26 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 5.3 Widerstandsbegrenzung (R-Control) Die Funktion begrenzt die abgegebene Leistung in Abhängigkeit der Temperatur von Molybdändisilizid-Heizelementen und vermeidet deren Überhitzung. Widerstand [Ohm] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Elementtemperatur [ C] Abbildung 24: Widerstand eines Molybdändisilizid-Heizelementes in Abhängigkeit der Elementtemperatur Für die Funktion wird am Steller der Lastwiderstand eingegeben, welcher bei der maximal zulässigen Temperatur am Element vorliegt. Bei Erreichen des eingestellten Lastwiderstandes reduziert der Steller die abgegebene Leistung, das Heizelement ist vor Überhitzung geschützt. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 27
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 5.4 Zündimpulsverriegelung Der binäre Eingang Zündimpulsverriegelung schaltet den Ausgang des Stellers leistungsfrei. Für die Herstellung der Spannungsfreiheit muss den Stellern generell ein Schütz- oder Hauptschalter vorgeschaltet werden, andernfalls fließt über die Halbleiterbauelemente ein minimaler Sperrstrom. 5.5 Duales Energiemanagement Das Duale Energiemanagement reduziert bei einem Gesamtstellgrad von maximal 100 % die Stromspitzen im System. Die Reduzierung erfolgt auch bei unsymmetrischer Verteilung der Stellgrade von zum Beispiel 30 % und 70 %. Zur Erklärung werden zwei Steller betrachtet (Steller 1 und Steller 2). Steller 1 arbeitet mit einem Stellgrad von 20 % (zum Beispiel 2 kw), Steller 2 wird ein Stellgrad von 60 % (zum Beispiel 6 kw) abverlangt. Beide Steller betreiben jeweils ein Element mit einer Nennleistung von 10 kw. Steller 1 Ofen Benötigte Leistung: 2 kw Nennleistung: 10 kw L1 AC 230 V N Steller 2 Ofen Benötigte Leistung: 6 kw Nennleistung: 10 kw AC 230 V L1 N Abbildung 25: Reduzierte Stromspitzen bei Einsatz des Dualen Energiemanagement und einem Gesamtstellgrad 100 % Die beiden Anlagen benötigen eine durchschnittliche Gesamtleistung von 8 kw. Schalten die Steller die Netzspannung gleichzeitig auf die Last, wird dem Netz eine Leistung von 20 kw entnommen. Bei Betrieb von mindestens zwei Stellern werden die Geräte in 2er-Gruppen aufgeteilt. Innerhalb einer Gruppe muss ein TYA-Steller als Gerät 1 und der andere TYA-Steller als Gerät 2 konfiguriert werden. Die Geräte müssen an der gleichen Phase angeschlossen werden und im Impulsgruppenbetrieb mit einer festen Taktzeit von 500 ms arbeiten. 28 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 I Thy1 Gerät 1 t I Thy2 Gerät 2 t I Netz Summe der Ströme im Netz 0ms 250 ms 500 ms 750 ms 1 s t Abbildung 26: Netzstrom bei Dualem Energiemanagement Die beiden Steller schalten zeitlich versetzt ein. Von den gestrichelten Linien ausgehend erfolgt die Energieausbreitung symmetrisch nach links und rechts (siehe Pfeile). Solange der Summenstellgrad der beiden Geräte kleiner/gleich 100 % ist, werden Überlappungen der beiden Geräteströme in einer Phase vermieden (Netzstrom = I Thy1 oder I Thy2 ). Erst ab einem Summenstellgrad über 100 % entstehen Stromspitzen (Netzstrom = I Thy1 + I Thy2 ). Mit dem Energiemanagement werden dem Netz im Beispiel bis zu 10 kw entnommen, ohne Energiemanagement wären es bis zu 20 kw. 5.6 Netzspannungseinbruchüberwachung Die Netzspannungseinbruchüberwachung kommt bei Trafolasten zum Einsatz und überwacht die Netzspannung auf Symmetrie. Ein Gleichanteil in der Primärwicklung des Transformators führt zu einem hohen Laststrom und zerstört ab einer bestimmten