EP1126591B1

EP1126591B1 - Verfahren und Anordnung zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Heizwiderständen

Info

Publication number: EP1126591B1
Application number: EP01100929A
Authority: EP
Inventors: Winfried Schneider
Original assignee: Jumo & Co KG GmbH
Current assignee: Jumo & Co KG GmbH
Priority date: 2000-01-22
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: SI1126591T1; DE10102124A1; DE50108270D1; ES2253286T3; EP1126591A2; EP1126591A3; ATE312429T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Verbrauchern 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 wiederkehrende 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 Widerstand zunimmt, ist die Netzstörung nur gering und von extrem kurzer Dauer. Unangenehmer ist dieses Verhalten jedoch bei einer dauernden Helligkeitsregelung 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 Gewerbegeräten 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 durchlaufen werden, so dass die Leistung in den Phasen niedriger spezifischer Widerstände begrenzt werden muss.

Eine bekannte Möglichkeit zur Leistungsregelung oder Leistungsbegrenzung besteht in der Verwendung von Stelltransformatoren, die - leistungsabhängig - schwer und teuer sind.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Leistungsregelung besteht in der Verwendung von Thyristoren, die im Phasenanschnitt- oder Impulsgruppenbetrieb arbeiten. Hierbei äussern sich jedoch die beschriebenen Netzstörungen 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 Anwendungen 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 Induktivitäten 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 Netzspannung 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.

Dokument EP 0 588 569 A2, offenbart u.a. eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie. Die Leistungssteuerung basiert u.a. auf einem PWM-Contraoller auf der Primärseite eines Transformators (Seite 1, Figur 1, sowie Figur 5). Ausser dem Transformator können auch noch mehrere Leistungsschalter zum Einsatz kommen (Figur 1, 104, Figur 2, SW32 und SW 38). EP 0 588 569 offenbart ein Vorrichtung und Verfahren zum Steuern oder Regeln einen elektronischen Geräts mittels gleichgerichtetem Wechselstrom durch Halbleiter-Bauelemente, wobei:

in Parallelschaltung zu einem für die Gleichrichtung der Netzspannung eingesetzten Gleichrichter ein Filter angeordnet wird;
im Stromkreis der Last die Leistungsfaktoren Betriebsstrom und Betriebsspannung erfaßt und einer Regelanordnung zugeführt werden;
in der Regelanordnung mittels eines Verstärkers ein Vergleich eines Sollwerts sowohl für den Betriebsstrom als auch die Betriebsspannung durchgeführt wird, wobei das Eingangssignal eines "PWM Controller" in eine Folge von Impulsen zerlegt wird, deren Frequenz als Steuerfrequenz für den Halbleiter verwendet wird, wobei im Stromkreis des Halbleiters und der Last, durch Sensoreinheiten, der Betriebsstrom und ferner die Betriebsspannung der Last abgegriffen werden und zur Regelanordnung zurückgeführt werden;
in der Regelanordnung Abweichungen einschließlich ihres Vorzeichens zwischen dem Sollwert und der Folge von Impulsen festgestellt werden, wobei der Ausgang der Regelanordnung über den Treiber den Halbleiter zu dessen Steuerung beeinflußt.

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 Temperaturkoeffizienten 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 Schaltelemente 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 Transformatoren einzusparen und statt dessen die Regelung über einen Thyristorsteller mit Phasenanschnittsteuerung durchzuführen. Um aber eine Alterung 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 effektive Strom im Vergleich zu einem gealterten Heizelement. Der Amplitudenverlauf des Stromes ist jedoch um den Faktor 4 grösser. Bei einem gealterten 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 Phasenanschnittwinkel 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 kompakte Anordnung hierfür anzugeben, mit denen die Leistung niederohmiger Heizwiderstände, deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist und die alterungsanfällig sind, unter Verzicht auf Transformatoren und bei kleinstmöglichem Aufwand und kleinstmöglichen Energieverlusten kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich geregelt werden kann, ohne dass hierbei unzulässige Netzstörungen auftreten und bei denen die Regelung und der Betrieb der Anordnung mit hoher Flexibiltät und Leistungsfähigkeit ermöglicht wird.

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 Kennzeichen 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, geregelt werden kann.

Es wurde überraschend und entgegen der Meinung einschlägiger Fachkreise festgestellt, dass dies in der Praxis tatsächlich möglich ist.

Insbesondere können die Heizleistung bzw. die Stromaufnahme niederohmiger 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 verwendet werden, der eine niedrigere Sättigungsspannung als ein Bipolartransistor aufweist und akzeptable Umschaltverluste bei Betriebsfrequenzen 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. Glättungskondensatoren können bedeutend kleiner ausgelegt 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 thermischen Belastungen der Halbleiterelemente führt. Eine sogenannte PFC (Power-Factor-Control) wird durch den Erfindungsgegenstand überflüssig; sie erfolgt automatisch.

