DE10102124A1

DE10102124A1 - Verfahren und Anordnung zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Heizwiderständen und Verwendung der Anordnung

Info

Publication number: DE10102124A1
Application number: DE10102124A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schneider
Original assignee: Juchheim & Co M K GmbH
Current assignee: Juchheim & Co M K GmbH
Priority date: 2000-01-22
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2001-07-26
Also published as: ES2253286T3; ATE312429T1; SI1126591T1; EP1126591B1; EP1126591A2; EP1126591A3; DE50108270D1

Abstract

Beim Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Heizwiderständen (R), deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist, mittels gleichgerichtetem Wechselstrom durch Halbleiter-Bauelemente wird zum Zwecke einer Vermeidung von Stelltransformatoren und Netzstörungen wie folgt verfahren: DOLLAR A a) als Halbleiterelement wird ein IBGT-Modul (10) verwendet, DOLLAR A b) im Stromkreis des Verbrauchers (R) werden die Leistungsfaktoren Betriebsstrom (i) und Betriebsspannung (U) erfaßt und einer Regelanordnung (16) zugeführt, DOLLAR A c) in der Regelanordnung (16) wird mittels eines Integrators (25) ein Vergleich eines Sollwerts (w) für den Betriebsstrom (i) und die Betriebsspannung (U) durchgeführt, wobei das Eingangssignal eines Komparators (27) in eine Folge von Impulsen zerlegt wird, deren Frequenz als Steuerfrequenz für das IGBT-Modul (10) verwendet wird und ein Vielfaches der Netzfrequenz beträgt, und ferner werden DOLLAR A d) Abweichungen zwischen dem Sollwert (w) und der Folge von Impulsen nach Maßgabe des jeweiligen Vorzeichens der Abweichungen zur Steuerung des IGBT-Moduls (10) verwendet. DOLLAR A Ferner ist eine Schaltungsanordnung und sind Verwendungen hierfür angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Verbrauchern, deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung hierfür nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Beim Einschalten und oder Regeln der Leistung von Verbrauchern mit ohmschen Widerständen treten unerwünschte Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz auf wie starke einmalige und/oder periodisch wieder kehrende Stromschwankungen die über das Netz zu Störungen anderer Verbraucher führen.

Besonders störend ist dies bei ohmschen Lasten mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Ein einfaches Beispiel hierfür sind Glühlampen, die in kaltem Zustand einen sehr geringen Widerstand aufweisen. Da die Glühfadentemperatur jedoch sehr schnell ansteigt und damit der Wider stand zunimmt, ist die Netzstörung nur gering und von extrem kurzer Dauer. Unangenehmer ist dieses Verhalten jedoch bei einer dauernden Heiligkeitsregelung durch eine sogenannte Phasenanschnittsteuerung, wie sie beim einem Dimmer, z. B. mit einem TRIAC, verwendet wird. Hierbei entsteht ein sogenanntes "Netzbrummen", dem durch Dämpfungsglieder entgegen gewirkt werden muß, die z. B. aus einem Magnetkern bestehen, der von einem stromführenden Leiter umgeben ist. Dadurch entsteht jedoch ein Leistungsverlust mit Wärmeentwicklung.

Schwieriger und aufwendiger ist dies jedoch bei Haushalts- und Gewerbe geräten mit größeren Leistungen wie z. B. bei Kochplatten, Bügeleisen und Bügelmaschinen, Infrarotstrahlern und Back- sowie Industrieöfen mit Widerstandsheizelementen.

Auch metallische Heizwiderstände von Wärmebehandlungsöfen haben einen positiven Temperaturkoeffizienten. Hierbei besteht jedoch das Problem einer langsamen Aufheizung, die viele Minuten dauern kann, so daß der Strom für die Dauer der Aufheizung begrenzt werden muß. Die Aufheizdauer steigt jedoch mit mit der vorgegebenen Endtemperatur, die bis zu 2000°C betragen kann.

Eine andere Charakteristik haben die bekannten Heizwiderstände aus Siliziumkarbid: Bei diesen läßt sich der Temperaturkoeffizient durch eine Schar U-förmiger Kurven darstellen, bei denen der spezifische Widerstand über der Temperatur dargestellt ist. Deren Minimum liegt bei etwa 1020°C. Zusätzlich ändert sich der Verlauf dieser Kurven mit der Alterung der Heizwiderstände, und zwar etwa um den Faktor 4 in Richtung einer Steigerung.

Diese Widerstandsänderungen müssen bei jedem Aufheizvorgang durch laufen werden, so daß die Leistung in den Phasen niedriger spezifischer Widerstände begrenzt werden muß.

