Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PFC um Heizelement zu regulieren


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von Paul H. (powl)


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Hi,

an meinem Inverter-Generator würde ich gerne eine potente Nebelmaschine 
betreiben. Leider überfordert diese mit ihrem 1000W-Heizelement den 
Generator, obwohl die hohe Heizleistung gar nicht unbedingt notwendig 
wäre, da die Heizphasen immer recht kurz sind und die Hitze dann fortan 
im Heizblock eine Zeit lang gespeichert wird.

Daher wollte ich das Heizelement gerne auf 300W drosseln. Jedoch kann 
ich hier nicht einfach Phasenanschnitt verwenden, da hierbei die 
maximale Strombelastbarkeit des Inverters genauso überschritten wird, 
auch wenn die Gesamtleistung geringer wird. Die Strombelastung muss nach 
wie vor sinusförmig bleiben.

Daher hatte ich mir überlegt, ich regel die Leistung des Heizelements 
mit einer PFC, die den Eingangsstrom nahezu sinusförmig hält. Am Eingang 
befindet sich dann also ein Step-Up-Wandler, dessen Tastverhältnis so 
eingestellt wird, dass der Eingangsstrom immer proportional zur 
Eingangsspannung ist. Der Strom fließt hierbei in einen Kondensator, der 
sich auf sagen wir bis zu 350V aufläd. Aus diesem Kondensator speise ich 
über eine PWM das Heizelement und kann somit fast beliebige 
Heizleistungen einstellen. Jetzt muss ich nur noch dafür sorgen, dass 
aus dem Zwischenkreiskondensator im Schnitt genau so viel Energie über 
die Heizelement-PWM herausfließt wie durch den Setup-Up-Wandler 
hineinfließt.

Könnte das so funktionieren oder gibt es da noch Probleme, die ich nicht 
bedacht habe?

lg

von eProfi (Gast)


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KISS: schalte einen Spartrafo vor das Heizelement.
Bei den gut erhältlichen 230->115V hast Du ein viertel der Leistung.
Mit einem Spar-Regeltrafo kannst Du die Heizleistung stufenlos 
einstellen.

von Paul H. (powl)


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Ja schon richtig, aber Spartrafos dieser Leistungsklasse sind halt auch 
relativ massive Teile und eine einfache Induktivität kann ich ggf. 
durchaus noch komplett in die Nebelmaschine integrieren und die Leistung 
dann auch digital beliebig einstellen.

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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Paul H. schrieb:

> Ja schon richtig, aber Spartrafos dieser Leistungsklasse sind halt auch
> relativ massive Teile

Da dieser ja nur 125W haben muss, ist er, speziell in Form
eines RKT so gross nicht. Man könnte auch einen beliebigen,
anderen RKT mit 2 x 115-Eingang nehmen, der müsste allerdings
ca. 200W Leistung haben. Beides wäre aber eine "KISS"-Lösung
und wesentlich zuverlässiger als eine komplizierte Halbleiter-
Lösung.

von Paul H. (powl)


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Ja, guter Punkt! Eventuell hätte ich schon im Eingangsposting erwähnen 
sollen, dass letztendlich mehrere Nebelmaschinen so umgerüstet werden 
sollen, damit sie in unterschiedlichen Konstellationen an 
unterschiedlich leistungsttarken Generatoren betrieben werden können, 
wofür es erforderlich ist, die Eingangsleistung bestenfalls stufenlos 
einstellen zu können. Die 300W waren nur beispielhaft ;-) Daher kann ich 
das KISS-Prinzip hier leider nicht anwenden.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Paul H. schrieb:
> Könnte das so funktionieren oder gibt es da noch Probleme, die ich nicht
> bedacht habe?

