Was macht ein Leistungssteller?
Leistungssteller werden zum Stellen oder Regeln von elektrischer Energie eingesetzt. Sie entstanden aus der Forderung nach einem Gerät, das das schnelle, genaue und verschleißfreie Schalten von Strom erlaubt. Früher wurde elektrische Energie meistens über elektromechanische Relais bzw. Schütze oder mit Stelltransformatoren gestellt. Diese Lösungen waren aber in Bezug auf Verschleiß, Schaltgeschwindigkeit und Kosten nicht zufriedenstellend.
Welche Steuerungsarten gibt es?
Zum Schalten der elektrischen Leistung haben sich vier Verfahren etabliert: Ein/Aus, Pulsweitenmodulation, Pulspaketsteuerung und Phasenanschnitt. Jedes hat spezifische Vor- und Nachteile und eignet sich unterschiedlich gut für die verschiedenen Lastarten. Die Auswahl der idealen Steuerungsart ist also abhängig von den Umgebungsbedingungen sowie der Lastart.
Was ist die Steuerungsart Pulsweitenmodulation (PWM)?
Pulsweiten-Modulation (PWM): Hierbei wird die Leistung durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Pausendauer während einer festen Periode bestimmt. Diese Steuerungsart eignet sich ebenfalls für träge Prozesse. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass zu Beginn einer Periode immer Strom fließt und am Ende einer Periode meistens kein Strom mehr fließt. Wenn nun viele Steller gleichzeitig arbeiten, ergibt sich durch die gemeinsame Periodentaktung eine sehr hohe Stromtaktung, was zu einer schlechten Netzqualität führt.
Was ist die Steuerungsart Pulspaketsteuerung?
Pulspaketsteuerung (Impulsgruppenbetrieb): Hierbei werden einzelne Vollwellen über eine festgelegte Periode gezielt geschaltet mit dem Ziel, lange Ein- oder Aus-Phasen zu vermeiden. Auch diese Betriebsart setzt eine gewisse thermische Trägheit der Last voraus. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der PWM ist, dass der Stromfluss gleichmäßig auf die Periode verteilt wird. Wenn nun viele Steller gleichzeitig arbeiten, ergibt sich durch die verschieden großen Stellwerte eines jeden Regelkreises eine Vermischung .der Stromfluss- und Pausenzeiten, was wiederum die Netzqualität positiv beeinflusst.
Was ist die Steuerungsart Phasenanschnitt?
Phasenanschnitt: Beim Phasenanschnitt wird jede einzelne Halbwelle direkt angeschnitten. Der Strom fließt dabei vom Zündzeitpunkt bis zum nächsten Nulldurchgang, bei dem der Thyristor wieder automatisch verlöscht. Damit lässt sich die gewünschte Leistung fast kontinuierlich einstellen. Es ist die genaueste und schnellste Regelungsart. So können auch Prozesse mit hoher Prozessgeschwindigkeit und hohen Anforderungen an eine gleichmäßige Leistungsabgabe ideal mit Leistung versorgt werden.
Wie werden Leistungssteller angesteuert?
Zur Ansteuerung von Leistungsstellern haben sich vier Verfahren etabliert. Am meisten verbreitet ist die analoge Ansteuerung mit 0-10VDC über eine SPS. Darüber hinaus kann analog mit 4.20mA, über ein serielles Datentelegramm oder über einen Industriebus wie z.B. ProfibusDP angesteuert werden.
Was bedeutet analoge Ansteuerung 0-10V?
Über den analogen Ausgang einer SPS wird der Stellwert im Bereich 0-10VDC an den Leistungssteller geschickt (statt einer SPS kann der Stellwert auch mit einem Potentiometer eingestellt werden). Dabei bedeuten 0VDC = 0% Stellwert, 5VDC = 50% Stellwert und 10VDC = 100% Stellwert. Der Leistungssteller setzt den Stellwert dann entsprechend der ausgewählten Steuerungsart z.B. in einen Phasenwinkel (beim Phasenanschnitt) oder die Einschaltdauer (bei der Pulspaketsteuerung) um. Mit dieser Variante steht eine einfache und schnelle Ansteuerung zur Verfügung. Für jeden Leistungssteller wird ein analoger Ausgang und für die gesamte Anlage ein digitaler Freigabe-Ausgang benötigt.
