Regler, Steller, System- und Registriertechnik

Verfahrensoptimierung zur
Steuerung oder Regelung der Leistung
von Hochtemperatur-Heizelementen
Regler, Steller,
System- und
Registriertechnik
Verfahrensoptimierung zur Steuerung oder Regelung
der Leistung von Hochtemperatur-Heizelementen
Der JUMO IPC Leistungsumsetzer bietet eine intelligente und innovative Lösung zum Steuern
bzw. Regeln von elektrisch betriebenen Thermoprozessanlagen. So wird hierdurch eine Platz
sparende, Betriebsmittel schonende und Betriebskosten reduzierende, einfache Lösung für den
Anlagenbauer und Anlagenbetreiber erreicht. Durch die verschiedenen, einmaligen Eigenschaften des patentierten Ansteuerverfahrens, amortisieren sich die Anschaffungskosten in kürzester Zeit. Dieser Bericht beschreibt die mit neuer Technologie erweiterte und damit optimierte
Ansteuerung von Hochtemperaturheizelementen und die hieraus resultierenden Vorteile.
Autor
BODO SCHMITT,
Produktverantwortlicher
für den Bereich „ThyristorLeistungssteller“
den technischen Aufbau
Problematik Widerstandcharakteristik
Ansteuerverfahren
Netzbelastung
Verfügbarkeit der Heizelemente
Anforderungen an die Technik
peziell bei der Fertigung von Sägebändern wird die Qualität des Produktes
tagtäglich durch die Kunden auf den Prüfstand gestellt und muss sich den Anforderungen der Praxis stellen. Umso mehr ist es
dringend notwendig, die Materialien und
Fertigungsverfahren in diesem Prozess zu
optimieren und immer wieder zu verfeinern.
S
Hier gingen JUMO GmbH & Co. KG und
Amada Austria eine Kooperation ein, um
neueste Technologie und Erfahrung in einem
Produkt zu vereinen, das diesen Anforderungen nicht nur gerecht wird, sondern diese
übertreffen und neue Maßstäbe in Wirtschaftlichkeit und Effektivität setzen sollte.
Aufgrund ihres umfassenden Kow-hows
und der langjährigen Erfahrung in der
Fertigung von qualitativ hochwertigen
Sägebändern wurden durch Amada die
Planung, das Konzept und die Durchführung
übernommen.
Für den Einsatz und Betrieb von Hochtemperaturöfen, wie sie in vielen Anwendungsbereichen gefordert werden, sind spezielle
Heizelemente wie SIC (Silicium Carbit),
Molybdändisilicid (z.B. Kantal Super) oder
Carbon bzw. Infrarotheizstrahler die Regel.
Diese Elemente, die für Temperaturen von
bis zu 2000°C ausgelegt sind, werden häufig
mit einer relativ kleinen Spannung von ca.
5…60 V (Niedervoltelemente) und einem
hohen Strom angesteuert.
Im Gegensatz zur Arbeitsweise der Thyristorleistungssteller, die hierfür einen Transformator zum Herabsetzen der Spannung
benötigen, arbeitet der IPC mit einer Drossel
in Reihe zu den Heizelementen.
IPC Ansteuerverfahren
Der JUMO IPC ist ein Leistungsumsetzer für
die Ansteuerung von Heizlasten, die bislang
einen Transformator, Stelltransformator oder
die Kombination eines Thyristorleistungsstellers mit Trafo benötigt haben. Bedingt
durch seine Arbeitsweise spricht man von
einem elektronischen Transformator mit
einer pulsierenden Gleichspannung am
Ausgang. Er verbindet die Vorteile eines herkömmlichen Stelltransformators, wie z. B.
die Amplitudenregelung, die sinusförmige
Netzbelastung, mit den Vorteilen eines
Thyristor-Leistungsschalters, z. B. Strombegrenzung, Lastüberwachung, unterlagerte
Regelungen, usw.
Im Gegensatz zu den konventionellen
Betriebsarten Phasenanschnitt- oder Impulsgruppenbetrieb der Thyristorleistungssteller, gibt es bei dem IPC-Leistungsumsetzer nur eine Betriebsart, die Amplitudenregelung (Bild 2).
Der Nennstrom der Drossel richtet sich nach
der maximal möglichen Stromaufnahme des
IPC’s. Hierzu kommt ein Filter, der die leitungsgebundenen Störungen, zur Einhaltung
der einschlägigen EMV Normen, auf ein
Minimum reduziert (Bild 1).