Eine bekannte Möglichkeit zur Leistungsregelung oder Leistungsbegren zung besteht in der Verwendung von Stelltransformatoren, die - leistungs abhängig - schwer und teuer sind.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Leistungsregelung besteht in der Verwendung von Thyristoren, die im Phasenanschnitt- oder Impulsgrup penbetrieb arbeiten. Hierbei äußern sich jedoch die beschriebenen Netz störungen durch Flickereffekte, Oberwellen, Schein- und Blindleistungen. Bekannt sind ferner sogenannte IGBT-Module (Insulated Gate Bipolar Transistor Modules), die als Schaltelemente verwendet werden, jedoch für sich genommen nicht als Linearverstärker geeignet sind (Handbuch der Fa. SEMIKRON, "Power Electronics/Leistungselektronik '99", Seiten A-182 bis A-194, Ziffer 6. "SEMITRANS® IGBT-Module"). Die bisherigen Anwen dungen beschränken sich auf:

- Frequenzumrichter,
- unterbrechungsfreie Stromversorgungen,
- Mikrowellenöfen,
- induktiven Heizungen (Induktionsöfen),
- Kraftfahrzeugzündungen.

Durch die US-Patentschriften 3 913 002, 4 472 672, 5 006 975 und 5 942 882 ist es bekannt, Verbraucher mit gleichgerichteter Netzspannung zu betreiben, um teure Stelltransformatoren und Netzstörungen durch Oberwellen zu vermeiden, die bei Phasenanschnittsteuerungen durch die periodische Einschaltung des Stroms innerhalb einer jeden Halbwelle erzeugt werden. Außerdem sollen dadurch teure Entstörmittel wie Induk tivitäten und Kapazitäten in der Größe verringert werden.

In allen Fällen handelt es sich um die Regelung des Leistungsfaktors (High Power Factor) durch Verteilung kurzer periodischer Stromimpulse, die eine mehrfach höhere Frequenz als die der Netzspannung aufweisen, über die gesamten Halbwellen. Zu diesem Zweck werden aus der Netz spannung Steuerimpulse entsprechend hoher Frequenz gewonnen, die mit Sollwerten verglichen werden. In den Stromkreisen der Verbraucher befinden sich Stromsensoren, deren Ausgangssignale mit den Sollwerten verglichen werden, um die bekannten Phasenanschnitt-Steuerelemente entsprechend dem Leistungsbedarf anzusteuern. Die an den Verbrauchern anliegenden Spannungen werden jedoch in keinem Falle erfaßt und zu Regelzwecken verwendet, da die Verbraucher für Netzspannung ausgelegt sind.

Für die Regelung der Leistung von niederohmigen Heizwiderständen, deren Nennspannung deutlich kleiner ist als die Netzspannung, sind die bekannten Anordnungen weder vorgesehen noch geeignet, denn hierbei muß eine Strom-Spannungstransformation überwacht werden. Bei diesen Heizwiderständen, die eine sehr hohe Leistung haben können, handelt es sich beispielhaft um Stäbe aus Molybdändisilizid oder Siliziumkarbid, die mit Nennspannungen ab beispielsweise 10 Volt betrieben werden und deren ohmsche Widerstände entweder einen sehr steilen positiven Tempe raturkoeffizienten besitzen oder die während der Betriebsdauer altern, wodurch sich deren ohmsche Widerstände beispielsweise vervierfachen. So haben beispielsweise die Super-Heizelemente der Fa. Kanthal aus Molybdändisilizid in kaltem Zustand einen Widerstandswert, der nur etwa 1/16 des Widerstandswertes bei Betriebstemperatur ausmacht. Die Aufschaltung von Netzspannung auf ein solches kaltes Heizelement kommt also praktisch einem Kurzschluß gleich, was zur Zerstörung der Schaltele mente führen kann und erhebliche Netzstörungen durch Stromspitzen und Oberwellen zur Folge hat.

Die Fachwelt hat sich schon mehrfach bei Hochleistungsheizungen aus Siliziumcarbid-Heizstäben erfolglos darum bemüht, die üblichen Transfor matoren einzusparen und statt dessen die Regelung über einen Thyristor steller mit Phasenanschnittsteuerung durchzuführen. Um aber eine Alte rung der Heizstäbe um den Faktor 4 des Nennwiderstandes gegenüber dem Neuzustand ausgleichen zu können, muß für eine Spannungsreserve in der Größenordnung des Faktors 2 gesorgt werden. Dies bedeutet, daß im Neuzustand der Heizstäbe nur die halbe Spannung benötigt wird. Um auf die geforderte Leistung zu kommen, fließt jedoch der doppelte effek tive Strom im Vergleich zu einem gealterten Heizelement. Der Amplituden verlauf des Stromes ist jedoch um den Faktor 4 größer. Bei einem geal terten Heizstab mit der gleichen Leistungsabgabe liegt dann die volle Versorgungsspannung an, und es fließt der einfache Nennstrom. Wenn also im gealterten Zustand der Heizstäbe die Versorgungsspannung mit 230 Volt angegeben wird, bedeutet dies, daß die Heizstäbe im Neuzustand mit maximal 115 Volt und dem doppelten Nennstrom betrieben werden müssen.

