EP1126591B1 - Method and device for controlling or regulating power of low ohmic heating resistors - Google Patents

Abstract

The power regulation method uses an IGBT-module (10) and a choke coil (L) in series with the heating resistance (R), a capacitor (C) across the mains voltage rectifier (11) and a regulation device (16) supplied with the operating current and voltage for the current circuit of the heating resistance via a sensor device (14), for providing a control frequency for the IGBT-module. The output of the sensor device is supplied via a current limiter (18) to a driver (20) for controlling the IGBT-module. Also included are Independent claims for the following: (a) a power regulation device for a low-ohmic heating resistance; (b) an application of a power regulation device for metal, molybdenum silicide and silicon carbide heating resistance elements; (c) an application of a power regulation device for low-ohmic heating resistances for workpiece warming, paint drying, soldering, or a food cooking or clothes pressing appliance.

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.The invention relates to a method for controlling or regulating the power of low-impedance consumers according to the preamble of the claim 1 and an arrangement therefor according to the preamble of Patent claim 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.When switching on or or regulating the power of consumers with Ohmic resistors have undesirable repercussions on the Supply network on how strong one-off and / or periodically recurring Power fluctuations over the network to disturbances of others Lead consumers.

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.This is particularly disturbing with ohmic loads with a positive one Temperature coefficient. A simple example of this are incandescent lamps, which have a very low resistance when cold. Because the However, filament temperature increases very rapidly and thus the resistance increases, the network disturbance is low and extremely short Duration. However, this behavior is more unpleasant in a permanent Brightness control by a so-called phase control, such as with a dimmer, e.g. with a TRIAC. in this connection creates a so-called "mains humming", by attenuators must be counteracted, the e.g. consist of a magnetic core, which is surrounded by a current-carrying conductor. This creates but a loss of power with heat.

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.However, this is more difficult and expensive for household and commercial appliances with greater benefits such as with hotplates, iron and ironing machines, infrared radiators and baking and industrial ovens with Resistance heating elements.

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.Also have metallic heating resistors of heat treatment furnaces a positive temperature coefficient. However, this is the case Problem of slow heating, which can take many minutes, so that the electricity must be limited for the duration of the heating. The Heating time increases, however, with the predetermined final temperature, the can be up to 2000 ° C.

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.Another characteristic of the known heating resistors Silicon Carbide: These can be the temperature coefficient by a Schar represent U-shaped curves in which the specific resistance is shown above the temperature. Its minimum is about 1020 ° C. In addition, the course of these curves changes with aging the heating resistors, namely by a factor of 4 in the direction of Increase.

Diese Widerstandsänderungen müssen bei jedem Aufheizvorgang durchlaufen werden, so dass die Leistung in den Phasen niedriger spezifischer Widerstände begrenzt werden muss.These resistance changes must go through each heat-up so that the performance in the phases of lower specific Resistors must be limited.

Eine bekannte Möglichkeit zur Leistungsregelung oder Leistungsbegrenzung besteht in der Verwendung von Stelltransformatoren, die - leistungsabhängig - schwer und teuer sind.A known option for power control or power limitation consists in the use of variable transformers, which - depending on performance - are heavy and expensive.

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. Another known power control option is the Use of thyristors operating in phase gating or burst mode work. Here, however, express the described network disturbances through flicker effects, harmonics, apparent and reactive power.

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.

Also known are so-called IGBT modules (Insulated Gate Bipolar Transistor Modules), which are used as switching elements, but in themselves are not suitable as a linear amplifier (manual from the company. SEMIKRON, "Power Electronics / Power Electronics '99", pages A-182) to A-194, section 6. "SEMITRANS® IGBT modules"). The previous applications are limited to:

• Frequency converter,
• uninterruptible power supplies,
• microwave ovens,
• inductive heaters (induction furnaces),
• Automobile ignitions.

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.U.S. Patents 3,913,002, 4,472,672, 5,006,975 and U.S. Pat 5,942,882 it is known consumers with rectified mains voltage operate through expensive variable transformers and network interference Avoid harmonics in the phase control by the Periodic activation of the current within each half cycle be generated. In addition, this should costly suppressors such as inductors and capacity to be reduced in size.