Was bedeutet analoge Ansteuerung 4-20mA?
Statt mit einer Steuerspannung wird hier mit einem Steuerstrom (Serienstrom) gearbeitet. Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (z.B. beim Einschalten von benachbarten Verbrauchern) und gegenüber Spannungsverlusten durch lange Leitungen und dem damit verbundenen Leitungswiderstand. Es lassen sich Längen bis ca. 1.000m realisieren. Serienstrom wird vorwiegend in sehr großen Anlagen eingesetzt wie sie z.B. in der chemischen Industrie vorkommen.
Was bedeutet Ansteuerung über serielles Datentelegramm?
Statt über ein analoges Signal wird hier der Stellwert digital übertragen. Für jeden Leistungssteller ist ein digitaler Ausgang für die Daten sowie für die gesamte Anlage ein digitaler Ausgang für den Takt erforderlich. Gegenüber der analogen Ansteuerung sind deutliche Einsparungen bei der Peripherie möglich. Zur Ansteuerung empfiehlt sich der Einsatz einer SPS oder eines PC. Der Stellwert wird mittels Protokoll SYSTRANS übertragen.
Was bedeutet Ansteuerung über Industriebus?
Die aufwändigste Variante der Ansteuerung ist die Verwendung eines Industriebusses wie z.B. Profibus DP, CANopen oder Modbus. Damit lassen sich die Steller ideal in eine bestehende Infrastruktur integrieren. Zusätzlich stehen weitere Möglichkeiten des Ein- und Auslesens von Parametern und Werten zur Verfügung. Bei Leistungsstellern auf Basis von Halbleiterrelais wird aus Kostengründen eine Bus-Ansteuerung selten realisiert. Bei Stellern auf Thyristorbasis wird die Bus-Ansteuerung als optionales Modul direkt in den Steller integriert.
Überwacht der Leistungssteller sich und den Lastkreis?
Eine der wichtigsten Anforderungen an einen Leistungssteller ist der zuverlässige und wartungsfreie Betrieb. Zusätzlich sollte der Leistungssteller Störungen sowohl am Steller selber als auch an der Last und in der Zuleitung melden, damit auf der Steuerungsebene eingegriffen werden kann.
- Sicherungsfall: Der Lastkreis muss zwingend mit einer Sicherung abgesichert werden. Die Leistungssteller erkennen den Sicherungsfall und melden die Störung entweder über ein Melderelais und/oder über den Bus.
- Drahtbruch: Ebenfalls wird ein Drahtbruch in der Zu- oder Lastleitung gemeldet.
- Lastbruch: Auch ein Lastbruch (z.B. Durchbrennen eines Glühwendels) wird gemeldet.
- Unterspannung: Bei Unterspannung kann es sein, dass dem Prozess nicht mehr die gewünschte Energie zugeführt werden kann und damit die Prozessqualität leidet. Deshalb wird auch dieser Zustand als Alarm bzw. Voralarm gemeldet.
- Ausfall Lastspannung oder Hilfsspannung: Fällt die Last- oder Hilfsspannung aus, wird auch dies gemeldet.
- Selbstdiagnose: Leistungssteller überwachen sich meist auch selbst bzgl. Ausfall oder Teilausfall. Zusätzlich können Parameter wie Kühlkörpertemperatur oder Lüfterfunktion rückgemeldet werden.
Wie stellt bzw. regelt ein Thyristorsteller die Last?
Die einfachste Variante ist, dass der Thyristorsteller den anliegenden Stellwert ungeregelt stellt. Die Regelung erfolgt dabei durch die Steuerung. Daneben gibt es unterlagerte Regelungsverfahren wie die Spannungsregelung (U, U²), Stromregelung (I, I²) und die Leistungsregelung (P). Je nach Last muss das ideale Verfahren gewählt werden.
