Höhere Präzision bei der Temperaturregelung
Mehr Platz im Schaltschrank
Entwickler und Produktionsleiter können ein Lied davon singen: Lässt sich bei thermischer Verarbeitung die Temperatur nicht präzise regeln, ist das Endprodukt oft suboptimal. Dennoch ist in vielen hochsensitiven industriellen Anwendungen häufig noch ungenaues Temperieren an der Tagesordnung. Damit wird viel verschenkt: Präzision, Durchlaufzeit und häufig auch wertvoller Platz im Schaltschrank.
Exakte Temperaturen sind bei vielen verfahrenstechnischen Anwendungen die Voraussetzung für optimale Produktionsschritte. Anwendungen, bei denen durch Wärmezufuhr bestimmte chemische oder physikalische Reaktionen ausgelöst werden. So sind Labor- und Tunnelöfen genauso auf eine präzise Temperierung angewiesen wie Extrusions- und Blasanlagen in der Kunststoffindustrie. Beispiel PET-Flaschenproduktion: Moderne Extrusionsanlagen sind in der Lage, ein breites Spektrum an Kunststoffen effizient und prozesssicher aufzuschmelzen. Allerdings werden die Anforderungen an Design und Haptik zunehmend komplex - immer häufiger werden verschiedene Kunststoffe miteinander kombiniert. Damit das Endprodukt dennoch fehlerfrei ausfällt, ist eine gradgenaue Temperaturregelung unerlässlich. Stimmt die Temperatur nicht, ist die Fließfähigkeit suboptimal. Folgen bei der Flaschenproduktion: abweichende Farben oder Oberflächenhaptik, Einschlüsse oder unpräzise Wandstärken. Vergleichbar sind Prozesse bei denen Tunnelöfen zum Einsatz kommen - z.B. bei der Herstellung von Wafern für Photovoltaik-Module. Hergestellt werden diese aus ein- oder polykristallinen Siliciumblöcken, aus denen sie herausgeschnitten werden. Der Produktionsprozess startet also mit einem Block, der in dünne Scheiben gesägt wird. Nach weiteren Produktionsschritten erfolgt die Metallisierung der Solarzellen durch kurzwellige IR-Strahler in mehreren Infrarotheizzonen. Den Abschluss macht ein geregelter Abkühlprozess. In allen Phasen der Produktion wird mit unterschiedlichen, gradgenauen Temperaturen gearbeitet. Eine solch präzise Temperaturregelung erfordert einen entsprechend hochentwickelten technologischen Ansatz - ein einfacher Zweipunktregler stößt hier an seine Grenzen. Denn die Hysterese und die daraus resultierende Temperaturschwankung hätte negative Folgen für die Effizienz der Solarmodule. Diese Einzelmodule werden mittels Stringlötanlagen zu Solarpanelen weiterverarbeitet. Auch bei diesem Lötprozess ist eine exakte Temperaturregelung unerlässlich.
Wo die Zweipunktregelung an ihre Grenzen stößt
Der Zweipunktregler ist die einfachste, kostengünstigste, aber auch ungenaueste Methode zur Temperaturregelung. Das Prinzip ist einfach: "AN" und "AUS". Entweder ist die Leistung - und damit die Temperatur - zu 100 Prozent da oder überhaupt nicht. Für hochsensitive Materialien ist dies nicht optimal, denn zwischen den beiden Schaltpunkten liegt die Hysterese, also die Zeit des Abkühlens bzw. Aufheizens bis das Heizelement wieder zu- bzw. abschaltet. Bei sensiblen Prozessen kann diese "unstete" Regelung zu unbefriedigenden Ergebnissen führen. Soll dies verhindert oder zumindest abgemildert werden, muss das Ein- und Ausschalten in hoher Frequenz erfolgen. Dies kann jedoch die Lebensdauer der Schaltelemente deutlich verkürzen. Und selbst bei verschleißfrei funktionierenden Halbleiterrelais bleibt ein Nachteil bestehen: Der durch das Ein- und Ausschalten entstehende Zeitverlust. Dieser mag auf den ersten Blick minimal erscheinen - am Ende zieht er jedoch häufig längere Durchlaufzeiten in der Produktion nach sich.
Thyristorsteller als Leistungsregler
In vielen Herstellungsprozessen und in Laboren ist der Einsatz der Zweipunktregelung wegen ihrer Ungenauigkeit nicht möglich. Hier kommen stattdessen Thyristorsteller zum Einsatz. Sie haben den Vorteil, dass sie nur die Leistung - und damit die Temperatur -bereitstellen, die auch tatsächlich benötigt wird. Hierzu können verschiedene Steuerungsarten verwendet werden:
- • EIN/AUS: Hier wird - vergleichbar mit Halbleiterrelais - die Last geschaltet. Dabei übernimmt der Thyristorsteller zusätzlich die Netzsynchronisation. Das bedeutet: er schaltet im Nulldurchgang der Spannung EIN und im Nulldurchgang des Stromes AUS
- • Pulsweitenmodulation: Hier wird die Leistung durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Pausendauer während einer festen Periode bestimmt.
- • Pulspaketsteuerung (= Impulsgruppenbetrieb): Sorgt für gezieltes Schalten einzelner Vollwellen des Netzes mit dem Ziel, lange EIN- - oder AUS-Phasen zu vermeiden.
- • Phasenanschnitt: Hier wird jede einzelne Halbwelle der Netzspannung direkt angeschnitten. Der Steller schneidet dazu 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. Damit lässt sich die gewünschte Leistung fast kontinuierlich einstellen. Es ist die genaueste und schnellste Art der AC Regelung. So können auch Produktionsverfahren mit hoher Prozessgeschwindigkeit gleichmäßig mit Leistung versorgt werden.