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. In all cases it is the regulation of the power factor (High Power Factor) by distributing short periodic current pulses, which have a frequency several times higher than that of the mains voltage, over the entire half-waves. For this purpose be out of the mains voltage Control pulses correspondingly high frequency won, with Setpoints are compared. In the circuits of consumers There are current sensors, their output signals with the setpoints compared to the known phase angle controls to control according to the power requirement. The at the consumers However, voltages are never recorded and exceeded Rule purposes used as consumers designed for mains voltage are.

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.

Document EP 0 588 569 A2 discloses inter alia a device for charging a battery. The power control is based inter alia on a PWM contractor on the primary side of a transformer (page 1, Figure 1, and Figure 5). In addition to the transformer also several circuit breakers can be used (Figure 1, 104, Figure 2, SW32 and SW 38). EP 0 588 569 discloses an apparatus and method for controlling or regulating an electronic device by means of rectified alternating current through semiconductor devices, wherein:

• a filter is arranged in parallel to a rectifier used for rectifying the mains voltage;
• in the circuit of the load, the power factors operating current and operating voltage are detected and fed to a control arrangement;
• in the control arrangement by means of an amplifier, a comparison of a setpoint for both the operating current and the operating voltage is performed, wherein the input signal of a "PWM controller" is decomposed into a series of pulses whose frequency is used as the control frequency for the semiconductor, wherein in the circuit the semiconductor and the load, by sensor units, the operating current and further the operating voltage of the load are tapped and fed back to the control arrangement;
• deviations including their sign between the desired value and the sequence of pulses are ascertained in the control arrangement, the output of the control arrangement via the driver influencing the semiconductor for its control.

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.For the regulation of the power of low-resistance heating resistors, whose rated voltage is significantly smaller than the mains voltage, are the known arrangements neither provided nor suitable, because this a current-voltage transformation must be monitored. In these Heating resistors, which can have a very high performance, is what it is For example, rods of molybdenum disilicide or silicon carbide, the be operated with rated voltages from, for example, 10 volts and their ohmic resistances either a very steep positive temperature coefficient or aging during operation, whereby their ohmic resistances quadruple, for example. Thus, for example, have the super-heating elements of the company. Kanthal Molybdenum disilicide in cold state has a resistance value of only about 1/16 of the resistance value at operating temperature. The connection from mains voltage comes on such a cold heating element So practically a short circuit equal, resulting in the destruction of the switching elements can cause and significant network disturbances due to power surges and harmonics.

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.The experts have been out several times in high-performance heaters Silicon carbide heating rods tried unsuccessfully to the usual transformers to save and instead the regulation of a thyristor to perform with phase control. But an aging the heating elements by a factor of 4 of the nominal resistance to be able to compensate for the new condition must be for a voltage reserve be provided in the order of the factor 2. This means, that only half the voltage is needed when the heating rods are new. To get the required performance, but the double flows effective current compared to an aged heating element. The amplitude curve However, the current is greater by a factor of 4. At a aged heating element with the same power output is then the full Supply voltage, and it flows the simple rated current. If So in the aged state of the heating rods with the supply voltage 230 volts is indicated, this means that the heating elements are in new condition operated with a maximum of 115 volts and twice the rated current Need to become.

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.The operation described above, however, requires very large Control angle during operation with phase control by Thyristor. What such large control angle of harmonics with can be determined by means of Fourier analyzes: it is can be seen that due to the large phase shift of the 1st harmonic considerable control blindness is needed. These control blind payments lead to ongoing additional costs in the operation of such Attachments. It should also be noted that during the intervention of the scheme the phase angle changes continuously and thus also the Spectrum of harmonics. Compensation is extremely difficult.

Daher ist die Fachwelt wieder dazu übergegangen, auf die konventionelle Lösung mit Stell-Transformatoren mit mehreren Anzapfungen zurück zu greifen.Therefore, the professional world has gone back to the conventional Solution with multi-tapping variable-voltage transformers back to to grab.

