Schaltnetzteile als Alternative zu Thyristor-Trafo-Kombi

Die drei Regelungsarten greifen alle auf eine Thyristor-Trafo-Kombi zurück, dabei bieten Schaltnetzteile als Alternative eine Vielzahl an Vorteilen. Denn alle Thyristorsteller-Transformator- Kombinationen haben eines gemeinsam: sie sind groß und schwer.

Heizelemente für Industrie- oder Laboröfen werden nach physikalischen Notwendigkeiten ausgewählt – Temperaturverhalten und Nennleistung sind demnach Vorgaben, aus denen sich Betriebsspannung und Strom errechnen. Nicht immer können Heizelemente direkt an der Netzspannung betrieben werden. Zum Beispiel dann nicht, wenn der spezifische Widerstand und die Länge von Heizdrähten - in Abhängigkeit der Zieltemperatur - Strom- und Versorgungsspannungswerte vorgeben. Ganz gleich ob es sich um Siliziumcarbid, Molybdändisilizid oder andere Widerstandsmaterialien handelt - für alle Materialien gilt das Ohmsche Gesetz. Oder aber wenn Heizelemente nicht berührungsgeschützt sind und daher die elektrische Sicherheit sichergestellt werden muss. Dann unterliegt der Aufbau der Verordnung „Schutzkleinspannung SELV“.

In beiden Fällen werden vor das Heizelement Trenntransformatoren geschaltet. Für die Einstellung und Regelung der Heizleistung werden Thyristorsteller verwendet, die den Transformator mit einer einstellbaren Spannungs/Zeitfläche versorgen und auf diese Weise die Temperaturregulierung des Heizelements oder Ofens ermöglichen. Je nach Größe der Anlage kann die Leistung der Transformatoren bis zu mehrere kVA betragen. Für die Einstellung der Temperatur bieten sich drei Regelungsarten an:

Hier werden die Thyristoren während jeder Halbwelle gezündet. Aus dem Verhältnis der gesperrten bzw. aktiven Sinuselemente ergibt sich die Leistung. Die schnelle Taktung schafft die Voraussetzung für eine konstante Temperaturregelung. Ein Nachteil dieser Betriebsart sind die HF Störungen, die durch den steilen Flankenanstieg der angeschnittenen Netzspannungshalbwellen entstehen. Dieser Umstand erfordert in der Regel zusätzlich den Einsatz von Entstörfiltern, die vom Anwender an die Endapplikation angepasst werden müssen.

Einsetzbar wenn es die thermische Trägheit der Heizelemente zulässt. Vorteil: das geringe Störpotenzial und die nicht vorhandene Blindleistung. Beim Impulsgruppenbetrieb werden komplette Sinuswellen der Netzspannung durchgeschaltet bzw. gesperrt. Aus dem Verhältnis der durchgesteuerten Sinuswellen zu den gesperrten ergibt sich die jeweilige Leistung. Häufig wird eine Kombination beider Steuerungsverfahren eingesetzt. So wird verhindert, dass durch das Schalten im Nulldurchgang der Eisenkern des Transformators in die magnetische Sättigung geht, und der Primärstrom bis zum 50-fachen des Nennstromes ansteigt. Dann wird der Primärstrom nur noch durch den ohmschen Anteil der Primärwicklung begrenzt.

Werden ebenfalls zur Verringerung von hohem Einschaltstroms eingesetzt. Dabei werden nicht die Nulldurchgänge der Sinuskurve detektiert, sondern die maximalen Scheitelpunkte der Sinuskurve. Alle Schaltungsarten können durch eine Sanftanlaufschaltung ergänzt werden, welche die hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit dämpft.

Regelbare Strom-Spannungsquellen, bei denen sich Ausgangsspannung und Ausgangsstrom von 0-100% stufenlos regeln lassen, sind eine Alternative nicht nur für transportable Laboröfen wo Größe und Gewicht des Leistungsteils eine wesentliche Rolle spielen. Sie haben auch noch andere Vorteile.

Ein Transformator mit einer Nennleistung von 3kVA hat ein Gewicht von ca. 28 kg und ein Volumen von ca. 11 cdm - Gewicht und Größe des Thyristorstellers nicht eingerechnet. Im Vergleich dazu beträgt das Gewicht eines Schaltnetzteils (im Vergleich zu Geräten eines taiwanischen Herstellers) mit 3 KW Ausgangsleistung nur 3,8 kg und ein Volumen von 3 cdm. Bei transportablen Systemen wie Laboröfen kann dies ein entscheidendes Kriterium sein.

Während Transformatoren und Thyristorsteller auf länderspezifische Versorgungspannungen von 100 VAC bis 230 VAC und 50 Hz bzw. 60 Hz ausgelegt bzw. eingestellt werden müssen, verfügen die primär getakteten Netzteile über einen Weitbereichseingang von 90 VAC bis 264VAC - und können daher an Netzfrequenzen von 47 Hz bis 63 Hz und damit weltweit betrieben werden.

Thyristorsteller können Sollwertvorgaben innerhalb von 20 mS verarbeiten, was der Zeit einer Vollwelle am 50 Hz Netz entspricht. Die Regelgeschwindigkeit der Schaltnetzteile beträgt dagegen nur 10 mS. Damit ist – zum Beispiel beim thermischen Verbinden von Kunststoffen - eine höhere Taktrate möglich. Hierbei wird häufig das Impulsschweißverfahren eingesetzt. Die verwendeten Heizelemente sind dünne Metallbänder oder Drähte aus speziellen Widerstandslegierungen.

