Temperaturregelung
Energie punktgenau dosieren
In hochsensitiven Anwendungsbereichen der Industrie ist beim Temperieren häufig noch die Zweipunkt-Regelung an der Tagesordnung. Eine Alternative sind Leistungssteller, die um einiges präziser sind.
Die Zahl der industriellen Anwendungsfelder, in denen eine genaue Temperaturregelung von entscheidender Bedeutung ist, ist groß – etwa bei der thermischen Verarbeitung von metallischen Materialien, Kunststoffen und Lebensmitteln, in Lacktrocknungsstationen in der Automobilindustrie, in Trocknungsanlagen in der Papier- oder Druckindustrie oder in Extrusions- und Blasanlagen in der Kunststoffindustrie. Herkömmlich werden hier vielfach Zweipunktregler als einfachste und kostengünstigste Methode zur Temperaturregelung verwendet. Allerdings ist die Zweipunktregelung zugleich die ungenaueste. Das Prinzip der Zweipunktregelung ist schlicht ‚An‘ oder ‚ Aus‘. Das heißt, die Leistung und damit die Temperatur ist entweder zu 100 % da oder überhaupt nicht vorhanden. Für hochsensitive Materialien ist dies nicht optimal, da zwischen den beiden Schaltpunkten die Hysterese liegt, also die Zeit des Abkühlens beziehungsweise Aufheizens, bis das Heizelement wieder zu- beziehungsweise abschaltet. Bei sensiblen Prozessen und im Laborumfeld kann ein solch ‚unstete‘ Regelung wegen ihrer Ungenauigkeit zu unbefriedigenden Ergebnissen führen oder ist sogar schlichtweg nicht einsetzbar. Hier bieten sich stattdessen Leistungs- respektive Thyristorsteller an, die nur die Leistung und damit auch die Temperatur bereitstellen, die tatsächlich benötigt wird.
Ein konkreter Anwendungsfall verdeutlicht die Problemstellung: Bei der Herstellung von Wafern für Photovoltaik-Module kommen mehrere Tunnelöfen zum Einsatz. Die Wafer werden aus polykristallinen Siliziumblöcken hergestellt, aus denen sie herausgeschnitten werden. Das heißt, der Produktionsprozess startet mit einem Block, der in dünne Scheiben gesägt wird. Nach weiteren Produktionsschritten erfolgt die Metallisierung der Solarzellen durch kurzwellige IR-Strahler in mehreren Infrarot-Zonen. Somit durchläuft der Wafer mehrere Temperaturzonen. Als letzter Schritt erfolgt ein geregelter Abkühlungsprozess. Eine solch präzise Temperaturregelung erfordert einen entsprechend hochentwickelten technologischen Ansatz – ein einfacher Zweipunktregler stößt hier an seine Grenzen, da die Hysterese – und die daraus resultierende Temperaturschwankung negative Folgen für die Effizienz der Solarmodule hätte.
Leistungssteller statt Zweipunktregler
Der Leistungssteller sollte im Idealfall sowohl auf die Prozesse als auch auf das im Einsatz befindliche Heizelement abgestimmt sein, da sich diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften unterscheiden.
Häufig im Einsatz sind einfache Heizelemente, die mittels Keramik-Isolatoren um ein Werkstück wie bespielweise eine Kunststoff-Form oder einen Stempel gewickelt oder als isolierter Stab direkt in ein Medium – zum Beispiel Öl oder Granulat – getaucht werden. Dieser Typus benötigt viel Zeit, um das Werkstück oder Medium zu erwärmen und eignet sich daher nur für thermisch träge Prozesse.
Keramikstrahler erreichen schneller die Zieltemperatur und geben eine langwellige Infrarotstrahlung ab.
Infrarot-Halogen- und NIR-Strahler sind für thermische Prozesse am besten geeignet, da sie sich sehr schnell erwärmen.
Thyristorsteller unterscheiden sich zudem hinsichtlich ihrer Steuerungsart:
- EIN/AUS: Vergleichbar mit Halbleiterrelais wird hier die Last geschaltet. Dabei übernimmt der Thyristorsteller zusätzlich die Netzsynchronisation, was bedeutet, dass er im Nulldurchgang der Spannung EIN und im Nulldurchgang des Stroms AUS schaltet.
- Bei der Pulsweitenmodulation wird die Leistung durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Pausendauer während einer festen Periode bestimmt.
- Die Pulspaketsteuerung beziehungsweise der Impulsgruppenbetrieb sorgt für das gezielte Schalten einzelner Vollwellen des Netzes mit dem Ziel, lange EIN- oder AUS-Phasen zu vermeiden.
- Bei der Leistungsregelung in Form des Sinusstellers wird die Höhe der Amplitude geregelt. Dies ist die technisch anspruchsvollste Art der Regelung und zugleich die teuerste und somit für die meisten Anwendungen nicht geeignet.
- Beim Phasenanschnitt schließlich wird jede einzelne Halbwelle der Netzspannung direkt angeschnitten. Der Steller schneidet also vorgewählte Segmente aus der Sinuswelle heraus, sodass nur die verbleibende Spannungs-/Zeitfläche als Leistung bereitgestellt wird. Der Strom fließt dabei vom Zündzeitpunkt bis zum nächsten Nulldurchgang, bei dem der Thyristor wieder automatisch verlischt. Dies ist die genaueste und schnellste Art der AC-Regelung.
All-in-one Modelle
Pulspaketsteuerung: Komplette Sinuswellen der Netzspannung werden durchgeschaltet beziehungsweise gesperrt.