Das könnte so funktionieren, ist aber zu viel Aufwand, um nur zu heizen. 
Ich schlage eine einstufige Lösung vor. Wenn die Schaltung so 
dimensioniert ist, daß sich die Induktivität in jeder Schaltperiode 
vollständig entmagnetisiert, erhält man eine sinusförmige Stromaufnahme.

von Mani W. (e-doc)


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Paul H. schrieb:
> Leider überfordert diese mit ihrem 1000W-Heizelement den
> Generator, obwohl die hohe Heizleistung gar nicht unbedingt notwendig
> wäre

Sollte mit einem entsprechenden Kondensator in Reihe machbar sein...

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Wie groß ist so eine 1kW-Nebenmaschine?
Ein 1kW Stelltrafo wird nicht größer sein.
Als Spar-Trafo noch weniger.

Wenn die Umgebung, wo Das nachher aufgebaut ist, nicht allzu chaotisch 
ist, könntest Du die Nebenmaschine einfach auf den Stell-Trafo drauf 
stellen.
Wenn Dieser nicht gebraucht wird: laß Ihn im LKW und stöpsel den Nebler 
direkt in die Steckdose.

MfG

von ChrisBarnes (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Wenn die Schaltung so
> dimensioniert ist, daß sich die Induktivität in jeder Schaltperiode
> vollständig entmagnetisiert, erhält man eine sinusförmige Stromaufnahme.

Du meinst einfach nur Discontinuous-Conduction-Mode, oder?

Er kann schon bei seiner Idee bleiben, einen Step-Up zu benutzen. Man 
bekommt auch die Stromaufnahme mit etwas besserem PF, vor allem aber 
besserer THD, hin, wenn man einfach nur mittels eines Monoflops eine 
konstante Einschaltdauer für den Schalttransistor vorsieht 
(Constant-On-Time-Control, Transition Mode, Critical Conduction Mode 
genannt.)

Über die konstante Einschaltdauer ergibt sich, weil auch die 
Induktivität immer gleich ist, ein der Eingangsspannung folgender 
Stromverlauf. Und die Schaltung erfordert keinen Multiplizierer, nur 
eine Meßwicklung für den Komparator, der beim Stromnulldurchgang das 
Monoflop triggert, und natürlich einen OPV o.ä. für die Regelung der 
V_out. Geht also notfalls ohne "PFC-Controller".

Paul H. schrieb:
> Jetzt muss ich nur noch dafür sorgen, dass
> aus dem Zwischenkreiskondensator im Schnitt genau so viel Energie über
> die Heizelement-PWM herausfließt wie durch den Setup-Up-Wandler
> hineinfließt.

Mußt Du nicht. Der ELKO bleibt auf seinen U-Wert geladen, so lange die 
entnommene Leistung nur kleiner ist, als die Leistung, die maximal von 
der PFC erbracht werden kann.

von ChrisBarnes (Gast)


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Bei dem von mir beschr. PFC-Kontroll-System ist das dann nur ein 
Kompromiß aus Induktivität und ungefährer Schaltfrequenz. Bei gegebener 
Drossel-Induktivität müßte man also mit der Frequenz nach unten (und die 
Einschaltdauer leicht steigern), schon gibt´s mehr "Power-Through-Put".

von ChrisBarnes (Gast)


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Aber egal, das war nur eine mögliche Antwort auf Svens Vorschlag (obwohl 
der auch gut ist - die PF-Qualität reicht wohl aus). Willst Du "Luxus" 
bei den Werten, muß ein "richtiger" PFC-Controller (oder aber einstufige 
PFC+DC-DC, als Flyback oder SEPIC, nur blöd bei so hoher Leistung...) 
her.

Ich würde einen "fertigen" PFC-Controller nehmen, und bei Deiner PWM per 
Brücke bleiben, glaube ich.

von ChrisBarnes (Gast)


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So würde das aussehen und funktionieren...
http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap12/Kapitel12.html#12.2
Bild 12.2B und der Text darunter.

