Thyristorleistungssteller und IPC-Leistungsumsetzer

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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
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Manfred Schleicher (2012-01-03)
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Warum Leistungssteller?
Warum Leistungssteller?
• Thyristorleistungsschalter stellen die günstigste Möglichkeit eines
elektrischen Stellgliedes dar:
230 V
0/5 V
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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
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Unterschied Thyristor-Leistungssteller /
IPC-Leistungsumsetzer
Impulsgruppenbetrieb (Thyristor-Leistungssteller)
Unterschied
Thyristor-Leistungssteller/ IPC-Leistungsumsetzer
• Der wesentliche Unterschied der Steller/ Umsetzer ergibt sich
durch die Betriebsarten…
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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:
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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)
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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°
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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
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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
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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%
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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
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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!
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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Unterlagerte Regelungen
I²-Regelung
•
Werden die Steller auf I2-Regelung konfiguriert, regeln diese das Quadrat
des Laststroms (I2) proportional zum Eingangssignal:
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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
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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
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Lastüberwachung
Lastüberwachung
Unterstromüberwachung
•
Teillastbruchüberwachung (Unterstromüberwachung) findet Einsatz bei
parallel geschalteten Heizelementen
•
Bei Bruch eines
Heizelementes sinkt der
Laststrom
•
Teillastbruch wird erkannt und signalisiert
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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:
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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
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PGM
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Lastüberwachung
Anzeige und Schalten des Ausgangs bei Teillastbruch
•
Anzeige bei Abweichung des Stromes von -10 % (beispielhaft):
•
Mit dem Lastfehler wird werksseitig der Binärausgang geschaltet:
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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
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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!
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Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller
Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller
Dimensionierung
•
Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung der Steller:
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Inbetriebnahme Thyristor-Leistungssteller
Elektrischer Anschluss TYA201 im Einphasensystem
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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
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Inbetriebnahme IPC
Inbetriebnahme IPC
Elektrischer Anschluss
0…20 mA
+
-
Lastspannung
Steuerspannung
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Inbetriebnahme IPC
Elektrischer Anschluss
•
In der vorherigen Abbildung sind unbedingt einzusetzende Netzfilter nicht
eingezeichnet:
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Inbetriebnahme IPC
Dimensionierung
Laststrom =
Netzstrom =
PNenn (Heizelemen te )
Lastspannu ng
PNenn (Heizelemen te )
+ 2 A( Verluste )
Spannungsv ersorgung _ Leistungst eil
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Inbetriebnahme IPC
Dimensionierung
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit.