Leistungsregelung mit AVR - Frage zu Thyristoren/Triacs

[Stefan R. (stefan-reinstadler)]

Hallo Leute, hab eine Frage an die Leistungselektroniker unter euch!

Und zwar überlege ich mir gerade eine Leistungsregelung für die 
Elektroheizung meiner Zentralheizung zu realisieren. Die Anlage hat 3 
3-phasige Heizung verbaut, zwei mit 10kW und eine mit 15kW. Gespeist 
wird das ganze aus einem privaten Kleinkraftwerk.
Das Problem ist dass das Kraftwerk im Winter teilweise weniger als 10kW 
erzeugt. Schalte ich nun eine der 10kW-Heizungen bzw. gar die 
15kW-Heizung ein ziehe ich natürlich Strom vom Netz. Da ich für die 
Einspeisung des Kraftwerks in das öffentliche Netz nur ein Bezugsrecht 
von 4kW habe kann das teilweise recht teuer werden.
Also muss eine Leistungsregelung her. Da Phasenanschnitt in Österreich 
nur bis 4kW ohne Genehmigung erlaubt, und Phasenabschnitt schwer zu 
realisieren ist habe ich mich schon mal für eine Wellenpaketsteuerung 
entschieden.
Aus einer ausgemusterten 25kW USV habe ich zudem noch 3 Thyristormodule 
(TT25N1200, Datenblatt: 
http://www.datasheetarchive.com/pdf-datasheets/Datasheets-34/DSA-679043.pdf) 
zur Verfügung die ich gerne verwenden würde wenn möglich.

Allerdings habe ich nun mehrere Probleme:

1. Weiß ich nicht genau wie die Schaltung im 3-phasigen Netz realisiert 
werden kann. Dazu kommt noch dass die 2 10kW sternförmig geschalten sind 
(3 x 230V - Heizungen) und die 15kW in dreieck ( 3 x 400V-Heizungen). 
Ist es möglich eine Schaltung für beide zu bauen? Schaltplan?

2. Wie werden die Thyristoren gezündet? Beim TT25N handelt es sich ja 
nicht um einen Triac sondern um 2 antiparallel geschaltete Thyristoren. 
Kann ich hier mit Optokopplern (ala MOC3xxx) arbeiten oder funktionieren 
diese nur mit Triacs?

Hatte noch eine weitere Frage, allerdings kann ich mich gerade nicht 
daran erinnern, vielleicht in einem späteren Beitrag :)
Vorerst mal Danke im Voraus, hoffe der Aufsatz war nicht allzu 
langweilig!

mfg

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Wie werden die 4kW gemessen? Wirklich als Momentanleistung oder als 
Kilowattstunden pro Zeit (Tag, Woche, Monat)?

Auch mit einer Wellenpaketsteuerung wirst du (nur eben gepulst) immer 
die gesamte fehlende Leistung aus dem Netz entnehmen. Wird also die 
Momentanleistung ausgewertet, hilft dir das nicht weiter.

Wird das aber pro Tag (oder gar noch länger) ausgewertet, dann reicht es 
schon aus, mit einer Zeitschaltuhr Pulspakete von z.B. 15 min. Dauer zu 
erzeugen. Oder als Schalter einen Leistungsschütz einzusetzen.

[Raimund R. (corvuscorax)]

@ Stefan:

Mein Tip wäre die Thyristoren mit Impulsübertragern und 
Impulspaketsteuerung anzusteuern. Dadurch kann die Energie zum Zünden 
der Thyristoren über den Impulsübertrager erfolgen, und jede Phase kann 
beliebig verschaltet werden, d.h. sowohl in Stern- als auch in 
Dreieckschaltung. Ein weiterer Vorteil durch die Impulsansteuerung ist 
die geringe Leistungsaufnahme gegenüber einer statischen Ansteuerung.
Für die Impulspaketsteuerung wird ein Rechteckoszillator mit einigen 
wenigen Kilohertz benötigt. Wann immer eine Halbwelle/Vollwelle an den 
Heizelementen ankommen soll, wird dieser Rechteck auf die 
Impulsübertrager gegeben. Zündet der Thyristor nicht schon mit dem 
ersten Impuls, weil z.B. der minimale Haltestrom am Anfang der Halbwelle 
noch nicht errreicht ist, so wird er immer wieder in Bruchteilen einer 
Millisekunde erneut getriggert, bis er endlich zündet.
Eine Synchronisation mit den entsprechenden Nulldurchgängen einer jeden 
Phase ist mit der Paketsteuerung natürlich zwingend erforderlich, wenn 
man kein Phasenanschnitt machen möchte bzw., wie in Deinem Fall, nicht 
darf. Dies gilt natürlich nur für die 'Pakete' und nicht für die 
Zündimpulse im Kilohertzbereich, diese 'laufen' völlig frei und 
unsynchronisiert.