Bei metallischen Widerstandsheizelementen lässt sich ein Kurzschluss beim Einschalten ausschliessen. Der Netzstrom ist direkt proportional der geforderten Leistung. Bei Siliziumkarbid-Heizelementen lässt sich zusätzlich ein Ausgleich des Alterungsprozesses über Jahre (!) erzielen. Beim Einschalten entsteht keine induktive Steuerblindleistung im Neuzustand der Heizelemente. Dadurch ist eine erhebliche Reduzierung der Betriebskosten einer solchen Anlage möglich. Bei kurzwelligen Infrarot-Flächenheizkörpern, wie sie z.B. in Lackieranlagen und bei Kunststoff-Thermoform- und bei Lötverfahren verwendet werden, entsteht keine überhöhte Stromamplitude 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 Stromversorgung. Wenn z.B. Heizelemente mit einer Betriebsspannung von 115 Volt betrieben werden, lassen sich diese Heizelemente ohne Transformator direkt am Netz betreiben. Wenn dabei der Nennstrom der genannten Heizelemente 50 A beträgt, so werden dem Netz nur 25 A sinusförmiger 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 Spannungen, ist also im Ergebnis keine Strom- sondern im wesentlichen eine Leistungsregelung.

Es handelt sich um einen Soll-lstwertvergleich 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 Stromspitzen im Bereich der Nulldurchgänge der Netzspannung zu minimieren, erfolgt eine Korrektur des sinusförmigen Eingangsstromes. Die Reduzierung 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 Netzspannung als Führungsgrösse heranzuziehen: Die Ansteuerung des IGBT-Treibers 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 Netzeingangsspannung 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 (Stromspitzenwertregelung, 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 x 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 Leistungsregelung von erheblichem Vorteil.

Stromspitzen im Netz, wie sie bei konventionellen Phasenanschnittsteuerungen 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 Netzbetrieb möglich ist.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich gegenüber den Phasenanschnittsteuerungen 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 entnehmen. Der Netzstrom bleibt bei konstanter Ausgangslast sowohl hinsichtlich 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 Stellbereich überhöhte Stromamplituden im Netz. In allen Fällen ist der Netzstrom immer sinusförmig und der entnommenen Leistung direkt proportional.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn im Zuge weiterer Ausgestaltungen 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,
der IGBT einen Spannungsabgriff aufweist, der über eine Leitung dem Treiber zur Spannungsbegrenzung aufgeschaltet ist, und/oder, wenn
der Komparator der Regelanordnung einen Freqenzgenerator für die Erzeugung einer Steuerfreqenz zwischen 10 und 100 kHz mit Dreiecksimpulsen besitzt.

Die Erfindung dient zur 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 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.

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

Es zeigen:

Figur 1: den Verbraucherstromkreis mit den zugehörigen Sensor- Regeleinrichtungen,
Figur 2: den Verlauf der Netzspannung nach Gleichrichtung über drei Halbwellen,
Figur 3: den prinzipiellen Verlauf des Netzstromes über eine Halbwelle der Netzspannung,
Figur 4: die Funktion des Komparators und
Figur 5: zu Zwecken des Vergleichs ein Diagramm mit einer Kurvenschar für den temperaturabhängigen Netzstromverlauf, wie er bei einem Molybdändisilizid-Heizstab auftritt, wenn dessen Heizleistung mittels einer klassischen Phasenanschnittsteuerung durch einen Thyristor gesteuert wird.

In Figur 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 Steuerspannungsklemmen 6 (für die Gatespannung) und 7 (für die Emitterspannung) besitzt. Im Verbraucherstromkreis liegen - in Reihenschaltung - der ohmsche Verbraucher R, der auch aus einer Parallelschaltung von mehreren Verbrauchern bestehen kann, und eine induktive Drossel L. Die Netzspannungseingänge sind mit L1, N und PE bezeichnet. Die Netzspannungseingänge L1 und N sind einem Gleichrichter 11 mit einer positiven Klemme 12 und einer negativen Klemme 13 aufgeschaltet. Parallel zum Gleichrichter 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 grösstmöglichen Verbraucherstroms wechselspannungsfest, aber kleinstmöglich ausgelegt, beispielsweise die Drossel L zwischen 0,2 und 1,0 mH, vorzugsweise mit 0,5 mH, und der Kondensator C zwischen 10 und 100 µF, vorzugsweise mit 50 µF. Die vorzugsweisen Werte gelten für einen Industrieofen 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 l in eine proportionale Spannung U umgewandelt, die über eine Rückführungsleitung 15 einer Regelanordnung 16 aufgeschaltet ist. Ein Spannungsabgriff 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 Rückführungsleitung 24 zur Regelanordnung 16. 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 aufgeschaltet. Von diesem führen zwei Leitungen 29 und 30 zu den Steuerspannungsklemmen 6 und 7 des IGBT-Moduls 10. Die Funktion der Regelanordnung 16 wird nachfolgend anhand der Figuren 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 Massnahme, 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 vorgegebenen Grenzwert von z.B. 7 Volt überschreitet (Kurzschlussüberwachung).