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. The invention is therefore based on the object, a control method and to specify a compact arrangement with which the performance Low-resistance heating resistors whose rated voltage is smaller than the Mains voltage is and are susceptible to aging, waiving transformers and with the smallest possible effort and the smallest possible Energy losses are controlled continuously or quasi-continuously can, without this inadmissible network disturbances occur and at the control and operation of the arrangement with high flexibility and efficiency is enabled.

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.The solution of the task is carried out at the beginning specified Method by the features in the characterizing part of patent claim 1 and in the arrangement indicated by the features in the license plate of claim 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.Thereby the set object is solved in its entirety, that is, it a control method and an arrangement therefor are given, with the performance of low-resistance heating resistors, their rated voltage is less than the mains voltage, can be regulated.

Es wurde überraschend und entgegen der Meinung einschlägiger Fachkreise festgestellt, dass dies in der Praxis tatsächlich möglich ist.It became surprising and against the opinion of relevant experts found that this is actually possible in practice.

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.In particular, the heating power or the power consumption of low impedance Heating resistors, for operating voltages between 10 and 230 volts are required, limited without variable transformers and / or be managed. Instead, an IGBT may be used as the power semiconductor be that having a lower saturation voltage than a bipolar transistor and acceptable switching losses at operating frequencies above 10 kHz, for example 20, 50 kHz and above having. Furthermore, there is an equally simple controllability as in MOS devices. The current drawn from the network at least gives way no longer significantly different from the sinusoid.

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.With the integration of control, protection and diagnostics functions a chip or a board, it becomes possible power semiconductor switch produce that are virtually indestructible. This allows GTOs or Thyristors are successfully replaced, their control significantly is more difficult and expensive, the subject invention has a high dielectric strength, allows high current density, simple Controllability and good short-circuit strength. smoothing capacitors can be designed to be significantly smaller, as they are not through Pulse-shaped charging currents are heavily loaded. There is no need Oversized RFI filter can be used more. The Power losses are significantly lower, resulting in lower thermal Loading the semiconductor elements leads. A so-called PFC (Power factor control) is rendered unnecessary by the subject invention; it is automatic.

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.With metallic resistance heating elements, a short circuit can be achieved exclude when switching on. The mains current is directly proportional to the required performance. For silicon carbide heating elements can be additionally to balance the aging process over years (!). At the When switched on, there is no inductive control reactive power in the new state Heating elements. This is a significant reduction in operating costs such a system possible. For short-wave infrared panel radiators, as they are e.g. in paint shops and in plastic thermoforming and used in soldering, there is no excessive current amplitude when switching.

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.Even if the rated voltage of the heating elements is only a fraction of the Mains voltage, the sinusoidal mains current always results the required power divided by the mains voltage of the power supply. If e.g. Heating elements with an operating voltage of 115 volts are operated, these heaters can be without a transformer operate directly on the grid. If the rated current of the mentioned Heating elements is 50 A, so the network only 25 A sinusoidal Electricity withdrawn. The resistance characteristic of the heating elements does not matter. The subject invention is subject to no wear, has a high positioning speed, better efficiency, small size and light weight when you use it with classic actuators such as transducers and variable transformers compares.

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. This is explained in more detail as follows: The regulation is made by Detection of both over the said heating resistors flowing Currents as well as across the voltages applied to the heating resistors, So the result is not electricity but essentially one Power control.

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.It is a nominal actual value comparison via an integrator. In this case, an externally preset desired value "w", e.g. from the exit of one Temperature controller, compared to the actual value of the power to be regulated. This makes it possible to achieve a subordinate control. The totality The measures and funds are ultimately responsible for at least one approximately sinusoidal current profile in the network. To the mains To minimize current peaks in the area of the zero crossings of the mains voltage, a correction of the sinusoidal input current takes place. The Reduction of the current peaks in the area of the zero crossings is through the selective suppression of the drive pulses of the IGBT achieved, without here - in contrast to the prior art - the waveform of the mains voltage to be used as a reference variable: The activation of the IGBT driver is via a comparator, which has a triangular voltage of 20 kHz, for example, with the voltage of the integrator.