Größe die Halbleitersicherung des Thyristor-Leistungsstellers. Differieren die Effektivwerte der analysierten Halbwellen um mehr als 10 %, wird eine Alarmmeldung angezeigt und der Binärausgang für Sammelalarm schaltet. Die sofortige Zündimpulsverriegelung verhindert das Zerstören der Halbleitersicherung. Liegen keine Netzspannungseinbrüche mehr vor, wird die Zündimpulsverriegelung (Inhibit) aufgehoben und der Steller setzt seine Arbeit zum Beispiel mit Softstart fort. 5.7 Halbwellensteuerung für Vibrationsantriebe In Fertigungsprozessen werden durch Vibration beispielsweise Produktstaus aufgelöst, Verstopfungen vermieden oder Förderrinnen angetrieben. Die benötigten elektrischen Vibrationsantriebe werden durch den Thyristor-Leistungssteller in der Halbwellensteuerung aktiviert. Durch Variation des Steuerwinkels kann die Intensität der Vibration gesteuert werden. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 29
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 5.8 Anbindung über Schnittstellen Die Anbindung von Stellern der Serie TYA 201/202/203 kann jederzeit über analoge beziehungsweise binäre Signale erfolgen. Es stehen zur Verfügung: jeweils ein Strom- und ein Spannungseingang zur Vorgabe des Stellgrades ein Universalausgang (0/4 bis 20 ma, 0/2 bis 10 V) zur Signalisierung, zum Beispiel der Leistung drei Binäreingänge zur Aktivierung unterschiedlicher Funktionen ein Relaisausgang zur Meldung von Störungen Zur Anbindung der Steller an ein Mastersystem stehen unterschiedliche Schnittstellen zur Verfügung. Beispiele für Mastersysteme sind: Prozessleitsysteme Visualisierungssoftwareprodukte speicherprogrammierbare Steuerungen Über die Schnittstellen erfolgt die Abfrage von relevanten Prozessgrößen vom Mastersystem beziehungsweise die Ansteuerung des Stellers (zum Beispiel Vorgabe des Stellgrades). Serielle Schnittstellen (RS485 und RS422) bieten die Hardware für die Datenübertragung, als Übertragungsprotokoll wird Modbus-RTU verwendet. Die RS485-Schnittstelle kommt üblicherweise in Verbindung mit einer Prozessvisualisierungssoftware, einem Leitsystem oder für die Kommunikation zwischen Feldgeräten zum Einsatz. Eine Zweidrahtleitung verbindet bis zu 32 Teilnehmer über eine Distanz von 1200 m miteinander. Abbildung 27: Kommunikation eines Zweikanal-Prozess- und Programmreglers DICON touch mit zwei Thyristor-Leistungsstellern Die RS485-Schnittstelle des Zweikanal-Prozessreglers in Abbildung 27 arbeitet als so genannte Modbus-Master-Schnittstelle. Über die Schnittstelle werden beispielsweise die Stellgrade an die 30 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 Steller übertragen. Die RS422-Schnittstelle bietet sehr ähnliche Möglichkeiten, die Schnittstelle nutzt jedoch zwei Leitungspaare für die Datenübertragung. Über PROFIBUS-DP werden üblicherweise Feldgeräte an eine SPS angebunden. Die SPS tauscht alle benötigten Prozessgrößen mit den Feldgeräten aus. Zur Einrichtung der Kommunikation ist die sogenannte GSD-Datei des jeweiligen Feldgerätes notwendig. Nach einem Import dieser Datei in die Konfigurationssoftware der SPS, steht das Feldgerät in der Software zur Verfügung. Durch die GSD-Datei werden die zu übertragenden Prozessgrößen definiert. Zur Erstellung der Datei bietet JUMO den GSD-Generator an: Abbildung 28: GSD-Generator zur Erstellung der GSD-Datei Der GSD-Generator bietet eine Vielzahl von Variablen. Für den jeweiligen Einsatzfall erfolgt die Auswahl der Parameter, welche vom Steller zur SPS (Eingang SPS) oder von der SPS zum Feldgerät (Ausgang SPS) übertragen werden sollen. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 31