Was bedeutet Teillastausfallerkennung?
Um mehrere Lasten in Parallelschaltung mit nur einem Steller betreiben zu können ohne die Prozesssicherheit zu gefährden gibt es Leistungssteller mit Teillastausfallerkennung. Diese setzt allerdings die Steuerungsart Phasenanschnitt voraus, da sonst in den Auszeiten der Pulspaketsteuerung die Teillastausfallerkennung anschlagen würde. Der Nennstromwert wird per Teach-Funktion am Steller eingestellt und der Ausfall einer oder mehrerer Lasten bei Unterschreiten des Sollwertes gemeldet. Dabei können Stufen von 10% realisiert werden, d.h. es können bis zu zehn Lasten mit einem Steller betrieben werden. Durch die Parallelschaltung werden alle Lasten mit dem gleichen Stellwert betrieben, eine Einzelregelung ist in diesem Fall also nicht möglich. Großer Vorteil der Teillastausfallerkennung ist der reduzierte Bedarf an Leistungsstellern und der erforderlichen Peripherie.
Was bedeutet Strombegrenzung?
Eine Strombegrenzung wird zum Schutz der Last eingesetzt. Dabei wird der maximal zulässige True RMS Laststrom am Leistungssteller eingestellt bzw. im Betrieb gelernt. Ein typischer Anwendungsfall ist der Betrieb von Lasten mit einem hohen Anlaufstrom, d.h. Rkalt < Rwarm..
Als Steuerungsart kommt in diesem Fall entweder Phasenanschnitt oder Pulspaketsteuerung mit Sanftanlauf in Frage. Wenn der Steller in die Strombegrenzung läuft, wird der Phasenanschnittswinkel so lange zurückgenommen, bis der Strom wieder unter den zulässigen Wert fällt. Durch die Erwärmung des Heizelements verändert sich der Widerstand und damit kann das Heizelement dann langsam an den gewünschten Stellwert herangefahren werden. Beispiele sind Molybdändisilizid-Heizelemente oder Infrarotstrahler.
Als Steuerungsart kommt in diesem Fall entweder Phasenanschnitt oder Pulspaketsteuerung mit Sanftanlauf in Frage. Wenn der Steller in die Strombegrenzung läuft, wird der Phasenanschnittswinkel so lange zurückgenommen, bis der Strom wieder unter den zulässigen Wert fällt. Durch die Erwärmung des Heizelements verändert sich der Widerstand und damit kann das Heizelement dann langsam an den gewünschten Stellwert herangefahren werden. Beispiele sind Molybdändisilizid-Heizelemente oder Infrarotstrahler.
Was bedeutet Mindeststellwert?
Bei einigen Anwendungen ist ein Mindest-Stellwert erforderlich, z.B. um die Glühwendel vorzuheizen, auch wenn bei diesen Stellwerten noch keine nutzbare Energie in den Prozess abgegeben wird. Dazu wird ein Mindeststellwert, der sog. Offset im Leistungssteller eingestellt. Dies kann hardwareseitig (z.B. über ein Potentiometer) oder softwareseitig (vom Hersteller gemäß Kundenspezifikation) geschehen.
Welche Lastarten können mit Leistungsstellern gestellt werden?
Jede ohmsche Last kann mit Leistungsstellern problemlos gestellt werden. Die Palette reicht von einfachen Heizelementen über Hochtemperatur-Heizelementen (z.B. SiC oder MoSi2) bis hin zu Infrarot-Strahlern. Die besonderen Charakteristika von bestimmten Heizelementen (z.B. hoher Anlaufstrom, Alterung) sind hier jedoch bei der Auswahl des passenden Leistungsstellers zu beachten. Darüber hinaus können auch induktive Lasten (z.B. induktive Heizungen) und manche Motoren (z.B. Lüftermotoren) mit den Leistungsstellern betrieben werden.