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.It should be emphasized that the sinusoidal current flow of the Input current automatically sets without the mains input voltage is needed as a reference variable. As a result, also eliminates the in the prior art at the entrance to find small transformers and rectifier.

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.By constructing a cascaded control (peak current control, Current rms control and ultimately power control) is e.g. An ohmic load is built up on the Kanthal Super heating elements. The means, the longer a maximum current limited by the Heating elements flows, the more the heating element heats up and so on its resistance becomes greater.

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.Since the power P = I ² x R, formally increases only with the increase of the resistance value R and the furnace performance. So that the furnace output does not increase immeasurably and finally the heating elements are destroyed, the transition from a current control to a power control is of considerable advantage.

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.Current peaks in the network, as in conventional phase control are to be determined, no longer occur in the subject invention On: Rather, the current peaks are also during the cold start phase always far below the rated current, so that a gentle network operation is possible.

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.A particular advantage arises over the phase control controls with thyristors by saving on operating costs for the Control reactive power. As the input stream at least substantially is sinusoidal and is in phase with the input voltage, the grid at least predominantly only active power taken.

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.The subject invention has an enormously high positioning speed, better efficiency, smallest possible dimensions and a Low weight, considering these criteria with classic actuators compares. By using the subject invention, it is at age-prone heating elements possible for the first time, the network both in New as well as in the aging state to always take the same stream. The mains current remains constant with regard to constant output load the shape and the amplitude at least approximately equal and sinusoidal.

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.Since the amplitude of the mains current is determined both by the power of the Load is given as well as by the tension at the load, which is suitable Subject of the invention also for short-wave infrared radiators. It arises neither when switching on nor during operation in the lower setting range excessive current amplitudes in the network. In all cases, the mains power always sinusoidal and the power drawn directly 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.

It is particularly advantageous if in the course of further embodiments of the invention - either individually or in combination -:

• the control frequency is chosen between 10 and 100 kHz,
• the inductance of the choke is between 0.2 and 1.0 mH,
• the capacitance of the capacitor is chosen between 10 and 100 μF,
• the IGBT has a voltage tap, which is connected via a line to the driver for limiting the voltage, and / or, if
• the comparator of the control arrangement has a Freqenzgenerator for generating a Steuerfreqenz between 10 and 100 kHz with triangular pulses.

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.The invention is intended for use in ohmic power control Consumers from the group of resistance heating elements Metals and silicon carbide and for ohmic power regulation Consumers for purposes of heating workpieces in Industrial furnaces, for the drying of paints, for the shaping of plastics, for soldering and household and industrial appliances for cooking Food and ironing of textiles.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert:An embodiment of the subject invention will be below explained in more detail with reference to Figures 1 to 5:

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.

Show it:

FIG. 1

the load circuit with the associated sensor control devices,

FIG. 2

the course of the mains voltage after rectification over three half waves,

FIG. 3

the basic course of the mains current over a half-wave of the mains voltage,

FIG. 4

the function of the comparator and

FIG. 5

for purposes of comparison, a graph with a family of curves for the temperature-dependent line current characteristic, as it occurs in a molybdenum disilicide heating element, when its heating power is controlled by a classic phase control by a thyristor.

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.In Figure 1 is the core of the control arrangement a commercial IGBT module 10 of the type described above, the a current input 1, two current outputs 2 and 3 and two control voltage terminals 6 (for the gate voltage) and 7 (for the emitter voltage) has. In the load circuit are - in series - the ohmic Consumer R, which also consists of a parallel connection of several Consumers, and an inductive choke L. The mains voltage inputs are designated L1, N and PE. The mains voltage inputs L1 and N are a rectifier 11 with a positive terminal 12 and a negative terminal 13 switched. Parallel to the rectifier 11, a capacitor C is connected. The load circuit on which For example, a voltage of 230 volts is pending, is with reinforced lines highlighted. Due to the effect of the inductor L, the load current i not abruptly soaring and not abruptly to zero become.