Aber einfacher ist das Ganze schon mit fertigen PFC-Controllern z.B. mit 
einem dem genannten ganz ähnlichen Prinzip (L6561/2/3/4). Oder aber - 
wenn die Leistung doch dauerhaft an 1kW reicht - vernünftigerweise im 
CCM (Continuous Conducton Mode), dann aber freilich mit anderem 
Controller. Denn  prinzipbedingt, da der Strom nur im 
Spannungsnulldurchgang null wird, ist dabei der Ripple, und auch der 
Spitzenstrom geringer - diese Betriebsart kommt deshalb mit (etwas) 
kleinerer Drossel aus, was bei hohenLeistungen von Vorteil ist.

PFC-Schaltungen, egal ob die "selbstgemachte", oder fertige Controller, 
formen übrigens NICHT NUR den Eingansstrom zum Sinus. Sondern sie regeln 
(meist via Spannungsteiler) auch die Ausgangsspannung! Noch mal:

ChrisBarnes schrieb:
> Paul H. schrieb:
>> Jetzt muss ich nur noch dafür sorgen, dass
>> aus dem Zwischenkreiskondensator im Schnitt genau so viel Energie über
>> die Heizelement-PWM herausfließt wie durch den Setup-Up-Wandler
>> hineinfließt.
>
> Mußt Du nicht. Der ELKO bleibt auf seinen U-Wert geladen, so lange die
> entnommene Leistung nur kleiner ist, als die Leistung, die maximal von
> der PFC erbracht werden kann.

Du hast also eine geregelte Gleichspannung am PFC-Ausgang, egal wie viel 
Leistung Du der Heizung zuführen willst. (Lediglich mußt Du diese PFC 
auf die maximale vorkommende Leistung auslegen.)

Nur bei der Heizung mußt Du noch eine eigene Regelschleife machen, denn 
alles andere macht schon die PFC ganz von alleine...

Je niedriger Du aber die PWM-Frequenz der Heizung machst, zumindest wenn 
sie sehr niedrig sein soll (gibt aber keinen Grund dafür), desto mehr 
Spitzenleistung müßte die PFC bringen können...

Also, in welche Richtung denkst Du? Welche Art Schaltung würde Dir 
vorschweben? Gibt es Beschränkungen, mit welcher Frequenz die Heizung 
"gedimmt" werden dürfte? Sonstige weitere Infos?

von ChrisBarnes (Gast)


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Übrigens... wenn ein Phase-Cut als Dimmer nicht in Frage kommt, könnte 
aber ein sogenannter "PWM-Sinus-Dimmer" funktionieren. Dieser "zerhackt" 
praktisch die 230V~ in kleine Stücke, sogar ähnlich einer PFC.

Unterschied: Die Topologie an sich, ohne Drossel, erzeugt einen 
"schmalpulsigen" Stromverlauf, also mit vielen Lücken. Vorteil: Trotzdem 
hoher Power Faktor, weil so die Höhe der Strompulse dem Spannungssinus 
zeitlich auch folgt. Mit Drossel aber ergibt sich je nach deren 
Induktivität eine "noch viel sinusförmigere" Stromaufnahme.

Im Grunde ist das Prinzip genau umgekehrt, wie ein (einfach 
PWM-modulierter) Klasse-D-Verstärker. Bei diesem werden nämlich die 
verschieden breiten, und in der Polarität auch mal wechselnden (ergeben 
ja dann Schall-Signal) Rechteck-Spannungs-Pulse durch einen LC-Filter in 
eine sinusförmige Spannungsquelle verwandelt.

Hier HAT man diese Quelle schon, schaltet sie aber mit relativ um 
einiges höherer als der Netzfrequenz ein und aus.

Da Deine Heizung ja mit Wechselspannung zurechtkommt, gibt es nicht 
unbedingt einen Grund, zuerst mal eine DC zu machen. Gibst Du mir recht?