Wenn nur Thyristoren zum Einsatz kommen, gibt es 2 Möglichkeiten daraus 
die Funktion eines Triacs nachzubilden: a) 2_Thyristoren werden je 
Phase antiparallel geschaltet (die Gates werden getrennt angesteuert, 
da die Gatespannung zur Kathode referenziert wird) oder b) (mein Favorit 
- aber nur bei kleineren Leistungen!) 1_Thyristor befindet sich 
innerhalb einer Gleichrichterbrücke, die die Wechselspannung für 
diesen einen Thyristor je Phase gleichrichtet. Allerdings kann man bei 
bis zu 50 Ampere auf Beschaffungsschwierigkeiten bei passenden 
Brückengleichrichtern oder auch Einzeldioden stossen. Die etwa 2 Volt 
Spannungsabfall über die Dioden ist bei Netzspannung sicherlich zu 
verschmerzen - aber, Kühlkörper nicht vergessen, denn n Ampere mal ca. 
2V kann recht viel Wärme bedeuten. ;-)
Hier gilt es also Abzuwägen, welchen Aufwand man 'treiben' möchte, oder 
ob man unbedingt die vorhandenen Thyristoren verwenden möchte - was 
sicherlich auch eine Etat-Frage ist.

Mit einem fertigen Schaltplan kann ich z.Z. leider nicht dienen, aber 
Dir bei der Schaltungsentwicklung helfend zur Seite zu stehen, wäre mir 
durchaus möglich.

[Stefan R. (stefan-reinstadler)]

Wow, erstmal danke für die schnellen Antworten!

@Lothar:
Ich kenne zwar die genauen Intervalle nicht, aber mein EVU mittelt auf 
jeden Fall über eine bestimmte Zeitspanne die im Bereich von 30 Sek. bis 
wenigen Minuten liegen dürfte. Das mit einem mechanischen 
Leistungsschalter zu realisieren würde also doch relativ anstrengend für 
das Material werden. Eine weitere Option wären Halbleiterrelais die bei 
15kW Leistung allerdings schon ganz nett ins Geld gehen. Also wollt ich 
zuerst mal probieren obs auch anders geht, ist einfach spassiger :)

@Raimund:
Wollte mir eigentlich den Umweg über die Impulsübertrager ersparen da 
die Optokoppler MOC304x doch einfacher zu realisieren schienen. Zudem 
wäre die Nulldurchgangs- detektion bereits integriert und damit ein 
weiteres Problem behoben.
Ausserdem hab ich bei erneuter Durchsicht des Datenblattes eine 
Schaltung gefunden die bereits auf 2 antiparallele Thyristoren ausgelegt 
ist. (Ich schwöre ich hab das Ding schon mehrmals durchgelesen, aber die 
Stelle wär mir nicht aufgefallen - RTFM! :) Hab die Schaltung als Anhang 
mitgesendet. Nur bin ich mir nicht sicher ob der Zündstrom, den der MOC 
liefert ausreicht. wie kann ich diesen strom berechnen?
Ausserdem glaube ich nicht dass diese Schaltung bei der Dreieckschaltung 
funktioniert. Für die Sternschaltung dürfte es aber funktionieren.

Werd nun mal einen Schaltplan zeichnen und posten, damit wir mal eine 
Diskussionsgrundlage haben.

mfg

[Stefan R. (stefan-reinstadler)]

Update, hab nen schaltplan zusammengebastelt!
Als Optokoppler werd ich 3 MOC3063 verwenden, die können 600V Spannung 
ab und dürften damit auch für 400VAC geeignet sein (sind 565V peak wenn 
ich richtig gerechnet hab :) Zudem bringt er bis zu 1A Zündstrom bei 
25°C, das wird wohl ausreichen... Die Dioden im Schaltplan sind 1n4001, 
die Widerstände sind 360 Ohm.

[Matthias L. (Gast)]

>die können 600V Spannung
>ab und dürften damit auch für 400VAC geeignet sein (sind 565V peak wenn
>ich richtig gerechnet hab :)

Hast du an die +/-10% Netztoleranz gedacht....?

busted...

[Stefan R. (stefan-reinstadler)]

@Matthias:
Hmm, tatsächlich vergessen. Zwar sind de Toleranzen zur Zeit bei +6 / 
-10%, Sollen aber nächstes Jahr auf +-10% steigen. Das sind dann 622V, 
also doch den MOC3083, der kann 800V ab, danke für den Tipp!!
Allerdings werde ich für einen ersten Versuch trotzdem den 600V-Typ 
verwenden weil ich gestern noch drei in meinen Vorratskisten gefunden 
hab (stammen aus dem Leistungsprint einer alten Jura Kaffeemaschine). 
Ausserdem hab ich noch 6 weitere, ähnliche Thyristormodule gefunden, 
also auch hier genug Material zum probieren - Trial and Error, Baby ;) 
Faszinierend was man so alles rumliegen hat...

Außerdem hab ich noch einen Denkfehler in meinem Schaltplan aufgedeckt. 
Wenn alle drei Phasen geregelt werden dürfte die Schaltung nicht 
funktionieren, da ja der Thyristor, der als erster zünden sollte keinen 
Strom leitet weil die anderen Phasen ja noch gesperrt sind. Dadurch 
zündet dann auch der 2te nicht der 3te usw. Dadurch würde die Schaltung 
gar nichts machen.
Wenn ich aber eine Phase direkt an den Verbraucher lege und die anderen 
beiden Phasen regle sollte es funktionieren, zudem wird die Schaltung 
einfacher. Funktioniert natürlich nur wenn der Sternpunkt nicht genullt 
ist, ansonsten läuft ja eine Heizung dauernd :)
Natürlich werden alle Verbraucher noch zusätzlich über Leistungsschütz 
geschalten damit der Verbraucher im "Aus-Zustand" auch wirklich 
spannungsfrei ist.