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

Figur 3 zeigt das Prinzip der Regelung über eine Halbwelle der Netzspannung U (50 oder 60 Hz) und des zugehörigen Stroms i. Im Komparator 27 wird ein zackenförmiger Kurvenzug gemäss Figur 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 angegebenen 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 tatsächliche 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.

Figur 4 zeigt den Verlauf der Spannung U gemäss der Funktion des Komparators 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 Dreiecke, also zwischen t0 und t1 bzw. zwischen t1 und t2 liegenden Abschnitte 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 Stromeingang 1 des IGBT-Moduls 10, weiter zum Stromausgang 2 und zum Minuspol des Gleichrichters 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 rückwirkungsfrei (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 Spannungen von 10 bis 120 Volt gegenüber einer Netzspannung von beispielsweise 230 Volt zu betreiben sind, mit den genannten Vorteilen zu betreiben.

Figur 5 zeigt anhand eines Diagramms vergleichsweise den Netzstromverlauf, 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 Stromaufnahme 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 Betriebstemperatur. Die dazwischen liegend Kurven zeigen - von oben nach unten - Stromaufnahmekurven 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

Verfahren zum Steuern oder Regeln der Leistung von Heizwiderständen (R) mittels gleichgerichtetem Wechselstrom durch Halbleiter-Bauelemente, wobei

a) als Halbleiter-Bauelement 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 Netzspannung eingesetzten Gleichrichter (11) ein Kondensator (C) angeordnet wird,
wobei
zum Steuern oder Regeln der Leistung von niederohmigen Widerstandsheizelementen aus aus der Gruppe Metalle, Molybdändisilizid, Siliziumkarbid und kurzwellige Infrarot-Heizkörper 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, wobei deren Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist,

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) sowohl für den Betriebsstrom (i) als auch die Betriebsspannung (U) durchgeführt wird, 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, wobei im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) eine Sensoreinheit (14) für den Betriebsstrom (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) in der Regelanordnung (16) Abweichungen einschliesslich ihres Vorzeichens zwischen dem Sollwert (w) und der Folge von Impulsen festgestellt werden, wobei der Ausgang der Regelanordnung (16) über den Treiber (20) das IGBT-Modul (10) zu dessen Steuerung beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfrequenz zwischen 10 und 100 kHz gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Drossel (L) zwischen 0,2 und 1,0 mH gewährt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (C) zwischen 10 und 100 µF gewählt wird.
Anordnung zum Steuern oder Regeln der Leistung von Heizwiderständen (R) mit einem Gleichrichter (11) zur Erzeugung von gleichgerichtetem Wechselstrom durch ein IGBT-Modul (10), und wobei im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) und in Reihenschaltung zu diesem eine Drossel (L) sowie in Parallelschaltung zu einem für die Gleichrichtung der Netzspannung eingesetzten Gleichrichter (11) ein Kondensator (C) angeordnet ist,
wobei
die Anordnung niederohmige Heizwiderstände (R) aus der Gruppe der niederohmigen Widerstandsheizelemente aus der Gruppe Metalle, Molybdändisilizid, Siliziumkarbid und kurzwellige Infrarot-Heizelemente : 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 aufweist, wobei die Nennspannung kleiner als die Netzspannung ist, wobei

a) im Stromkreis des Heizwiderstandes (R) eine Sensoreinheit (14) für die Erfassung der Leistungsfaktoren Betriebsstrom (i) und Betriebsspannung (U) angeordnet ist, deren Ausgang einer Regelanordnung (16) zur Ansteuerung des IGBT-Moduls (10) aufgeschaltet ist,

b) in der Regelanordnung (16) ein Integrator (25) und ein nachgeschalteter Komparator (27) angeordnet sind, durch welche Regelanordnung (161 ein Vergleich eines Sollwerts (w) sowohl für den Betriebsstrom (i) als auch die Betriebsspannung (U) durchführbar ist, wobei das Eingangssignal des Komparators (27) in eine Folge von Impulsen zerlegbar ist, deren Frequenz ein Vielfaches der Netzfrequenz ist und die als Steuerfrequenz dem IGBT-Modul (10) über einen Treiber (20) aufgeschaltet ist,

c) der Ausgang der Sensoreinheit (14) über einen Strombegrenzer (18) einem Treiber (20) zur Ansteuerung des IGBT-Moduls (10) aufgeschaltet ist, und wobei

d) in der Regelanordnung (16) Abweichungen einschliesslich ihres Vorzeichens zwischen dem Sollwert (w) und der Folge von Impulsen feststellbar sind, wobei der Ausgang der Regelanordnung (16) über den Treiber (20) dem IGBT-Modul (10) zu dessen Steuerung aufgeschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung für eine Steuerfrequenz zwischen 10 und 100 kHz ausgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Drossel (L) zwischen 0,2 und 1,0 mH ausgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (C) zwischen 10 und 100 µF ausgelegt ist.
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.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (27) der Regelanordnung (16) einen Freqenzgenerator für die Erzeugung einer Steuerfreqenz zwischen 10 und 100 kHz mit Dreiecksimpulsen besitzt.