Sterowanie grzałką 10kW ( regulacja mocy PWM, softstart )

Witam,
Potrzebuję sterować grzałką o mocy ok 10kW ( grzałka zasilana międzyfazowo ), z uwagi na dynamikę obiektu w którym jest ona zamontowana istnieje konieczność regulacji jej mocy
Rozważałem następujące opcje :
- regulacja fazowa - ze względu na silne prądy udarowe raczej odpada.
- regulacja grupowa - tu lepiej, ale problemem staje się "słaba" sieć ... światło miga sąsiedzi kołki na głowie ciosają.

No i ostatni mój pomysł - regulacja PWM częstotliwość bazowa ok. 5-10 kHz ( z zastosowaniem przełącznika 2 kierunkowego w oparciu o moduły IGBT. )

Moje pytanie są następujące :

Jak regulacja mocy tą metodą wpłynie na sieć ??

Jakie zabezpieczenia, układy filtrujące będą potrzebne ??

Może ktoś ma dostęp do jakiejś literatury z opisem takich lub podobnych rozwiązań ?? Na elektrodzie znalazłem jeden post poruszający takie rozwiązanie, jednak został on w tamtym wątku przemilczany. Google też niewiele podpowiada, a może źle szukam ?

Może ma ktoś jakieś inne pomysły ?? (Pomijając przebudowę infrastruktury sieciowej i modernizację urządzenia)

Problem w tym że na obszarach wiejskich są sieci, które nie były projektowane na takie obciążenia jakie dziś występują .... i światło często przygasa, np. przy załączeniu bojlera u sąsiada, lub innych większych odbiorników energii.
W przypadku ww. urządzenia takie załączenia przy regulacji grupowej to np. raz na sekundę ... a więc nie da się nie zauważyć zjawiska migania światła. W przypadku regulacji PWM będą występować zakłucenia i jestem tego świadom, z tym że w przypadku kluczowania częstotliwością np. 10 kHz np. dławik do odkłucania będzie dużo mniejszy niż dla częstotliwości 50Hz i regulacji fazowej.

Więc pytam się jak podejść do tematu ... czy pozwolić na duże stromości narastania i opadania prądu po stronie kluczowanej i odciąć zakłucenia od strony sieci filtrem wejściowym, czy może iść w stronę ograniczania stromości narastania i opadania prądu, a może jedno i drugie ? nie mam doświadczeń z taką aplikacją więc szukam kogoś kto może się z czymś takim zetknął.

Weź pod uwagę, że zimna grzałka ma mniejszą rezystancję jak gorąca. Do załączenia dochodzi zwykle gdy woda w zbiorniku jest zimna czyli grzałka również. Wtedy masz największy pobór prądu. Grzałka 10kW rozgrzewa się trochę dłużej jak chwilę zwiększając rezystancję do znamionowej a co za tym idzie ograniczając prąd w obwodzie.
PWM nie jest zły. Zauważ, że coraz więcej urządzeń jest zasilane z przekszałtników. A to zwykle sterowanie PWM pod różnymi postaciami.
To co mógłbym ci doradzić to układ właśnie na IGBT, prostownik diodowy i układ wytwarzający PWM z softstartem. To ostatnie jest najważniejsze!
Filtr typu PI tak jak się to zwykle stosuje w zasilaczach. Można spróbować dodać niewielką szeregową indukcyjność by ograniczyć szybkość narastania zbocza ale przy takiej częstotliwości kluczowania już samo uzwojenie grzałki zapewni stosowną indukcyjność. Możesz też zrobić trochę inteligentniejszy układ, który będzie działał na zasadzie "odwróconego tyrystora". Wtedy odpada problem szybkiego kluczowanie PWM. Powinno to działać mniej więcej tak. Układ wykrywający zero włącza obwód grzałek. Po dojściu do pewnej wartości prądu płynącego w obwodzie wyłącza je na pozostałą część półokresu. Czyli w tym trybie grzałki pracują z ograniczeniem prądu. Wraz ze wzrostem ich rezystancji rośnie też czas przepływu prądu przez grzałki. Ograniczasz w ten sposób zakłócenia do niewielkiego poziomu, nie masz problemu narastającego zbocza i strat związanych z komutacją IGBT. Tworzysz układ "samostawny", który sam dostosowuje się do obiektu. Ja takie układy preferuję.
W przypadku PWM ważny jest powolny softstart i to trwający kilka minut tak by łagodnie rozgrzać grzałki na nie pakować od razu całej mocy.
Jeszcze inną metodą, choć nie wiem jak to jest z realizowalnością w twoim przypadku, jest zastosowanie np. 3 grzałek 3.3kW i załączanie ich na zasadzie przyłączania kolejnych sekcji.
Stoisz wszak przed problemem, że zrobić coś musisz. Zrobienie tego na IGBT pociągnie za sobą niewielkie koszty więc dlaczego nie spróbować?
Na marginesie dodam, że dzięki takiemu, PWM/"odwróconemu tyrystorowi" sterowaniu i grzałki popracują bezawaryjnie dłużej.

Stwierdzenie raz na sekundę podałem przykładowo .... ( w przypadku sterowania grupowego - prawie tak teraz jest - wolny PWM, + SSR - narazie proporcjonalnie do przepływu )

Urządzenie to podgrzewacz przepływowy ... z tym że zamontowany jest za wymiennikiem wodnym ... więc różni się temperatura wody wejściowej .. zmiany mogą być dosyć gwałtowne a temperatura wody wyjściowej powinna być ( w miarę ) stała z możliwością regulacji.