Bild 1:
Aufbau Schaltschrank (IPC, Drossel, Filter)
Projektbeschreibung
In einem Ofen, der mit insgesamt 164 SICHeizelementen der Fa. Kanthal ausgerüstet
ist, wird über vierzehn JUMO IPC Leistungssteller die Temperatur geregelt. Der
Schwerpunkt bei der Konzipierung der
Anlage lag darin, dass ein sehr hohes Maß
an Wirtschaftlichkeit, Effektivität und
Bedienfreundlichkeit erreicht wird. Hier
kommt der IPC mit seinen spezifischen
Eigenschaften zum Tragen, der einen
Großteil dieser Forderungen erst ermöglicht.
Bei der Steuerung bzw. Regelung eines solchen SIC-Niedervolt-Heizelementes gibt es
verschiedene Punkte zu beachten, die entsprechende Maßnahmen erfordern:
Bild 2:
Funktionsweise
Hier wird die Leistung durch Verändern der
sinusförmigen Stromamplitude gesteuert.
Die Höhe dieser Amplitude richtet sich nach
der aus dem Netz entnommenen Leistung.
Bedingt dadurch, dass bei dem IPC der
Eingangsstrom nahezu sinusförmig ist und
Gleichzeitig muss die Spannung angehoben
werden, um die benötigte Leistung zu erlangen.
Hier wird bei dem IPC eine Spannungsreserve für den Alterungsausgleich berücksichtigt, die um die Faktoren von 1,5 bis
2 der Nennspannung der Heizelemente liegt.
Durch den automatischen Alterungsausgleich des IPC’s wird ein wartungsfreies
Arbeiten gewährleistet.
Stromaufnahme
Da beim IPC der Eingangsstrom nahezu
sinusförmig ist und in Phase zur Eingangsspannung liegt, wird dem Netz nur die aktuell anfallende Wirkleistung entnommen.
in Phase zur Eingangsspannung liegt, wird
dem Netz permanent nur die benötigte
Wirkleistung entnommen (Bild 3).
Alterungsausgleich
Die spezifischen Eigenschaften der eingesetzten SIC-Heizelemente ermöglichen
einen sehr hohen Temperaturbereich. Bei
allen Elementen dieser Art erhöht sich der
elektrische Widerstand bei längerer Betriebsdauer. Man spricht hier von einer
Langzeitalterung. Erschwerend kommt
hier noch hinzu, dass sich der Widerstand
der Elemente in Abhängigkeit von der
Temperatur verändert (Bild 4).
Die Nennwiderstandswerte des SIC-Heizelements basieren auf Messungen, die bei
einer Temperatur von 1070 °C durchgeführt
worden sind, und liegen innerhalb einer
Toleranzgrenze von +10 % bis –20 %.
Will man die max. Stromaufnahme berechnen, für die der IPC ausgelegt wird, muss
man zusätzlich zur Toleranz des Widerstands wertes noch das Widerstands minimum aus der Widerstandskennlinie
(bei ca. 500…600 °C Oberflächen tem peratur) berücksichtigen. Nach Abbildung
sind dies ebenfalls –20 % des Nennwiderstandes bei 1070 °C.
Der minimale Widerstandswert errechnet
sich wie folgt:
Rmin = 1 Ohm (Rnenn) x 0,8 (Toleranz) x
0,8 (Rmin) = 0,64 Ohm
Durch diese Langzeitalterung wird, um die
Temperatur im Ofen konstant zu halten,
bei einem größer werdenden Widerstand
eine höhere Spannung benötigt:
Bild 3:
Sinusförmiger Netzstrom
P = U x I = U² / R = I² x R
Die Widerstandscharakteristik kann um den
Faktor 4 altern.
Aus diesem Grund wird der Laststrom des
IPC Leistungsumsetzers für die Stromaufnahme der SIC-Heizung im Neuzustand ausgelegt, hier fließt der größte Strom. Über den
Zeitraum des Alterungsprozesses sinkt der
Strom durch den ansteigenden Widerstand
auf ca. die Hälfte des Nennstromes.
Das bedeutet, der IPC übernimmt die
Strom-Spannungs-Transformation und entnimmt dem Netz sowohl im Neu- als auch im
Altzustand der Heizelemente stets die benötigte Leistung. Hieraus resultiert, dass der
bereitstellende Netzanschluss nicht mehr
wie bei den herkömmlichen Ansteuermethoden über Thyristoren im Impulsgruppenbetrieb oder Phasenanschnitt, überdimensioniert werden muss.
Bedingt durch die kontinuierliche, gleichmäßige Stromaufnahme des IPC und einer
symmetrischen Verteilung der Last kann
zudem noch auf eine Netzlastoptimierung,
oder auch Syncrotaktsteuerung genannt,
verzichtet werden, die bei einer herkömmlichen Ansteuerungsmethode notwendig ist.