© Systemtechnik LeberEine Vielzahl der am Markt befindlichen Thyristorsteller bieten inzwischen durchschnittlich zwei dieser Funktionen als Kombination an, zum Beispiel Phasenanschnitt, Pulsweitenmodulation, Pulspaketsteuerung, Sanftanlauf, Lastüberwachung, Drahtbruchmeldung, Netzausfallmeldung, Nullpunktschaltung und Bussteuerung.
Da jedoch Prozesse und Anlagen zunehmend komplexer werden, und damit auch eine präzise Regelung zunehmend wichtig, reichen die Funktionen dieser Steller häufig nicht aus. Werden weitere Funktionen benötigt, müssen diese in Form von Zusatzmodulen nachgerüstet werden. Diese kosten neben Geld zusätzlichen Platz im Schaltschrank. Häufig benötigen die Zusatzmodule sogar mehr Platz im Schaltschrank als der eigentliche Thyristorsteller. So sind in einer Lackierstraße im Automobilbau mittlerweile bis zu 100 Thyristorsteller zur Temperaturregelung von Halogen- oder Infrarotstrahlern im Einsatz. Im Bereich der Klebestellen-Anbringung in der Armaturenbrett-Fertigung sind es bis zu 60, da sich hier die Anzahl der sogenannten Haltepunkte für Airbags, Steckdosen et cetera in den letzten Jahren nahezu verdreifacht hat. Diese Haltepunkte werden im Schmelzverfahren angebracht, wobei jedes Heizelement seinen eigenen Regler benötigt. Und auch in modernen Streckblasanlagen werden fast 100 Thyristorsteller verbaut. Ergo wird es in den Schaltschränken allmählich eng.
Eine Lösung für dieses Dilemma bieten sogenannte All-in-one-Thyristorsteller wie beispielsweise der ‚SHP Steller‘ von Systemtechnik Leber. Hier wurden gängige Funktionen per Software in einem einzigen Gerät hinterlegt, die mittels DIP-Schalter vom Anwender ausgewählt werden können. Sollte sich in der Projektierungsphase herausstellen, dass Parameter wie beispielsweise das Ansprechverhalten von Fehlermeldungen oder die Kennlinie des Softstarts geändert werden müssen, lässt sich dies zusätzlich durch Änderung der Firmware erledigen.
Wenn es noch genauer sein soll
In manchen Anwendungsfällen ist auch die Thyristor-Lösung noch nicht das Optimum – vor allem dann, wenn Netzwerk-Schwankungen den Fertigungsprozess und insbesondere das Fertigungsergebnis beeinflussen.
Schwankungen der Netzspannung führen immer zu Schwankungen der elektrischen Energiezufuhr. Ändert sich die Netzspannung um 5 %, ändert sich auch die Stromzufuhr um 5 %. Die Folge: Die Leistung ändert sich um 10 %. Und während bei reinen Widerstands-Heizelementen sich die daraus resultierende Wärme um 10 % ändert, ergeben sich bei komplexen Lasten wie beispielsweise NIR-Strahlern erheblich größere Veränderungen der Prozessenergie. Solche Strahler haben keinen linearen Zusammenhang zwischen elektrischer Energie und der Prozessenergie. Die NIR-Strahlung wird nur in einem bestimmten elektrischen Fenster abgegeben und die Kennlinie hat zum Ende hin eine hohe Steigung. Ändert sich also die elektrische Energie um 10 %, bedeutet dies für die Prozessenergie eine Veränderung um circa 20 %.
Für Anwendungsfälle, in denen solche Schwankungen nicht hingenommen werden können, empfiehlt sich der Einsatz eines Leistungsreglers anstelle eines Thyristorstellers. Systemtechnik Leber bietet hier zum Beispiel ‚UP Leistungsregler‘ an, die sowohl bei einer Versorgungsspannung von 230 V(AC) als auch bei 400 V(AC) und für einen Laststrom von 16 bis 75 A einsetzbar sind. Diese Geräte regeln zusätzlich Netzwerk-Schwankungen aus.
Ein konkretes Beispiel: Ein Stellsignal von 70 % ergibt bei 400 V Netzspannung eine effektive Lastspannung von 280 V. Unabhängig davon, ob die aktuelle Versorgungsspannung 360 V oder 400 V beträgt, sorgt der Leistungsregler für eine konstante Lastspannung von 280 V. Besonders effektiv ist es, wenn die Lastspannung sehr schnell gemessen werden kann und nach jeder Sinus-Halbwelle bereits Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, sofern Abweichungen festgestellt werden.
Die Ansteuerung
Eine gängige Methode zur Ansteuerung von Halbleiterrelais, Leistungsstellern und Reglern ist die analoge Ansteuerung mit 0 bis 10 V über eine SPS. Dazu wird für jedes einzelne Schaltelement ein analoger Ausgang sowie zusätzlich für die gesamte Anlage ein digitaler Freigabe-Ausgang benötigt. Eine andere Möglichkeit ist die Steuerung über Industriebusse wie Profibus oder Modbus. Beide Verfahren sind relativ aufwendig be-ziehungsweise überdimensioniert und verursachen meist nicht unerhebliche Kosten.
Eine Alternative ist die Übermittlung der analogen Stellwerte mittels eines seriellen Datentelegramms über digitale Ausgänge. Digitale Ausgänge einer SPS sind preisgünstiger als analoge Ausgänge und reduzieren die Gesamtkosten der Anlage. So sind die meisten Leistungssteller und Regler von Systemtechnik Leber für die Verwendung dieses Telegramms ausgelegt. Für ‚Simatic‘-Steuerungen von Siemens gibt es einen kostenlosen Treiber, für Steuerungen anderer Anbieter kann eine customized Lösung entwickelt werden.
Autor:
Denny Vogel ist Experte für Stromversorgungen und Leistungssteller bei Systemtechnik Leber in Schwaig bei Nürnberg.
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