Den Sinusdimmer kannst Du übrigens auch selbst bauen, wenn Dir die 
Geräte zu teuer sind. (Zumindest waren die mal nicht ganz billig - evtl. 
jetzt "im Rahmen"?) Beispiele sogar hier im Forum...

[Außerdem bin ich mir der Bedeutung des Begriffes "Inverter-Generator" 
nicht bewußt - sonst hätte ich evtl. dazu etwas zu sagen gewußt... falls 
ein Wechselrichter, könnte man nämlich je nach Komplexität schon auch in 
dessen  Steuerung eingreifen.

Der Gedanke macht aber scheinbar sowieso nur Sinn, falls je EIN 
"Inv.-Gen." pro Nebelmaschine da wäre - Du wolltest ja jeden einzelnen 
Nebler regelnkönnen, nicht?]

von Peter D. (peda)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Ich schlage eine einstufige Lösung vor.

Ich würde aber einen einfachen Buck-Converter nehmen, d.h. L und D 
vertauschen. Dieser wirkt bei konstantem Tastgrad quasi als 
Spannungsteiler, d.h. der mittlere Strom bleibt sinusförmig.
Der Kondensator nach der Graetzbrücke sollte so klein sein, daß er nur 
die PWM puffert, aber für die 50Hz noch schön hochohmig ist.

von Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) (Gast)


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eProfi schrieb:
> KISS

ChrisBarnes schrieb:
> Discontinuous-Conduction-Mode

ChrisBarnes schrieb:
> Constant-On-Time-Control, Transition Mode, Critical Conduction Mode
> genannt

ChrisBarnes schrieb:
> Power-Through-Put

ChrisBarnes schrieb:
> Phase-Cut


Könnt ihr diesen Mist evtl. mal lassen? Es könnte ggf. jemand den 
Eindruck gewinnen, ihr hättet immerhin Halbwissen bezüglich der 
Elektronik.
Auf die Tour hier ist das völlig aussichtslos, da man sofort erkennt, 
mit wem man es zu tun hat.

von ChrisBarnes (Gast)


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Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
> Könnt ihr diesen Mist evtl. mal lassen?

Ich bitte um Entschuldigung. Jedoch wandte ich diese Begrifflichkeiten 
nicht ohne Grund an. Obwohl sie aus meinem ausgiebigen Konsum 
englischsprachiger Literatur stammen, war das weder reine "Gewöhnung" 
daran, noch die Absicht, "cool" oder ä. wirken zu wollen - und schon gar 
nicht liegt es daran, daß ich äquivalente deutsche Bezeichnungen nisht 
kennen würde.

Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
>> Discontinuous-(Conduction-)Mode

Auf deutsch vermeintlich schlicht mit Lücken/Lückbetrieb zu 
(üb)ersetzen. Jedoch liegt (ohne Ergänzung) der begrifflichen 
(Be)deutung die [also nicht direkt bezeichnete] allg. Ursache für die 
Betriebsart im Deutschen etwas mehr bei "unabsichtlich" (obwohl teils 
schon auch für "geplant" benutzt, jedoch halt meiner Erfahrung nach 
schlicht seltener).

Im Englischen ist es bei "DC(C)M" genau umgekehrt: Nicht näher 
bezeichnet, und ohne weiteren Zusammenhang, meint man damit zumeist (!) 
die als für den Konverter (und das ausschließlich) geplante Betriebsart.

Auf diese Weise wollte ich Sven schlicht entlocken, welche genaue Form 
von Lückbetrieb (und damit auch welche exakte Art des Steuerverfahrens) 
er meint...

Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
> Constant-On-Time-Control, Transition Mode, Critical Conduction Mode
>> genannt

Hier wiederum finden sich im Deutschen einfach keine so abgekürzten, 
trotzdem exakt zuweisenden, Begrifflichkeiten... und ich wählte diese 
statt einer längeren deutschen Beschreibung.