Vergleich Phasenanschnitt
Wie schon beschrieben liegen bei dem IPC
Bild 4:
SIC-Widerstand-Charakteristik
Je größer der Phasenschnittwinkel Alpha, desto
höher der Blindleistungsanteil
Bild 5:
Stromamplitude neues/altes SIC-Element
die Netzspannung und der Netzstrom in
Phase. Hierdurch konnte die Anforderung
an die neu konzipierte Anlage zusammen
mit dem Know-how des Ofenbauers erfüllt
werden. Die Stromaufnahme auf der
Netzseite wird im Vergleich zur Stromaufnahme bei Phasenanschnittsteuerung um
den Betrag des Blindanteils verringert.
Die Höhe der so genannten Steuerblindleistung richtet sich nach dem Steuerwinkel Alpha, der je nach benötigter
Temperatur und somit angeforderten
Leistung, variieren kann (Bild 5).
Wird also die Anlage auf eine verringerte
Leistung heruntergefahren, da nicht die
gesamte Leistung permanent benötigt wird,
dies könnte z. B.:
ein Schonbetrieb über das
Wochenende
an Feiertagen
oder einfach eine geringere
Leistung sein,
so ergibt sich durch den größeren Steuerwinkel bei herkömmlicher Methode im
Phasenanschnittbetrieb eine verändertes
Wirk-Blindleistungsverhältnis.
Durch den Einsatz des IPC Leistungsumsetzers, der den Energiebedarf um den
Blindleistungsanteil verringert, wird ein
enormer Kostenvorteil erreicht.
Auch auf eine Blindleistungskompensationsanlage kann gänzlich verzichtet werden.
Somit werden durch die Verwendung
neuester Technologie Energiekosten eingespart und die Investitionskosten amortisieren sich in kürzester Zeit (Bild 6).
Bild 6:
Einfluss des Phasenschnittwinkels auf die Blindleistung
Vergleich Impulsgruppenbetrieb
Wird ein SIC-Heizelement in herkömmlicher
Methode mit einem Thyristorleistungssteller
(TLS) im Impulsgruppenbetrieb gefahren,
werden komplette Sinuszüge der Netzspannung auf die Last durchgeschaltet
bzw. gesperrt. Ein TLS, welcher z. B. mit
60 % Stellgrad angesteuert wird, schaltet
drei Vollwellen der Netzspannung auf den
Verbraucher, während zwei Vollwellen gesperrt werden. In dieser Weise erreichen
den Verbraucher 60 % der Maximalleistung.
Da hierbei immer die maximal zur
Verfügung stehende Spannung durchgeschaltet wird, ist ein kostenintensiver
Transformator notwendig, der die Spannung auf die Nennspannung der Heizelemente herabsetzt.
Um das SIC-Heizelement, das über den
Betrieb hinweg altert, immer auf der
gewünschten Leistung zu halten (P = U²/ R),
muss zudem noch ein Trafo mit mehreren
Spannungsabgriffen verwendet werden.
Reicht die durch den Trafo zur Verfügung
gestellte Spannung nicht mehr aus, muss
manuell auf den nächsten höheren Spannungsabgriff gewechselt werden.
Hierdurch entsteht ein Spannungssprung
der das Heizelement belastet. Zudem reagieren einige Heizelemente empfindlich auf
die sich schlagartig ändernde Spannung
bzw. Leistung: Bei diesen Heizelementen
reduziert sich die Standzeit des Heizelementes. Durch die integrierte Spannungsreserve und Amplitudenregelung wird
dieser Ablauf automatisch von dem IPC
übernommen bzw. ist gar nicht mehr erforderlich.
Zusammenfassung
Durch den Wegfall der Steuerblindleistung
(Blindstrom, Blindleistung) und einer
Blindleistungskompensationsanlage reduzieren sich die Betriebskosten wesentlich.
Der schonende Betrieb erzielt eine erhöhte Lebensdauer der teuren Heizelemente
und die Niedervolt-Heizelemente können
ohne Anpassungstransformator direkt am
Versorgungsnetz betrieben werde. Die
Spannungsreserve sorgt für den automatischen Alterungsausgleich bei SICElementen. Da kein Trafo mit Spannungsumschaltung erforderlich ist, können
deutliche Platz-, Gewicht- und Kosteneinsparungen erzielt werden. Durch die
Amplitudenregelung werden die bestehenden und kommenden Oberwellenund Flicker-EU-Normen (EN 61 000 Teil
3.2 und Teil 3.3) eingehalten.
Impressum
Herausgeber:
JUMO GmbH & Co. KG
36035 Fulda, Germany
Telefon: +49 661 6003-369
Telefax: +49 661 6003-881-369
E-Mail: [email protected]
Internet: www.jumo.net
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