Die vorstehend beschriebene Betriebsweise bedingt jedoch sehr große Ansteuerwinkel beim Betrieb mit Phasenanschnittsteuerungen durch Thyristorsteller. Was solche großen Ansteuerwinkel an Oberwellen mit sich bringen, läßt sich anhand von Fourieranalysen ermitteln: Es ist ersichtlich, daß durch die große Phasenverschiebung der 1. Harmonischen erhebliche Steuerblindleistungen benötigt werden. Diese Steuerblindleistungen führen zu laufenden Zusatzkosten beim Betrieb solcher Anlagen. Dazu ist ferner zu bemerken, daß sich beim Eingriff der Regelung der Phasenanschnitt winkel kontinuierlich ändert und somit auch das Spektrum der Oberwellen. Eine Kompensation ist aber äußerst schwierig.

Daher ist die Fachwelt wieder dazu übergegangen, auf die konventionelle Lösung mit Stell-Transformatoren mit mehreren Anzapfungen zurück zu greifen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren und eine Anordnung hierfür anzugeben, mit denen die Leistung niederohmiger Heizwiderstände, deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist, unter Verzicht auf Transformatoren und bei kleinstmöglichem Aufwand kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich geregelt werden kann, ohne daß hierbei unzulässige Netzstörungen auftreten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und bei der eingangs angegebenen Anordnung durch die Merkmale im Kenn zeichen des Patentanspruchs 5.

Dadurch wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d. h., es werden ein Regelverfahren und eine Anordnung hierfür angegeben, mit denen die Leistung niederohmiger Heizwiderstände, deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist, unter Verzicht auf Transformatoren und bei kleinstmöglichem Aufwand kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich geregelt werden kann, ohne daß hierbei unzulässige Netzstörungen auftreten.

Es wurde überraschend und entgegen der Meinung einschlägiger Fach kreise festgestellt, daß dies in der Praxis tatsächlich möglich ist.

Insbesondere können die Heizleistung bzw. die Stromaufnahme niederoh miger Heizwiderstände, für die Betriebsspannungen zwischen 10 und 230 Volt benötigt werden, ohne Stelltransformatoren begrenzt und/oder geregelt werden. Statt dessen kann als Leistungshalbleiter ein IGBT ver wendet werden, der eine niedrigere Sättigungsspannung als ein Bipolar transistor aufweist und akzeptable Umschaltverluste bei Betriebsfrequen zen oberhalb von 10 kHz, beispielsweise von 20, 50 kHz und darüber aufweist. Ferner ergibt sich eine ebenso einfache Steuerbarkeit wie bei MOS-Bauelementen. Der aus dem Netz gezogene Strom weicht zumindest nicht mehr wesentlich von der Sinusform ab.

Mit der Integration von Steuerungs-, Schutz- und Diagnosefunktionen auf einem Chip oder einer Platine wird es möglich, Leistungshalbleiterschalter herzustellen, die praktisch unzerstörbar sind. Damit können GTO's bzw. Thyristoren erfolgreich ersetzt werden, deren Steuerung bedeutend schwieriger und aufwendiger ist. Der Erfindungsgegenstand besitzt eine hohe Spannungsfestigkeit, ermöglicht eine hohe Stromdichte, einfache Ansteuerbarkeit und eine gute Kurzschlußfestigkeit. Glättungskonden satoren können bedeutend kleiner ausgefegt werden, da sie nicht durch impulsförmige Ladeströme stark beansprucht werden. Es müssen keine überdimensionierten Funkentstörfilter mehr verwendet werden. Die Leistungsverluste sind bedeutend geringer, was zu geringeren thermi schen Belastungen der Halbleiterelemente führt. Eine sogenannte PFC (Power-Factor-Control) wird durch den Erfindungsgegenstand überflüs sig; sie erfolgt automatisch.

Bei metallischen Widerstandsheizelementen läßt sich ein Kurzschluß beim Einschalten ausschließen. Der Netzstrom ist direkt proportional der gefor derten Leistung. Bei Siliziumkarbid-Heizelementen läßt sich zusätzlich ein Ausgleich des Alterungsprozesses über Jahre (!) erzielen. Beim Einschal ten entsteht keine induktive Steuerblindleistung im Neuzustand der Heiz elemente. Dadurch ist eine erhebliche Reduzierung der Betriebskosten einer solchen Anlage möglich. Bei kurzwelligen Infrarot-Flächenheizkör pern, wie sie z. B. in Lackieranlagen und bei Kunststoff-Thermoform- und bei Lötverfahren verwendet werden, entsteht keine überhöhte Stromampli tude beim Einschalten.