W każdym bądź razie będę próbował ... póki co mam układ testowy, zasilał będę narazie halogen 300W - na tyle wystarczy mi mocy z trafa separacyjnego .... i będę badał różne konfiguracje.

Oczywiście temat pozostawiam otwarty ... może ktoś już próbował takiego podejścia.

WojcikW W przypadku PWM synchronizacja nie ma sensu i nic takiego nie napisałem. Oprócz tego zaproponowałem metodę "odwróconego tyrystora" bowiem taka akurat nazwa przyszła mi do głowy. Nie wiem jak wygląda sztywność sieci w tamtym miejscu gdzie grzałki są zainstalowane. Wiem za to, że różnie bywa np. na wsiach z przygasaniem światła gdy sąsiad włącza np. młockarnię. Zaproponowałem dlatego stosunkowo prosty ogranicznik prądu, zważywszy na fakt, że rezystancja grzałek rośnie wraz z ich temperaturą. Jak dla mnie, od strony praktycznej, warunkiem koniecznym do spełnienia ograniczenia prądowego jest możliwość pomiaru prądu płynącego przez odbiornik i odłączenia go przy zadanej wartości. Sprawa załączenia na opadającym zboczu jest sprawą wtórną. Trzeba wiedzieć na ile czasu ma być załączony IGBT na opadającej części połówki przebiegu.

Cześć.
Czy w układzie masz wykrywanie przejścia przez zero?

Odpowiem nieelektrycznie:
Pomyślałeś o mniej dokładnym regulowaniu grzałki i mieszaniu wody ciepłej z zimna w celu uzyskania właściwej temperatury na wylocie?

@cranky - tak miałem taki pomysł, ale z uwagi na koszt instalacji mieszającej, i jej sterowanie raczej zostanę przy sterowaniu mocą grzałki.

@lotnick - może to być przydatna rzecz przy rozruchu grzałek ( jak napisali koledzy wcześniej ), narazie jednak w układzie testowym pomijam tą część.

Spróbuj napisać do: 9ryszard. Wiem, że wykonywał podobny układ dla instalacji powyżej 20 kW.

__Maciek__ wrote:

@cranky - tak miałem taki pomysł, ale z uwagi na koszt instalacji mieszającej, i jej sterowanie raczej zostanę przy sterowaniu mocą grzałki.

Nie próbowałem tego w praktyce ale może zamiast zaworu trójdrożnego z regulatorem PID nadałaby się... bateria wannowa z nastawianą temperatura wylotu (na "metalu z pamięcią")

@cranky - wierz mi proszę .... testowałem - przynajmniej te tanie do niczego się nie nadają.

Prace trwają ... wolno bo wolno ... do kol. 9ryszard napisałem na prv. może zajmie jakieś stanowisko, coś podpowie.

Najlepszym moim zdaniem rozwiązaniem jest wymiana podgrzewacza przepływowego na mały objętościowy z termostatem. Grzałka 2kW i termostat załatwi sprawę.
Rozważ to, bo dobrego regulatora 10KW za darmo też nie zbudujesz.
Są w handlu takie małe 5-15litrowe baniaczki.
Tak czy siak 300-400zł przygotuj.

Ja proponuję jednak regulację grupową
ale "szybką". Na poziomie (jakby to opisać) pojedyńczych półokresów
przebiegu sinusoidalnego napięcia sieci.
Przepuszczanie np. co drugiego półokresu (albo nawet okresu)
redukuje moc o połowę . Jeżeli przepuścimy dwa okresy i jeden nie,
to moc będzie na poziomie ok. 60%
I tak dalej.
Przygasanie światła jest praktycznie niezauważalne
bo to jednak będzie się działo kilkadziesiąt razy na sekundę

Witam.
Posiadam przepływowy ogrzewcz wody Kospel EPPV-12. Jest tam zespół grzejny składający się z 6-ciu grzałek (każda po 2 kW) Link
Grzałki są włączone międzyfazowo. Regulacja odbywa się poprzez dołączanie kolejnych grzałek.
Ostatnia włączona grzałka jest sterowana grupowo z częst. ok 10 Hz, czyli 10 półokresów sieci.
Daje to w sumie regulację mocy co 1,66 % całego zespołu.

__Maciek__ wrote:

@cranky - tak miałem taki pomysł, ale z uwagi na koszt instalacji mieszającej, i jej sterowanie raczej zostanę przy sterowaniu mocą grzałki.

Ale jaki koszt? Zawór kosztuje nieco ponad 100pln http://www.sklep.etermo.pl/index.php?products=product&prod_id=470 do tego kilka rurek i złączek, zrobisz to na pex-ie, koszt instalacji mieszającej to max 200 zł. Dajesz mniejszy zbiornik z mniejszą grzałką i grzejesz co prawda dłużej, ale nie musisz martwić się o za wysoką temperaturę, wystarczy zwykły termostat elektroniczny za ok 100pln.

Skoro chcesz stosować PWM to daj na wejściu mostek prostowniczy 3-fazowy. Za nim kondensator na 600V. Dobrze by było dać dławiki na poszczególnych fazach do ograniczenia prądu. Dzięki temu rozłożysz obciążenie równomiernie na 3 fazy a PWM zapewni płynną regulację mocy. To rozwiązanie jest tańsze i pewniejsze niż dodatkowe mieszacze i zbiorniki.

mostek kupisz za kilkanaście PLN ewentualnie dwa mostki jednofazowe na 1000V/50A
IGBT na 100A kupisz poniżej 100PLN (w zasadzie wystarczy 30A pracy ciągłej np. GT60N321 - fast IGBT 1000V 60A )