Aber, das trifft hier zu, ich hoffte gleichzeitig auf die Bekanntheit 
zumindest eines der Begriffe - deshalb die Nennung 3er davon. (Kurz: 
Zu faul für deutsche Beschreibung, aber Befürchtungen, daß die Begriffe 
unbekannt seien.

Doch wiederum: Nicht aus vorgespielter "Coolness".

Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
>> Power-Through-Put

Hier muß ich Dir allerdings zustimmen: Ich hatte in diesem Beitrag schon 
einige engl. Begriffe benutzt, und wurde (kurzer "Gewöhnungseffekt") 
davon dazu "verführt". (?) Hier hätte, ohne weiteres, auch 
"Leistungsdurchsatz" gepaßt. Ich bitte um Verzeihung.

Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
>> Phase-Cut

Zuletzt dann trifft sowohl gerade in () genannte Effekt, als auch o. g. 
Faulheit zu: Mit dem herrlich kurzen Begriff "Phase-Cut" wollte ich das 
umständlichere "Phasen-An- oder auch Phasen-Ab-Schnitt" vermeiden - denn 
im (technischen) Deutschen ist "Phasen-Schnitt" zumindest völlig 
ungebräuchlich, doch möglicherweise auch gar nicht korrekt. (?)

So. Jetzt habe ich mich also teils gerechtfertigt, teils meine Fehler 
zugegeben. Ich frage mich nur, ob die Benutzung englischer Fachbegriffe 
allgemein so verhaßt ist, oder nur bei Dir und einer kleineren 
Minderheit...

Ach ja: eProfis "KISS" diente wohl auch... schlicht als Abkürzung.
(Genau wie bei mir also "Schreibfaulheit". Schrecklich...)

Der Gast hat immer recht! (Mr. Krabs) schrieb:
> Es könnte ggf. jemand den Eindruck gewinnen, ihr hättet
> immerhin Halbwissen bezüglich der Elektronik.
> Auf die Tour hier ist das völlig aussichtslos, da man
> sofort erkennt, mit wem man es zu tun hat.

Also... meine Intention bzgl. der Benutzung obiger "Fremdworte" hast Du 
schon einmal gründlich mißinterpretiert - dessen bin ich sicher.
Worauf genau Du bei "mit wem man..." hinauswillst, bleibt für mich aber 
schleierhaft.

Wärst Du bitte so nett, meine vermeintliche oder tatsächliche Identität 
bzw. (was Du wohl eher meintest) die - individuelle Identität mal außen 
vor   - "Art meiner fehlerhaften Spezies", zu verraten?

Ich hatte nämlich nie behauptet, ein (gar besonderer) "Fachmann" zu 
sein. Und, ob Du's glaubst oder nicht: Auch der Rest meiner Beiträge 
hier, sowie meine weiteren Beiträge an anderer Stelle, dienen nicht 
der Zurschaustellung extremer Fachkenntnis, sondern (und dafür darfst Du 
mich gerne kritisieren) ich versuche trotz meiner fachlichen 
Unzulänglichkeit, das bißchen, was ich weiß, anderen evtl. 
näherzubringen.

Also, bitte (da Du ja überlegen zu sein scheinst - oder...): Eröffne 
mir, wie ich es besser machen kann (und sollte).

von ChrisBarnes (Gast)


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Aber bitte nicht überlesen: Die Aufforderung, bei Gelegenheit die 
englischen Begriffe durch deutsche zu ersetzen, hat mich schon erreicht. 
Und da ich Dir teilweise zustimme, werde ich mich bemühen, dies 
umzusetzen.

(Alleine schon, um zukünftig nicht weitere wohlmeinende, aber doch 
großteils falsch liegende, "Coolness-Kritiker" aufzuscheuchen.)

Meine Fragen richten sich also - von gerade genanntem abgesehen - an die 
Bedeutung Deiner interessanten restlichen Ausführungen.

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