5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 32 5 Funktionen der Thyristor-Leistungssteller TYA 201/202/203 JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem Dieses Kapitel gibt Hinweise zum Einsatz der Steller für Drehstromsysteme (TYA 202 und TYA 203). Die folgende Abbildung gibt eine einleitende Erklärung zu den Kenngrößen im Dreiphasennetz: I L U L L1 L2 U N L3 N I S I Last Abbildung 29: Die Kenngrößen im Dreiphasennetz U N : Strangspannung (Spannung zwischen einem Außen- und Nullleiter) U L : Leiterspannung (Spannung zwischen zwei Außenleitern) I L : Strom im Außenleiter I S : Strom über den Steller I Last : Laststrom Bemerkung: In einem Dreiphasennetz 3~/N/400/230 V beträgt die Leiterspannung 400 V und die Strangspannung 230 V. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 33
6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 6.1 JUMO TYA 202 Thyristor-Leistungssteller zur Ansteuerung von ohmsch-induktiven Lasten in Drehstrom-Sparschaltung Der TYA 202 schaltet zwei Phasen und betreibt somit Verbraucher im Dreiphasensystem ohne Mittelpunkt. Die Last (Stern oder Dreieck) wird an Phase 1 und 3, jeweils über einen Thyristor, betrieben. Phase 2 wird direkt an die Last gelegt (Abbildung 31). Unabhängig davon, ob die Last in Stern oder Dreieck geschaltet ist, müssen die Thyristor- Leistungssteller für die Leiterspannung ausgelegt sein. Der Impulsgruppenbetrieb findet Verwendung, für Trafolasten ist auch der Softstart möglich. Der Steller arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Der Master übernimmt die Steuerung des Systems und taktet synchron den Slave. Die Verbindung der beiden Komponenten erfolgt über ein Patch-Kabel. Die Konfiguration wird über die Gerätefront des Masters beziehungsweise über dessen USB-Schnittstelle vorgenommen. Abbildung 30: JUMO TYA 202 Thyristor-Leistungssteller zur Ansteuerung von ohmsch-induktiven Lasten in Drehstrom-Sparschaltung 34 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
1 1 2 3 2 3 4 4 5 6 5 6 7 7 8 9 8 9 1 1 8 8 13 14 15 13 14 15 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem U L U N ohmsche Last Stern ohmsche Last Dreieck U Thy I = Thy = U Sollwerteingänge: L P ges 0(4)...20mA - + = P ges 3 U N 3 U L 10 1112 N/L2 Halbleitersicherung Halbleitersicherung V P Relais Ö S L1 1:1 Patchkabel Optokoppler U2 C E U1 10 1112 N/L2 V L1 U2 U1 Sicherungen für Leitungsschutz Sicherung für Steuerelektronik von 2 A bis max. 5 A I L Trafolast Stern I = Thy I L I Thy Abbildung 31: Anschluss des TYA 202 in Drehstromsparschaltung in Stern oder Dreieck Der Stellerstrom ergibt sich aus: I Thy P ges = ---------------- = 3 U N P ges ------------------- 3 U L Die Formel gilt für den Anschluss der Lasten in Stern- oder Dreieckschaltung bei symmetrischer Lastverteilung. JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 35
6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 6.2 JUMO TYA 203 Dreiphasen-Thyristor-Leistungssteller Der Dreiphasen-Thyristor-Leistungssteller verfügt ebenfalls über einen Master, schaltet aber mit diesem und zwei Slaves alle drei Phasen im Drehstromsystem. Auch hier dienen wieder Patch-Kabel zur Verbindung zwischen Master und Slaves. Abbildung 32: JUMO TYA 203 Dreiphasen-Thyristor-Leistungssteller 36 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