Selbst wenn die Nennspannung der Heizelemente nur einen Bruchteil der Netzspannung beträgt, ergibt sich der sinusförmige Netzstrom immer aus der benötigten Leistung, dividiert durch die Netzspannung der Stromver sorgung. Wenn z. B. Heizelemente mit einer Betriebsspannung von 115 Volt betrieben werden, lassen sich diese Heizelemente ohne Transfor mator direkt am Netz betreiben. Wenn dabei der Nennstrom der genann ten Heizelemente 50 A beträgt, so werden dem Netz nur 25 A sinusförmi ger Strom entzogen. Die Widerstandscharakteristik der Heizelemente spielt keine Rolle. Der Erfindungsgegenstand unterliegt keinem Verschleiß, hat eine hohe Stellgeschwindigkeit, einen besseren Wirkungsgrad, kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht, wenn man ihn mit klassischen Stellgliedern wie Transduktoren und Stelltransformatoren vergleicht.

Dies wird wie folgt noch näher begründet: Die Regelung erfolgt durch Erfassung sowohl der über die besagten Heizwiderstände fließenden Ströme als auch über die an den Heizwiderständen anliegenden Spannun gen, ist also im Ergebnis keine Strom- sondern im wesentlichen eine Leistungsregelung.

Es handelt sich um einen Soll-Istwertvergleich über einen Integrator. Hierbei wird ein extern vorgegebener Sollwert "w", z. B. vom Ausgang eines Temperaturreglers, mit dem zu regelnden Istwert der Leistung verglichen. Dadurch läßt sich eine unterlagerte Regelung erzielen. Die Gesamtheit der Maßnahmen und Mittel sind letztlich verantwortlich für einen zumindest annähernd sinusförmigen Stromverlauf im Netz. Um im Netzstrom Strom spitzen im Bereich der Nulldurchgänge der Netzspannung zu minimieren, erfolgt eine Korrektur des sinusförmigen Eingangsstromes. Die Reduzie rung der Stromspitzen im Bereich der Nulldurchgänge wird durch die gezielte Ausblendung der Ansteuerimpulse des IGBT's erzielt, ohne hierbei - im Gegensatz zum Stande der Technik - die Kurvenform der Netzspan nung als Führungsgröße heranzuziehen. Die Ansteuerung des IGBT-Trei bers erfolgt über einen Komparator, der eine Dreiecksspannung von beispielsweise 20 kHz mit der Spannung des Integrators vergleicht.

Hervorzuheben ist hierbei, daß sich der sinusförmige Stromverlauf des Eingangsstromes automatisch einstellt, ohne daß die Netzeingangsspan nung als Führungsgröße benötigt wird. Infolgedessen entfallen auch die beim Stande der Technik am Eingang zu findenden Klein-Transformatoren und Gleichrichter.

Durch den Aufbau einer kaskadierten Regelung (Stromspitzenwertrege lung, Stromeffektivwertregelung und letztlich Leistungsregelung) wird z. B. bei den Kanthal-Super-Heizelementen eine ohmsche Last aufgebaut. Das heißt, je länger ein auf einen Maximalwert begrenzter Strom durch die Heizelemente fließt, desto mehr erwärmt sich das Heizelement und umso größer wird dessen Widerstand.

Da die Leistung P = I² × R ist, steigt förmlich erst mit der Zunahme des Widerstandswertes R auch die Ofenleistung. Damit die Ofenleistung nicht ins Unermeßliche steigt und schließlich noch die Heizelemente zerstört werden, ist der Übergang von einer Stromregelung auf eine Leistungs regelung von erheblichem Vorteil.

Stromspitzen im Netz, wie sie bei konventionellen Phasenanschnittsteue rungen festzustellen sind, treten beim Erfindungsgegenstand nicht mehr auf: Vielmehr liegen auch während der Kaltstartphase die Stromspitzen immer weit unterhalb des Nennstromes, so daß ein schonender Netz betrieb möglich ist.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich gegenüber den Phasenanschnittsteue rungen mit Thyristoren durch die Einsparung der Betriebskosten für die Steuer-Blindleistung. Da der Eingangsstrom zumindest im wesentlichen sinusförmig ist und in Phase zur Eingangsspannung liegt, wird dem Netz zumindest überwiegend nur Wirkleistung entnommen.

Der Erfindungsgegenstand hat eine enorm hohe Stellgeschwindigkeit, einen besseren Wirkungsgrad, kleinstmögliche Abmessungen und ein geringes Gewicht, wenn man diese Kriterien mit klassischen Stellgliedern vergleicht. Durch den Einsatz des Erfindungsgegenstandes ist es bei alterungsanfälligen Heizelementen erstmals möglich, dem Netz sowohl im Neu- als auch im Alterungszustand stets den gleichen Strom zu entneh men. Der Netzstrom bleibt bei konstanter Ausgangslast sowohl hinsicht lich der Form als auch der Amplitude zumindest annähernd gleich und sinusförmig.