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.The inductor L and the capacitor C are designed according to the largest possible load current AC voltage resistant, but as small as possible, for example, the inductor L between 0.2 and 1.0 mH, preferably 0.5 mH, and the capacitor C between 10 and 100 uF, preferably with 50 μ F. The preferred values are for an industrial furnace with a current consumption of 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.The power input 1 is a sensor unit 14 for the detection of Consumer power upstream; in it the measured current l becomes a proportional voltage U is converted by a feedback line 15 a control arrangement 16 is switched on. A voltage tap 17 leads via a current limiter 18 and a line 19 to a driver 20 with potential separation. In the current limiter 18 of the maximum operating current can be set to a predetermined value.

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.The voltage applied to the load R is via lines 21 and 22 tapped and fed to a potential separator 23, the example contains an optocoupler. From this leads another return line 24 to the control arrangement 16. Furthermore, the control arrangement 16 via a setpoint generator, not shown, an adjustable setpoint w switched.

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.The control arrangement 16 includes an integrator 25, at its output 26th a variable voltage u1, u2, ..... un, is present, the a comparator 27th is switched on. Its output 28 is in turn connected to the driver 20. From this lead two lines 29 and 30 to the control voltage terminals 6 and 7 of the IGBT module 10. The function of the control arrangement 16 will be described below with reference to Figures 3 and 4 even closer explained. The driver 20 serves as an amplifier with potential separation. On the Line 29 may - based on the line 30 - a voltage between +18 volts and -5 volts pending.

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).From the line 22, a branch line 31 leads to the driver 20. This Measure, which is not mandatory but beneficial, serves one Safety function, namely the monitoring of the collector voltage. Thus, e.g. a shutdown when the collector voltage is a predetermined Limit of e.g. 7 volts exceeds (short-circuit monitoring).

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.Figure 2 shows the course of the mains voltage with a frequency of example 50 or 60 Hz after rectification over three half-waves, wherein the dashed curve for the second half wave the voltage curve without rectification implies. By rectification, this half-wave on the other side of the abscissa (with the time t) "folded". The rounded areas 31 are due to the effect of the capacitor C. due.

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.Figure 3 shows the principle of the control over a half-wave of the mains voltage U (50 or 60 Hz) and the associated current i. In the comparator 27 becomes a serrated curve according to Figure 4 with a frequency generated by example 20 kHz. This so-called triangular voltage is compared with the variable voltage of the integrator 25. It turns at the output of the comparator 27, an on-off switching ratio for the IGBT 10. The wavy curve shows the actual current flow with the specified frequency of 20 kHz (control frequency) between the current curves io and iu on a very coarsened scale. First, the rising Current curve according to the voltage and the load resistance R steeply until the IGBT module 10 turns off again, causing the actual current curve approaches the lower current curve again. Upon reaching the IGBT module 10 turns on again, and the actual current curve rises again, whereupon the game after Frequency of the control frequency repeated as often. The current curves io and iu are primarily dependent on the control frequency and the Inductance of the inductor 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.FIG. 4 shows the profile of the voltage U according to the function of the comparator 27 with the already mentioned control frequency of example 20 kHz. U1 and u2 are the specifiable control voltages at the output 26 of the integrator 25 in dashed lines. The below the triangles, ie between t0 and t1 or between t1 and t2 lying sections The lines for u1 and u2 indicate the turn-off state of the IGBT module 10, the intervening sections (above the triangles) its on state. The switch-off times are each with "a", the Turn-on times denoted by "e". The proportions of these sections indicate the respective proportional power at the load R, between 0% (at the tips of the triangles) and 100% (at the bases the triangles) can be varied.

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.The design of the inductor L depends on the control frequency of the Comparator 27: The higher this is, the smaller L can be chosen. So it may well be desirable, the control frequency of the Compensator 27 to increase to over 20 kHz, for example in the direction to 100 kHz, wherein the switching frequency of the IGBT module 10 accordingly is increased.