Nur Thyristorsteller mit Effektivwert-Messeinrichtung können Netzspannungsschwankungen ausregeln: wird eine bestimmten Schwankung gemessen, wird ein Zündimpulsverriegelung aktiviert – und erst dann wieder aufgehoben, wenn keine Netzspannungseinbrüche mehr festgestellt werden. Erst dann kann der Thyristor seine Arbeit fortsetzen. Schaltnetzteile sind dagegen ohne Einschränkung voll funktionsfähig, da sie über einen Weitbereichseingang und eine Netzausfallüberbrückungszeit von 14mS (bei Volllast) verfügen.

Bei Lastbruch müssen Thyristor-Trafo-Kombinationen sofort vom Netz getrennt werden, da die Induktivität „leerlaufender“ Transformatoren so hoch ist, dass die Nulldurchgangserkennung nicht mehr funktioniert. Die Steuerung von Transformatoren über Thyristorsteller ist folglich ohne Last wesentlich aufwändiger als im Nennlastbetrieb. Dieses Verhalten ist bei idealen Transformatoren - wie beispielsweise Ringkerntransformatoren - deutlich ausgeprägter als bei geschichteten Manteltransformatoren wie EI oder UI Schnitten. Schaltnetzteile dagegen verhalten sich beim sekundärseitigen Abschalten der Last völlig unproblematisch. Höchstens ein Prozent Anstieg der Ausgangsspannung muss einkalkuliert werden.

Bei einem Kurzschluss muss der Thyristor eines Stellers mit Hilfe eines geeigneten Sicherungselements vor einem Defekt geschützt werden. Wurde die Sicherung ausgelöst, muss diese vor neuerlicher Inbetriebnahme ersetzt oder rückgestellt werden. Anders Schaltnetzteile: sie verfügen über eine sogenanntes „Constant Current Limiting“. So fließt zwar im Falle eines Kurzschlusses der maximal voreingestellte Ausgangsstrom - die Ausgangsspannung wird jedoch immer weiter zurückgeregelt und ist im Falle eines „satten“ Kurzschlusses 0VDC: Das Netzteil liefert keine Ausgangsleistung mehr. Sobald der Kurzschluss beseitigt ist, stehen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom wieder zur Verfügung.

Im Phasenanschnittbetrieb ist beim Einsatz einer Thyristor basierten Lösung die Strom- und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, bedingt durch die steilen Schaltflanken, sehr hoch. Alle 10mS, also zweimal pro 50 Hz Periode, „notiert“ das Heizelement eine steile Flanke. Dieser Umstand stresst bestimmte Heizelemente und hat dadurch einen negativen Einfluss auf deren Lebensdauer. Schaltnetzteile liefern eine kontinuierliche DC Ausgangsspannung unabhängig von der eingestellten Höhe.

Beim Einsatz einer Thyristor-Trafo-Kombination können – vor allem im Phasenanschnittbetrieb - die Vorgaben der Norm 61000-3-2 häufig nicht eingehalten werden. Diese Norm schreibt bei Geräten über 75 W eine Begrenzung der harmonischen Ströme aus dem Netz vor. Die Folge: zusätzlich müssen Entstörglieder eingebaut werden, da die Stromaufnahme der Kombi-Lösung nicht sinusförmig, sondern impulsartig erfolgt. Schaltnetzteile dagegen verfügen über eine aktive „Power Factor Korrektur“, sodass die Norm wird im gesamten Leistungsbereich eingehalten wird.

Thyristorsteller namhafter Hersteller verfügen meist über eine CE Erklärung und eine UL Zulassung. Bei den Transformatoren ist jedoch die Auswahl der Hersteller, die über eine UL Baureihenzulassung verfügen, sehr eingeschränkt. Für die beschriebenen Schaltnetzteile dagegen liegen sämtliche CE und UL Zulassungen vor. Damit sind die neuen Schaltnetzteile nicht nur für transportable Laboröfen interessant, bei denen wo Größe und Gewicht des Leistungsteils eine wesentliche Rolle spielen.

Für die Thyristor-Trafo-Kombination sprechen deren robuster Aufbau und die Tatsache, dass die anfallende Verlustleistung meist konvektionsgekühlt abgeführt werden kann. Weiterhin kann diese Kombination für sehr hohe Leistungen verwendet werden. Ein Thyristorsteller, der bei 230VAC einen Strom von 100 A schalten kann, ist also in der Lage einen Transformator (bei einem Übersetzungsverhältnis von 10:1) mit 1000 A Ausgangsstrom zu regeln.

Hier stoßen die Schaltnetzteile an ihre Leistungsgrenzen - selbst wenn bis zu acht dieser Geräte parallelgeschaltet werden können. Hinzu kommt, dass sie wegen ihrer hohen Leistungsdichte zwangsgekühlt werden. Sie verfügen also über einen internen Lüfter.

Mehr Vorteile bieten die neuen Schaltnetzteile wie die, die von Systemtechnik Leber angeboten werden – vor allem vor dem Hintergrund, dass in vielen Ländern die Netzspannung nicht dem europäischen Standard entspricht. Spannungseinbrüche, Netzspannungs- oder Frequenzschwankungen lassen die Netzteile in den erwähnten Grenzen unbeeindruckt.

Welches Schaltnetzteil für welchen Anwendungsfall das richtige ist, lässt sich am einfachsten mit Hilfe eines erfahrenen Partners ermitteln. So stellt Systemtechnik Leber seit dreißig Jahren nicht nur eigene Thyristorsteller mit Nennströmen von wenigen Ampere bis zu 700 A her, sondern übernimmt auch die dazugehörige Entwicklung oder Anpassung kundenspezifischer Softwarelösungen. Dasselbe gilt für die regelbaren Strom-Spannungsquellen bzw. Schaltnetzteile, die von einem Hersteller aus Taiwan bezogen und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.