Da die Amplitude des Netzstromes allein sowohl durch die Leistung der Last als auch durch die Spannung an der Last gegeben ist, eignet sich der Erfindungsgegenstand auch für kurzwellige Infrarotstrahler. Es entstehen weder beim Einschalten noch während des Betriebes im unteren Stell bereich überhöhte Stromamplituden im Netz. In allen Fällen ist der Netz strom immer sinusförmig und der entnommenen Leistung direkt propor tional.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn im Zuge weiterer Ausgestaltun gen der Erfindung - entweder einzeln oder in Kombination -:

- die Steuerfrequenz zwischen 10 und 100 kHz gewählt wird,
- die Induktivität der Drossel zwischen 0,2 und 1,0 mH gewährt wird,
- die Kapazität des Kondensators zwischen 10 und 100 µF gewählt wird,
- die Sensoreinheit für die Erfassung des Betriebsstromes über einen Strombegrenzer dem Treiber aufgeschaltet ist,
- der Verbraucherstromkreis einen Spannungsabgriff aufweist, der über eine Leitung dem Treiber zur Spannungsbegrenzung aufgeschal tet ist, und/oder, wenn
- der Komparator der Regelanordnung einen Fregenzgenerator für die Erzeugung einer Steuerfregenz zwischen 10 und 100 kHz mit Drei ecksimpulsen besitzt.

Die Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung für die Leistungsregelung von ohmschen Verbrauchern aus der Gruppe der Widerstandsheizelemente aus Metallen und aus Silizium-Karbid und für die Leistungsregelung von ohmschen Verbrauchern für Zwecke der Erwär mung von Werkstücken in Industrieöfen, für die Trocknung von Lacken, zum Verformen von Kunststoffen, zum Löten und für Haushalts- und Gewerbegeräte zum Garen von Speisen und zum Bügeln von Textilien.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 den Verbraucherstromkreis mit den zugehörigen Sensor- Regel einrichtungen,

Fig. 2 den Verlauf der Netzspannung nach Gleichrichtung über drei Halbwellen,

Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf des Netzstromes über eine Halbwelle der Netzspannung,

Fig. 4 die Funktion des Komparators und

Fig. 5 zu Zwecken des Vergleichs ein Diagramm mit einer Kurvenschar für den temperaturabhängigen Netzstromverlauf, wie er bei einem Molybdändisilizid-Heizstab auftritt, wenn dessen Heizlei stung mittels einer klassischen Phasenanschnittsteuerung durch einen Thyristor gesteuert wird.

In Fig. 1 ist als Kernstück der Regelanordnung ein handelsübliches IGBT-Modul 10 der eingangs beschriebenen Gattung dargestellt, das einen Stromeingang 1, zwei Stromausgänge 2 und 3 und zwei Steuerspan nungsklemmen 6 (für die Gatespannung) und 7 (für die Emitterspannung) besitzt. Im Verbraucherstromkreis liegen - in Reihenschaltung - der ohm sche Verbraucher R, der auch aus einer Parallelschaltung von mehreren Verbrauchern bestehen kann, und eine induktive Drossel L. Die Netzspan nungseingänge sind mit L1, N und PE bezeichnet. Die Netzspannungs eingänge L1 und N sind einem Gleichrichter 11 mit einer positiven Klemme 12 und einer negativen Klemme 13 aufgeschaltet. Parallel zum Gleichrich ter 11 ist ein Kondensator C geschaltet. Der Laststromkreis, an dem beispielhaft eine Spannung von 230 Volt ansteht, ist mit verstärkten Linien hervorgehoben. Durch die Wirkung der Drossel L kann der Laststrom i nicht schlagartig in die Höhe schnellen und auch nicht schlagartig zu Null werden.

Die Drossel L und der Kondensator C werden nach Maßgabe des größt möglichen Verbraucherstroms wechselspannungsfest, aber kleinstmöglich ausgelegt, beispielsweise die Drossel L zwischen 0,2 und 1,0 mH, vor zugsweise mit 0,5 mH, und der Kondensator C zwischen 10 und 100 µF, vorzugsweise mit 50 µF. Die vorzugsweisen Werte gelten für einen Indu strieofen mit einer Stromaufnahme von 70 A.

Dem Stromeingang 1 ist eine Sensoreinheit 14 für die Erfassung des Verbraucherstroms vorgeschaltet; in ihr wird der gemessene Strom f in eine proportionale Spannung U umgewandelt, die über eine Rückführungs leitung 15 einer Regelanordnung 16 aufgeschaltet ist. Ein Spannungs abgriff 17 führt über einen Strombegrenzer 18 und eine Leitung 19 zu einem Treiber 20 mit Potentialtrennung. Im Strombegrenzer 18 kann der maximale Betriebsstrom auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Die am Verbraucher R anliegende Spannung wird über Leitungen 21 und 22 abgegriffen und einem Potentialtrenner 23 zugeführt, der beispielhaft einen Optokoppler enthält. Von diesem führt eine weitere Rückführungs leitung 24 zur Regelanordnung 16. Strom-, Spannungs- oder Leistungs regelung (1 oder u) können alternativ aufgeschaltet werden, wobei der Umschalter der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Weiterhin ist der Regelanordnung 16 über einen nicht dargestellten Sollwertgeber ein einstellbarer Sollwert w aufgeschaltet.