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.When the IGBT module 10 is switched on, the current flows from the positive pole of the Rectifier 11 via the throttle L and the consumer R to the power input 1 of the IGBT module 10, to the current output 2 and the Negative pole of the rectifier 11. With the IGBT module switched off 10 the current continues to flow via the current output 3 and also via the Throttle L and the consumer R. In the manner described it is possible, the current flow through the consumer R and at this voltage applied almost lossless but in any case reaction-free (on the net). With a furnace capacity of 10 to 20 kW, for example, generates a power loss of about 0.3 kW, the is discharged via a cooling block. Have condenser and throttle very small dimensions and weights, which in total are noticeable are lower than the comparable values of a variable transformer. Correspondingly lower is the cost. That's the way it is For example, possible low-voltage heating elements with voltages from 10 to 120 volts versus a mains voltage of, for example To operate 230 volts are to operate with the advantages mentioned.

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.FIG. 5 shows by way of a diagram comparatively the line current profile, as occurs with a molybdenum disilicide heating element, if its Heating power by means of a classic phase control by a thyristor is controlled. The abscissa extends over a half-wave, and on the ordinate are the factors "F" from 0 to 16 for the current consumption plotted against rated current at operating temperature, where the factor 1 stands for this rated current.

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. Shown is a flock of sinusoidal curves, of which the uppermost (F = 15) for the course of current consumption in the cold state applies and the lowest for the course of current consumption at operating temperature. The intervening curves show - from top to bottom - current consumption curves with increasing intermediate temperatures. The dots on The curves indicate the switch-on times, the two shaded ones Areas to the right of the normals on the abscissa indicate the proportional power supply in two cases. It can be seen that the Switch-on times with increasing temperatures, although constantly advanced be that, however, the entire half-wave until reaching the Operating temperature (lowest curve, F = 1) in the entire control range can be passed. In all other cases, high results Harmonic components and high control reactive power.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Stromeingangcurrent input

22

Stromausgangcurrent output

33

Stromausgangcurrent output

66

SteuerspannungsklemmeControl voltage terminal

77

SteuerspannungsklemmeControl voltage terminal

1010

IGBT-ModulIGBT module

1111

Gleichrichterrectifier

1212

positive Klemmepositive terminal

1313

negative Klemmenegative terminal

1414

Sensoreinheitsensor unit

1515

RückführungsleitungReturn line

1616

Regelanordnungregulating arrangement

1717

Spannungsabgriffvoltage tap

1818

Strombegrenzercurrent limiter

1919

Leitungmanagement

2020

Treiberdriver

2121

Leitungmanagement

2222

Leitungmanagement

2323

Potentialtrennerpotential Breaks

2424

RückführungsleitungReturn line

2525

Integratorintegrator

2626

Ausgangoutput

2727

Komparatorcomparator

2828

Ausgangoutput

2929

Leitungmanagement

3030

Leitungmanagement

3131

Bereicheareas

aa

Ausschaltzeitpunkteoff times

CC

Kondensatorcapacitor

ee

Einschaltzeitpunkteswitch-on

ii

Stromelectricity

ioio

obere Stromkurveupper current curve

iuiu

untere Stromkurve lower current curve

LL

Drosselthrottle

L1L1

NetzspannungseingangMains voltage input

NN

Netzspannungseingang (Nullphase)Mains voltage input (zero phase)

PEPE

Netzspannungseingang (Masse)Mains voltage input (ground)

RR

Verbraucherwiderstandconsumer resistance

tt

ZeitTime

t0, t1, t2t0, t1, t2

Zeitpunktetimings

ww

Sollwertsetpoint

Claims (10)

