Thyristorleistungssteller und IPC
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Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome Allgemeine Grundlagen: - Thyristor Leistungssteller - IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) Manfred Schleicher Warum Leistungssteller? Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 2 Warum Leistungssteller? Thyristorleistungsschalter stellen die günstigste Möglichkeit eines elektrischen Stellgliedes dar: 230 V 0/24 V Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 3 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…100% Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 0…5 kW 4 Unterschied Thyristor Leistungssteller/ IPC-Leistungsumsetzer Der wesentliche Unterschied der Steller/ Umsetzer ergibt sich durch die Betriebsarten… Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 5 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: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 6 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) Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 7 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° Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 8 Thyristor Leistungssteller Gegenüberstellung 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 9 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 10 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Amplitudenregelung Der Umsetzer verfügt über eine Betriebsart, die Amplitudenregelung: Ohne Induktivität (Drossel) ist keine Funktion des Umsetzers möglich Induktivität 0…100% Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 11 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 12 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! Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 13 IGBT-Leistungsumsetzer IPC Funktionsprinzip Der eingezeichnete Schalter entspricht dem IGBTBaustein. Durch hochfrequentes Ein- und Ausschalten des IGBT‘s wird an der Last eine Sinusspannung generiert Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 14 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) Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 15 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 60 VAC 230 VAC N Durch die Amplitudenregelung entfällt beim IPC der Transformator: L1 Ofen Drossel 60 VAC 230 VAC N Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 16 Unterlagerte Regelung 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 17 Unterlagerte Regelung U2- Regelung Sinnvoll ist die U2 – 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 I2- oder P-Regelung) Verwendung Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 18 Verwendung der Strombegrenzung Thyristor Leistungssteller und IPC Beispiel TYA 201: Der gewünschte Maximalstrom ist einzustellen (nur im Phasenanschnittbetrieb) Imax Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 19 U2-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 (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) Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 20 I2-Regelung Werden die Steller auf I2 Regelung konfiguriert, regeln diese den Effektivwert des Stroms (I2) proportional zum Eingangssignal: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 21 I2-Regelung Unterstützende Wirkung auf die 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 22 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 23 Lastüberwachung Unterstromüberwachung Teillastbruchüberwachung (Unterstromüberwachung) findet Einsatz bei parallel geschalteten Heizelementen Bei Bruch eines Heizelementes sinkt der Laststrom Teillastbruch wird erkannt und signalisiert Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 24 Lastüberwachung Beispiel Thyristorleistungssteller TYA 201 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: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 25 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) PGM 26 Lastüberwachung Anzeige und Schalten Ausgang bei Teillastbruch Anzeige bei Abweichung des Stromes von -10 % (beispielhaft): Mit dem Lastfehler wird werksseitig der Binärausgang geschaltet: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 27 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 Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 28 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! Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 29 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Dimensionierung Zwei Größen sind entscheidend für die Dimensionierung der Steller: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 30 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Elektrischer Anschluss TYA 201 im Einphasensystem Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 31 Inbetriebnahme Th.Leistungssteller Minimalkonfiguration Verwendung Strom- oder Spannungseingang? Anzeige am Gerät: Impulsgruppen- oder Phasenanschnittbetrieb? - Stromeingang - U2-Regelung - Betriebsart: Phasenanschnitt Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 32 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss 0…20 mA + - Lastspannung Steuerspannung Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 33 Inbetriebnahme IPC Elektrischer Anschluss In der vorherigen Abbildung sind unbedingt einzusetzende Netzfilter nicht eingezeichnet: Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 34 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Laststrom = Netzstrom = PNenn (Heizelemen te ) Lastspannu ng PNenn (Heizelemen te ) + 2 A( Verluste ) Spannungsv ersorgung _ Leistungst eil Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 35 Inbetriebnahme IPC Dimensionierung Allgemeine Grundlagen Thyristor Leistungssteller und IGBT-Leistungsumsetzer (IPC) 36 Auf Wiedersehen Au revoir Good Bye JUMO GmbH & Co. KG MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/6003-396 E-Mail:[email protected] Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter: http://www.seminare.jumo.info