Zur Regelanordnung 16 gehört ein Integrator 25, an dessen Ausgang 26 eine variable Spannung u1, u2,. . .un, ansteht, die einem Komparator 27 aufgeschaltet ist. Dessen Ausgang 28 ist wiederum dem Treiber 20 aufge schaltet. Von diesem führen zwei Leitungen 29 und 30 zu den Steuerspan nungsklemmen 6 und 7 des IGBT-Moduls 10. Die Funktion der Regel anordnung 16 wird nachfolgend anhand der Fig. 3 und 4 noch näher erläutert. Der Treiber 20 dient als Verstärker mit Potentialtrennung. Auf der Leitung 29 kann - bezogen auf die Leitung 30 - eine Spannung zwischen + 18 Volt und -5 Volt anstehen.

Von der Leitung 22 führt eine Zweigleitung 31 zum Treiber 20. Diese Maß nahme, die nicht zwingend erforderlich aber vorteilhaft ist, dient einer Sicherheitsfunktion, und zwar der Überwachung der Kollektorspannung. So erfolgt z. B. eine Abschaltung, wenn die Kollektorspannung einen vor gegebenen Grenzwert von z. B. 7 Volt überschreitet (Kurzschlußüberwa chung).

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Netzspannung mit einer Frequenz von bei spielhaft 50 oder 60 Hz nach Gleichrichtung über drei Halbwellen, wobei der gestrichelte Kurvenzug für die zweite Halbweile den Spannungsverlauf ohne Gleichrichtung andeutet. Durch die Gleichrichtung wird diese Halb welle auf die andere Seite der Abszisse (mit der Zeit t) "umgeklappt". Die abgerundeten Bereiche 31 sind auf die Wirkung des Kondensators C zurückzuführen.

Fig. 3 zeigt das Prinzip der Regelung über eine Halbwelle der Netzspan nung U (50 oder 60 Hz) und des zugehörigen Stroms i. Im Komparator 27 wird ein zackenförmiger Kurvenzug gemäß Fig. 4 mit einer Frequenz von beispielhaft 20 kHz erzeugt. Diese sogenannte Dreiecksspannung wird mit der variablen Spannung des Integrators 25 verglichen. Dabei stellt sich am Ausgang des Komparators 27 ein Ein-Aus-Schaltverhältnis für den IGBT 10 ein. Die wellige Kurve zeigt den tatsächlichen Stromverlauf mit der angege benen Frequenz von 20 kHz (Steuerfrequenz) zwischen den Stromkurven io und iu in stark vergröbertem Maßstab. Zunächst steigt die Stromkurve nach Maßgabe der Spannung und des Verbraucherwiderstandes R steil an, bis das IGBT-Modul 10 wieder abschaltet, wodurch sich die tatsäch liche Stromkurve wieder der unteren Stromkurve iu annähert. Bei deren Erreichen schaltet das IGBT-Modul 10 wieder ein, und die tatsächliche Stromkurve steigt wieder an, worauf sich das Spiel nach Maßgabe der Steuerfrequenz beliebig oft wiederholt. Die Stromkurven io und iu sind in erster Linie abhängig von der Steuerfrequenz und der Induktivität der Drossel L.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Spannung U gemäß der Funktion des Kom parators 27 mit der bereits genannten Steuerfrequenz von beispielhaft 20 kHz. U1 und u2 sind die vorgebbaren Steuerspannungen am Ausgang 26 des Integrators 25 in gestrichelter Darstellung. Die unterhalb der Drei ecke, also zwischen t0 und t1 bzw. zwischen t1 und t2 liegenden Abschnit te der Linien für u1 und u2 kennzeichnen den Ausschaltzustand des IGBT- Moduls 10, die dazwischen liegenden Abschnitte (oberhalb der Dreiecke) dessen Einschaltzustand. Die Ausschaltzeitpunkte sind jeweils mit "a", die Einschaltzeitpunkte mit "e" bezeichnet. Die Verhältnisse dieser Abschnitte kennzeichnen die jeweiligen proportionalen Leistungen am Verbraucher R, die zwischen 0% (an den Spitzen der Dreiecke) und 100% (an den Basen der Dreiecke) variiert werden können.