1. Method for controlling or regulating the power of heating resistors (R) by means of rectified alternating current through semi-conductor modules, where

   a) an IGBT module (10) is used as semi-conductor module;

   b) a throttle (L) is arranged in the current circuit of the heating resistor and in series thereto;

   c) a capacitor (C) is arranged in parallel to a rectifier (11) used for rectifying the net voltage; and
   for controlling or regulating the power of low ohm resistance heater elements of the group metals, molybden disilicide, silicon carbide and shortwave infrared heating elements for the purpose of heating workpieces in industrial furnaces, for drying of paints, for shaping plastic materials, for soldering and for household and trade appliances for refining food and ironing of textiles, and with their nominal voltages being below that of the mains voltage,

   d) the power factors operating current (i) and operating voltage (U) are determined in the current circuit of the heating resistor (R) and fed to a regulating arrangement (16);

   e) in the regulating arrangement (16) is carried out a comparison of a nominal value (w) both for the operating current (i) and the operating voltage (U) by means of an integrator (25), and the input signal of a comparator (27) is split into a sequence of pulses the frequency of which is used as control frequency for the IGBT module (10), being a multiple of the net frequency, and in the current circuit of the heating resistor (R) is arranged a sensor unit (14) for the operating current (i); furthermore, the operating voltage (u) of the heating resistor (R) is picked off and fed back to the regulating arrangement (16), and the output of the sensor unit (14) is added via a current limiter (18) to a driver (10) for controlling the IGBT module (10) and

   f) in the regulating arrangement (16) are determined deviations including their signs between the nominal value (w) and the succession of pulses, and the output of the regulating arrangement (16) influences for the driver (20) the IGBT module (10) for its control.
2. Method according to Claim 1, characterised in that the control frequency is selected between 10 and 100 kHz.
3. Method according to Claim 1, characterised in that the inductivity of the throttle (L) is ensured between 0.2 and 1.0 mH.
4. Method according to Claim 1, characterised in that the capacity of the capacitor (C) is selected between 10 and 100 µF.
5. Arrangement for controlling or regulating the power of heating resistors (R) with a rectifier (11) for generation of rectified alternating current by an IGBT module (10), and in the current circuit of the heating resistor (R) and in series thereto is arranged a throttle (L), and in parallel with a rectifier (11) which is used for rectification of the mains voltage is arranged a capacitor (C), and the arrangement includes low ohm heating resistors (R) of the group of low-ohm resistance heating elements of the group metals, molybden disilicide, silicon carbide and shortwave infrared heating element: for the purpose of heating workpieces in industrial furnaces, for drying of paints, for shaping of plastic materials, for soldering and for household and trade appliances for refining food and for ironing textiles, and the nominal voltage is lower than the mains voltage, and

   a) in the current circuit of the heating resistor (R) is arranged a sensor unit (14) for detecting the power factors operating current (i) and operating voltage (U) the output of which is added to a regulating arrangement (16) for controlling the IGBT module (10);

   b) the regulating arrangement (16) includes an integrator (25) and a downstream comparator (27), and this regulating arrangement (16) allows a comparison of a nominal value (w) for both the operating current (i) and the operating voltage (U), and the input signal of the comparator (27) is split into a sequence of pulses the frequency of which is a multiple of the main frequency and which is added via a driver (20) as controlling frequency to the IGBT module (10);

   c) The output of the sensor unit (14) is added via a current limiter (18) to a driver (20) for controlling the IGBT module (10); and

   d) in the regulating arrangement (16) can be detected deviations including their sign between the nominal value (w) and a succession of pulses, and the output of the regulating arrangement (16) is via the driver (20) added to the IGBT module (10) for the purpose of controlling it.
6. Arrangement according to Claim 5, characterised in that the regulating arrangement is designed for a control frequency between 10 and 100 kHz.
7. Arrangement according to Claim 5, characterised in that the inductivity of the throttle (L) is designed to be between 0.2 and 1.0 mH.
8. Arrangement according to Claim 5, characterised in that the capacity of the capacitor (C) is designed to be between 10 and 100 µF.
9. Arrangement according to Claim 5, characterised in that the IGBT (10) has a voltage pickoff which is, for the purpose of voltage definition, switched onto the driver (20) via a line (31).
10. Arrangement according to Claim 5, characterised in that the comparator (27) of the regulating arrangement (16) includes a frequency generator for generating a control frequency between 10 and 100 kHz with triangular pulses.

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