1 7 1 7 4 4 5 5 6 6 1 1 8 8 1 8 1 7 4 5 6 1 8 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem Der Dreileiteranschluss ergibt sich analog zum TYA 202, jedoch werden drei Phasen geschaltet: TYA 203 Laststrom 32 A bis 250 A L1 L2 L3 N PE Master Slave 1 Slave 2 U L U N ohmsche Last Dreieck Sollwerteingänge: 0(4) bis 20 ma - + Optokoppler N/L2 V E C L1 Relais S 2 3 Ö P 13 14 15 10 1112 8 9 U2 U1 Lüfter nur bei 250 A N/L2 V L1 2 3 13 14 15 1:1 Patchkabel 10 1112 8 9 U2 U1 Lüfter nur bei 250 A N/L2 V Halbleitersicherung Halbleitersicherung Halbleitersicherung L1 2 3 13 14 15 10 1112 8 9 U2 U1 Lüfter nur bei 250 A Sicherungen für Leitungsschutz *N je nach Anwendung mit N-Leiter (4-Leiterschaltung) I L ohmsche Last Stern Sicherung für Steuerelektronik von 2 A bis max. 5 A I Thy *N je nach Anwendung mit N-Leiter (4-Leiterschaltung) Abbildung 33: Anschluss des TYA 203 in Stern oder Dreieck (Dreileiterschaltung), bei Bedarf in der Sternschaltung mit N-Leiter (Vierleiterschaltung) Durch das Schalten von drei Phasen ist mit dem Steller neben dem Impulsgruppenbetrieb auch der Phasenanschnittbetrieb möglich. Die Steller sind auf die Leiterspannung auszulegen. Die Formel für den Stellerstrom lautet wie die für die Drehstromsparschaltung: I Thy P ges = ---------------- = 3 U N P ges ------------------- 3 U L Die Formel gilt für den Anschluss der Lasten in Stern- oder Dreieckschaltung bei symmetrischer Lastverteilung. Die so genannte offene Dreieckschaltung kann Verwendung finden, wenn die beiden Anschlüsse jeder Last für den elektrischen Anschluss zur Verfügung stehen. Die Schaltungsart wird auch als Sechsleiterschaltung bezeichnet: JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 37
1 7 1 7 4 4 5 5 6 6 1 1 8 8 1 8 1 7 4 5 6 1 8 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem TYA 203 Laststrom 32 A bis 250 A L1 L2 L3 N PE Master Slave 1 Slave 2 U L U N Optokoppler E C Relais S P Ö 13 14 15 Lüfter nur bei 250 A 13 14 15 1:1 Patchkabel Lüfter nur bei 250 A 13 14 15 Lüfter nur bei 250 A Sicherungen für Leitungsschutz Sollwerteingänge: I L 0(4) bis 20 ma - + 2 3 10 1112 8 9 2 3 10 1112 8 9 2 3 10 1112 8 9 Halbleitersicherung Halbleitersicherung Halbleitersicherung N/L2 V L1 U2 U1 N/L2 V L1 U2 U1 N/L2 V L1 U2 U1 Sicherung für Steuerelektronik von 2 A bis max. 5 A I Thy Last Abbildung 34: Anschluss des TYA 203 in der offenen Dreieckschaltung Die Steller sind auf die Leiterspannung auszulegen. Der Stellerstrom fällt niedriger aus als der in der Dreileiterschaltung und ergibt sich bei symmetrischer Lastverteilung zu: I Thy P ges = --------------- = 3 U L P ges -------------------- 3 U N 38 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem Die Tabelle gibt eine Übersicht für die Dimensionierung der Steller im Dreiphasensystem TYA 202/ 203: Stern-/Dreieck- Sparschaltung Dreileiterschaltung a Vierleiterschaltung a Sechsleiterschaltung a JUMO-Steller TYA 202 beziehungsweise TYA 203 Lastnennspannung Thyristorsteller TYA 203 TYA 203 U L U L U L 3~/N/400/230 V 400 V 400 V 400 V Formel für Thyristorstellerstrom I S P Gesamtnenn/Last P = -------------------------------------- I 3 U S = -------------------------------------- Gesamtnenn/Last N 3 U L 3~/N/400/230 V I S (A) = 1,45 P Gesamtnenn/Last (kw) I S (A) = 0,83 P Gesamtnenn/Last (kw) Formel für maximale Leistung P max bei 3~/N/400/230 V und I S = 150 A 3 U N I S 3 U L I S 103 kw 180 kw a bei symmetrischer Lastverteilung Tabelle 2: Dimensionierung von Thyristor-Leistungsstellern im Dreiphasensystem JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 39