Die Auslegung der Drossel L ist abhängig von der Steuerfrequenz des Komparators 27: Je höher diese ist, umso kleiner kann L gewählt werden. Es kann also durchaus wünschenswert sein, die Steuerfrequenz des Kompensators 27 auf über 20 kHz zu steigern, beispielsweise in Richtung auf 100 kHz, wobei die Schaltfrequenz des IGBT-Moduls 10 entsprechend gesteigert wird.

Bei durchgeschaltetem IGBT-Modul 10 fließt der Strom vom Pluspol des Gleichrichters 11 über die Drossel L und den Verbraucher R zum Strom eingang 1 des IGBT-Moduls 10, weiter zum Stromausgang 2 und zum Minuspol des Gleichrichter 11. Bei ausgeschaltetem IGBT-Modul 10 fließt der Strom weiter über den Stromausgang 3 und ebenfalls über die Drossel L und den Verbraucher R. Auf die beschriebene Weise ist es möglich, den Stromfluß über den Verbraucher R und die an diesem anstehende Spannung nahezu verlustfrei aber in jedem Falle rückwir kungsfrei (auf das Netz) zu regeln. Bei einer Ofenleistung von 10 bis 20 kW entsteht beispielsweise eine Verlustleistung von etwa 0,3 kW, die über einen Kühlblock abgeführt wird. Kondensator und Drossel haben sehr kleine Abmessungen und Gewichte, die in der Summe merklich geringer sind als die vergleichbaren Werte eines Stelltransformators. Entsprechend geringer ist der Kostenaufwand. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, Niederspannungsheizelemente, die mit Spannun gen von 10 bis 120 Volt gegenüber einer Netzspannung von beispielswei se 230 Volt zu betreiben sind, mit den genannten Vorteilen zu betreiben.

Fig. 5 zeigt anhand eines Diagramms vergleichsweise den Netzstrom verlauf, wie er bei einem Molybdändisilizid-Heizstab auftritt, wenn dessen Heizleistung mittels einer klassischen Phasenanschnittsteuerung durch einen Thyristor gesteuert wird. Die Abszisse reicht über eine Halbwelle, und auf der Ordinate sind die Faktoren "F" von 0 bis 16 für die Stromauf nahme gegenüber dem Nennstrom bei Betriebstemperatur aufgetragen, wobei der Faktor 1 für diesen Nennstrom steht.

Dargestellt ist eine Schar von sinusförmigen Kurven, von denen die oberste (F = 15) für den Verlauf der Stromaufnahme im Kaltzustand gilt und die unterste für den Verlauf der Stromaufnahme bei Betriebstempera tur. Die dazwischen liegend Kurven zeigen - von oben nach unten - Strom aufnahmekurven bei steigenden Zwischentemperaturen. Die Punkte auf den Kurven kennzeichnen die Einschaltzeitpunkte, die beiden schraffierten Bereiche rechts von den Normalen auf die Abszisse kennzeichnen die anteilige Leistungszufuhr in zwei Fällen. Es ist zu erkennen, daß die Einschaltzeitpunkte mit steigenden Temperaturen zwar ständig vorverlegt werden, daß jedoch die gesamte Halbwelle erst bei Erreichen der Betriebstemperatur (unterste Kurve, F = 1) im gesamten Regelbereich durchfahren werden kann. In allen anderen Fällen ergeben sich hohe Oberwellenanteile und hohe Steuerblindleistungen.

Bezugszeichenliste

1

Stromeingang

2

Stromausgang

3

Stromausgang

6

Steuerspannungsklemme

7

Steuerspannungsklemme

10

IGBT-Modul

11

Gleichrichter

12

positive Klemme

13

negative Klemme

14

Sensoreinheit

15

Rückführungsleitung

16

Regelanordnung

17

Spannungsabgriff

18

Strombegrenzer

19

Leitung

20

Treiber

21

Leitung

22

Leitung

23

Potentialtrenner

24

Rückführungsleitung

25

Integrator

26

Ausgang

27

Komparator

28

Ausgang

29

Leitung

30

Leitung

31

Bereiche
a Ausschaltzeitpunkte
C Kondensator
e Einschaltzeitpunkte
i Strom
io obere Stromkurve
iu untere Stromkurve
L Drossel
L1 Netzspannungseingang
N Netzspannungseingang (Nullphase)
PE Netzspannungseingang (Masse)
R Verbraucherwiderstand
t Zeit
t0, t1, t2 Zeitpunkte
w Sollwert

