Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer
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Herzlich Willkommen Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-ThyristorLeistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) Dipl.-Ing. Manfred Schleicher 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 2 Warum Leistungssteller? Warum Leistungssteller? • Thyristorleistungsschalter stellen die günstigste Möglichkeit eines elektrischen Stellgliedes dar: 230 V 0/5 V Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 4 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…100% 0…5 kW Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 5 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPC-Leistungsumsetzer Impulsgruppenbetrieb (Thyristor-Leistungssteller) Unterschied Thyristor-Leistungssteller/ IPC-Leistungsumsetzer • Der wesentliche Unterschied der Steller/ Umsetzer ergibt sich durch die Betriebsarten… Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 7 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: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 8 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) Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 9 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPCLeistungsumsetzer Phasenanschnittbetrieb (Thyristor-Leistungssteller) 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° Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 11 Thyristor-Leistungssteller Gegenüberstellen der Betriebsarten Impulsgruppenbetrieb Phasenanschnittbetrieb • Für schnelle Vorgänge • Für sehr schnelle Vorgänge (bspw. Steuerung Lichtleistung) • Geringe EMV- Störungen da Schaltung im Nulldurchgang • Großes Störpotential EMV (Oberwellen) • Es entsteht keine Blindleistung • Besonders bei großem Steuerwinkel großer Blindleistungsanteil • Im Fall von großen Verbrauchern schwankt beim Ein- und Ausschalten der Lastspannung die Beleuchtungsstärke (Flickereffekt) • kein Flickereffekt Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 12 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 13 Unterschied Thyristor-Leistungssteller / IPCLeistungsumsetzer Amplitudenregelung (IGBT-Leistungsumsetzer) IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung • Der Umsetzer verfügt über eine Betriebsart, die Amplitudenregelung: Ohne Induktivität (Drossel) ist keine Funktion des Umsetzers möglich Induktivität 0…100% Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 15 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 16 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! Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 17 Funktionsprinzip IPC und Vorteile durch die stetige Leistungsabgabe 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 19 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) Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 20 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 230 VAC Primärstrom Sekundärstrom Ofen 60 VAC N • Durch die Amplitudenregelung entfällt beim IPC der Transformator: L1 Ofen Drossel 60 VAC 230 VAC N Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 21 Unterlagerte Regelungen Unterlagerte Regelungen U²-Regelung • Werksseitig regeln die Steller das Quadrat der Lastspannung (UL) proportional zum Steuersignal • Auch bei schwankender Versorgungsspannung wird U2 ausgeregelt. Bei konstantem Lastwiderstand RL wird prinzipiell die Leistung ausgeregelt: U2 P= RL Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 23 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 I2- oder P-Regelung) Verwendung *konst. TK, z.B: Metall-Heizelemente; pos. TK, z.B. Molybdän-Heizelemente Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 24 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) Imax Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 25 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 (U2) proportional zum Einganssignal • Die Temperatur steigt und damit der Widerstand • Mit steigender(m) Temperatur(Widerstand) wird aufgrund von P=U2/R die Leistung reduziert (ein Überschwingen über den Sollwert wird unwahrscheinlicher) Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 26 Unterlagerte Regelungen I²-Regelung • Werden die Steller auf I2-Regelung konfiguriert, regeln diese das Quadrat des Laststroms (I2) proportional zum Eingangssignal: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 27 Unterlagerte Regelungen I²-Regelung – Unterstützende Wirkung auf den Regelkreis • Die I2-Regelung ist bei Verwendung von Heizelementen mit negativem TK* sinnvoll • Diese reduzieren bei größer werdender Temperatur ihren Widerstand • Aus P=I2 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 28 Unterlagerte Regelungen P-Regelung – Einsatz für Alterungsausgleich • Diverse Heizelemente verändern über ihre Lebenszeit sehr stark ihren Nennwiderstand (SIC-Heizelemente): Alterung Nennwiderstand (RN) • Bei Einsatz dieser Heizelemente findet die P-Regelung Verwendung Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 29 Lastüberwachung Lastüberwachung Unterstromüberwachung • Teillastbruchüberwachung (Unterstromüberwachung) findet Einsatz bei parallel geschalteten Heizelementen • Bei Bruch eines Heizelementes sinkt der Laststrom • Teillastbruch wird erkannt und signalisiert Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 31 Lastüberwachung Beispiel: Thyristorleistungssteller TYA201 • Mit den Typenzusätzen I2- 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: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 32 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) PGM 33 Lastüberwachung Anzeige und Schalten des Ausgangs bei Teillastbruch • Anzeige bei Abweichung des Stromes von -10 % (beispielhaft): • Mit dem Lastfehler wird werksseitig der Binärausgang geschaltet: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 34 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 Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 35 Zündimpulsverriegelung Zündimpulsverriegelung Überstromüberwachung • Mit einem externen Schalter kann die Leistung der Heizelemente abgeschaltet werden Auch mit aktiver Zündimpulsverriegelung ist die Last nicht Spannungsfrei! Spannungsversorgung abschalten! Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 37 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Dimensionierung • Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung der Steller: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 39 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Elektrischer Anschluss TYA201 im Einphasensystem Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 40 Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller Minimalkonfiguration • Verwendung Strom- oder Spannungseingang? Anzeige am Gerät: • Impulsgruppen- oder Phasenanschnittbetrieb? - Stromeingang - U2-Regelung - Betriebsart: Phasenanschnitt Thyristorleistungssteller Grundlagen und Inbetriebnahme und IPC-Leistungsumsetzer JUMO-Thyristorleistungssteller / Grundlagen und | Manfred IPC-Leistungsumsetzer/ Schleicher Manfred Schleicher (2012-01-03) 41 Inbetriebnahme IPC Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss 0…20 mA + - Lastspannung Steuerspannung Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 43 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss • In der vorherigen Abbildung sind unbedingt einzusetzende Netzfilter nicht eingezeichnet: Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 44 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Laststrom = Netzstrom = PNenn (Heizelemen te ) Lastspannu ng PNenn (Heizelemen te ) + 2 A( Verluste ) Spannungsv ersorgung _ Leistungst eil Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 45 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Grundlagen und Inbetriebnahme JUMO-Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer/ Manfred Schleicher (2012-01-03) 46 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