6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem 40 6 Die Thyristor-Leistungssteller im Drehstromsystem JUMO, FAS 620, Ausgabe 2016-01-04
7 Literaturverzeichnis [1] F. Blasinger, Thyristorsteller: Das perfekte Stellorgan für elektrische Heizungen; elektrowärme international 50 (1992) B3 [2] K. Heumann, Grundlagen der Leistungselektronik; Teubner 1989 [3] M. Burmeister, Thyristor-Steller: Technik und Anwendung; Firmenschrift der JUMO GmbH & Co. KG, Fulda, 1990 [4] K. Heumann, C. Stumpe, Thyristoren: Eigenschaften und Anwendungen; Teubner 1974 [5] W. Keuter, Das Stellen und Schalten von Wechselgrößen; Hüthig-Verlag 1982 JUMO, FAS 620, Ausgabe 2015-05-18 7 Literaturverzeichnis 41
7 Literaturverzeichnis 42 7 Literaturverzeichnis JUMO, FAS 620, Ausgabe 2015-05-18
Fachliteratur von JUMO Lehrreiches für Einsteiger und Praktiker Nicht nur bei der Herstellung von JUMO-Produkten, auch beim späteren Einsatz ist Know-How gefragt. Deshalb bieten wir unseren Anwendern von uns erstellte Publikationen zu Themen der Mess- und Regelungstechnik an. Die Publikationen sollen Einsteigern und Praktikern die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete schrittweise näher bringen. Hierbei werden überwiegend allgemeine Themenbereiche, zum Teil aber auch JUMO-spezifische Anwendungen, erläutert. Zusätzlich zur JUMO-Fachliteratur, bieten wir Ihnen neben unseren Software-Downloads die Möglichkeit der direkten Online-Bestellung von Prospekten und CD-ROM-Katalogen. Elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern Matthias Nau FAS 146 Teile-Nr.: 00074750 ISBN: 978-3-935742-06-1 kostenfrei Regelungstechnik Grundlagen für den Praktiker Manfred Schleicher FAS 525 Teile-Nr.: 00314836 ISBN: 978-3-935742-00-9 kostenfrei Explosionsschutz in Europa Elektrische Betriebsmittel Grundlagen, Richtlinien, Normen Jürgen Kuhlmei FAS 547 Teile-Nr.: 00324966 ISBN: 978-3-935742-08-5 kostenfrei Reinstwassermessung Reinhard Manns FAS 614 Teile-Nr.: 00369643 kostenfrei Messung der Redoxspannung Ulrich Braun FAS 615 Teile-Nr.: 00373848 kostenfrei Amperometrische Messung von freiem Chlor, Chlordioxid und Ozon Dr. Jürgen Schleicher FAS 619 Teile-Nr.: 00394969 kostenfrei Thyristor-Leistungssteller Grundlagen und Tipps für den Praktiker Manfred Schleicher, Winfried Schneider FAS 620 Teile-Nr.: 00398728 ISBN: 978-3-935742-04-7 kostenfrei Messung des ph-wertes Matthias Kremer FAS 622 Teile-Nr.: 00403231 kostenfrei
Fachliteratur von JUMO Lehrreiches für Einsteiger und Praktiker Leitfähigkeitsmessung, Konzentration, TDS Reinhard Manns FAS 624 Teile-Nr.: 00411335 kostenfrei Messunsicherheit einer Temperaturmesskette mit Beispielrechnungen Gerd Scheller, Stefan Krummeck FAS 625 Teile-Nr.: 00413510 ISBN: 978-3-935742-12-2 kostenfrei Messung von Wasserstoffperoxid/ Peressigsäure Dr. Jürgen Schleicher FAS 628 Teile-Nr.: 00420695 kostenfrei Funktionale Sicherheit SIL Dr. Thomas Reus Matthias Garbsch FAS 630 Teile-Nr.: 00463374 kostenfrei Messung von Ammoniak Dr. Jürgen Schleicher FAS 631 Teile-Nr.: 00481786 kostenfrei Analysenmesstechnik in flüssigen Medien Ein Handbuch für Praktiker Dr. Öznur Brandt, Ulrich Braun, Matthias Kremer, Reinhard Manns, Dr. Jürgen Schleicher FAS 637 Teile-Nr.: 00526103 ISBN: 978-3-935742-16-0 kostenfrei Besuchen Sie unsere Website auf www.jumo.net und überzeugen Sie sich von der umfangreichen Produktpalette für die verschiedensten Einsatzgebiete. Dort finden Sie weitere Informationen und die richtigen Ansprechpartner für Ihre Wünsche, Fragen, Anregungen und Bestellungen.