Claims

1. Verfahren zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Heizwiderständen (R), deren Nennspannung kleiner als die Netzspan nung ist, mittels gleichgerichtetem Wechselstrom durch Halbleiter- Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als Halbleiterelement ein IGBT-Modul (10) verwendet wird
b) im Stromkreis des Heizwiderstandes und in Reihenschaltung zu diesem eine Drossel (L) angeordnet wird,
c) in Parallelschaltung zu einem für die Gleichrichtung der Netz spannung eingesetzten Gleichrichter (11) ein Kondensator (C) angeordnet wird,
d) im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) die Leistungsfaktoren Betriebsstrom (i) und Betriebsspannung (U) erfaßt und einer Regelanordnung (16) zugeführt werden,
e) in der Regelanordnung (16) mittels eines Integrators (25) ein Vergleich eines Sollwerts (w) für den Betriebsstrom (i) und die Betriebsspannung (U) durchgeführt wird, wobei das Eingangs signal eines Komparators (27) in eine Folge von Impulsen zer legt wird, deren Frequenz als Steuerfrequenz für das IGBT-Mo dul (10) verwendet wird und ein Vielfaches der Netzfrequenz beträgt, wobei im Stromkreis des IGBT-Moduls (10) und des Heizwiderstandes (R) eine Sensoreinheit (14) für den Betriebs strom (i) angeordnet und ferner die Betriebsspannung (U) des Heizwiderstandes (R) abgegriffen und zur Regelanordnung (16) zurückgeführt wird, und wobei der Ausgang der Sensoreinheit (14) über einen Strombegrenzer (18) einem Treiber (20) zur Ansteuerung des IGBT-Moduls (10) aufgeschaltet wird, und daß
f) die Abweichungen zwischen dem Sollwert (w) und der Folge von Impulsen nach Maßgabe des jeweiligen Vorzeichens der Abweichungen zur Steuerung des IGBT-Moduls (10) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfrequenz zwischen 10 und 100 kHz gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (L) zwischen 0,2 und 1,0 mH gewährt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (C) zwischen 10 und 100 µF gewählt wird.

5. Anordnung zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmi gen Heizwiderständen (R), deren Nennspannung kleiner als die Netz spannung ist, mit einem Gleichrichter (11) zur Erzeugung von gleich gerichtetem Wechselstrom durch Halbleiter-Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Halbleiterelement ein IGBT-Modul (10) ist,
b) im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) die Leistungsfaktoren Betriebsstrom (i) und Betriebsspannung (U) erfaßbar und einer Regelanordnung (16) zuführbar sind,
c) im Stromkreis des IGBT-Moduls (10) und des Heizwiderstan des (R) eine Sensoreinheit (14) für den Betriebsstrom (1) angeordnet ist, und daß der Ausgang der Sensoreinheit (14) der Regelanordnung (16) zur Ansteuerung des IGBT-Moduls (10) aufgeschaltet ist.
d) die Betriebsspannung (1) des Heizwiderstandes (R) abgreifbar und zur Regelanordnung (16) zurückführbar ist,
e) im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) und in Reihenschal tung zu diesem eine Drossel (L) angeordnet ist,
f) in Parallelschaltung zu einem für die Gleichrichtung der Netz spannung eingesetzten Gleichrichter (11) ein Kondensator (C) angeordnet ist,
g) in der Regelanordnung (16) ein Integrator (25) angeordnet ist, durch den ein Vergleich eines Sollwerts (w) für den Betriebs strom (i) und die Betriebsspannung (U) durchführbar ist, wobei das Eingangssignal eines Komparators (27) in eine Folge von Impulsen zerlegbar ist, deren Frequenz ein Vielfaches der Netzfrequenz ist und als Steuerfrequenz dem IGBT-Modul (10) über einen Treiber (20) aufgeschaltet ist, und daß
h) in der Regelanordnung (16) Abweichungen einschließlich ihres Vorzeichens zwischen dem Sollwert (w) und der Folge von Impulsen feststellbar sind, wobei der Ausgang der Regel anordnung (16) über den Treiber (20) dem IGBT-Modul (10) zu dessen Steuerung aufgeschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung für eine Steuerfrequenz zwischen 10 und 100 kHz ausgelegt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (L) zwischen 0,2 und 1,0 mH ausgelegt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (C) zwischen 10 und 100 µF ausgelegt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (14) für die Erfassung des Betriebsstromes (i) über einen Strombegrenzer (18) dem Treiber (20) aufgeschaltet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der IGBT (10) einen Spannungsabgriff aufweist, der über eine Leitung (31) dem Treiber (20) zur Spannungsbegrenzung aufgeschaltet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (27) der Regelanordnung (16) einen Fregenzgenerator für die Erzeugung einer Steuerfregenz zwischen 10 und 100 kHz mit Dreiecksimpulsen besitzt.

12. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 5 für die Leistungsrege lung von niederohmigen Heizwiderständen (R) aus der Gruppe der Widerstandsheizelemente aus Metallen, Molybdändisilizid und Siliziumkarbid.

13. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 5 für die Leistungsrege lung von niederohmigen Heizwiderständen (R) für Zwecke der Erwärmung von Werkstücken in Industrieöfen, für die Trocknung von Lacken, zum Verformen von Kunststoffen, zum Löten und für Haushalts- und Gewerbegeräte zum Garen von Speisen und zum Bügeln von Textilien.