- • Sinussteller: Bei dieser Form der Leistungsregelung wird die Höhe der Amplitude geregelt. Es ist die technisch anspruchsvollste Art der Regelung- aber auch die teuerste und somit für die meisten Anwendungen nicht geeignet.
Thyristorsteller der alten Generation
Die Mehrzahl der am Markt befindlichen Thyristorsteller vereinen maximal 2 Funktionen wie beispielsweise
- • Phasenanschnitt
- • Pulsweitenmodulation
- • Pulspaketsteuerung
- • Sanftanlauf
- • Lastüberwachung
- • Drahtbruchmeldung
- • Netzausfallmeldung
- • Nullpunktschaltung
- • Bussteuerung
Da jedoch Prozesse und Anlagen zunehmend komplex werden - und damit auch eine präzise Regelung zunehmend wichtig ist - reichen die Funktionen vieler Steller häufig nicht aus. Dann müssen weitere Funktionen in Form von Zusatzmodulen nachgerüstet werden.
Diese kosten nicht nur Geld, sondern auch zusätzlichen Platz im Schaltschrank. Häufig benötigen Zusatzmodule sogar mehr Platz im Schaltschrank als der eigentliche Thyristorsteller.
Thyristorsteller der neuen Generation
Bis zu hundert Thyristorsteller kommen mittlerweile in modernen Streckblasanlagen zum Einsatz. Genauso viele sind es in Lackierstraßen in der Automobilproduktion, wo sie die Temperatur von Halogen- und Infrarotstrahlern regeln. Und in der Armaturenbrett-Fertigung kommt kommen im Bereich der Klebestellen-Anbringung immerhin rund sechzig Thyristoren zum Einsatz. Hier hat sich die Anzahl der sogenannten Haltepunkte für Airbags, Steckdosen etc. in den letzten Jahren nahezu verdreifacht. Ganz einfach deshalb, weil im Armaturenbrett heute mehr Funktionen stecken, als noch vor zehn Jahren. Die Haltepunkte werden im Schmelzverfahren angebracht. Dabei benötigt jedes Heizelement seinen eigenen Regler. Da wird es im Schaltschrank allmählich eng. Eine Lösung für dieses Dilemma bieten sogenannte all-in-one Thyristorsteller der neuesten Generation wie der SHP Steller von Systemtechnik Leber. Der Unterschied: hier wurden viele gängige Funktionen per Software in einem einzigen Gerät hinterlegt und können mittels DIP-Schalter vom Anwender ausgewählt werden. Sollte sich in der Projektierungsphase herausstellen, dass für ein optimales Ergebnis Parameter wie beispielsweise das Ansprechverhalten von Fehlermeldungen oder die Kennlinie des Softstarts geändert werden müssen, kann dies durch Änderung der Firmware erfolgen. Diese Änderung wird anschließend für die Serienproduktion übernommen. Plug&Play ersetzt aufwändige Parametrierungsarbeiten - und der Anwender bezahlt folgerichtig auch nur die customized Funktionen. Schöner Nebeneffekt: die neuen all-in-one Thyristorsteller sind mit einer Breite von 22,5mm deutlich schmäler als herkömmliche Module - fast fünfzig Prozent Platzeinsparung sind im Schaltschrank möglich.
Fazit
Fertigungsprozesse in der Industrie sind in den letzten Jahren zunehmend komplex und anspruchsvoll geworden. Hinzu kommt, dass Verfahren und Methoden einem raschen Entwicklungsfortschritt unterliegen. Diesem müssen auch Thyristorsteller Rechnung tragen. Nicht nur im Hinblick auf ihre Größe, sondern auch durch intelligente Softwarelösungen, die eine problemlose Anpassung an neu hinzukommende Vorgaben oder Materialänderungen ermöglichen.
Entwickler und Produktionsleiter können ein Lied davon singen: Lässt sich bei thermischer Verarbeitung die Temperatur nicht präzise regeln, ist das Endprodukt oft suboptimal. Dennoch ist in vielen hochsensitiven industriellen Anwendungen häufig noch ungenaues Temperieren an der Tagesordnung. Damit wird viel verschenkt: Präzision, Durchlaufzeit und häufig auch wertvoller Platz im Schaltschrank.
Exakte Temperaturen sind bei vielen verfahrenstechnischen Anwendungen die Voraussetzung für optimale Produktionsschritte. Anwendungen, bei denen durch Wärmezufuhr bestimmte chemische oder physikalische Reaktionen ausgelöst werden. So sind Labor- und Tunnelöfen genauso auf eine präzise Temperierung angewiesen wie Extrusions- und Blasanlagen in der Kunststoffindustrie. Beispiel PET-Flaschenproduktion: Moderne Extrusionsanlagen sind in der Lage, ein breites Spektrum an Kunststoffen effizient und prozesssicher aufzuschmelzen. Allerdings werden die Anforderungen an Design und Haptik zunehmend komplex - immer häufiger werden verschiedene Kunststoffe miteinander kombiniert. Damit das Endprodukt dennoch fehlerfrei ausfällt, ist eine gradgenaue Temperaturregelung unerlässlich. Stimmt die Temperatur nicht, ist die Fließfähigkeit suboptimal. Folgen bei der Flaschenproduktion: abweichende Farben oder Oberflächenhaptik, Einschlüsse oder unpräzise Wandstärken. Vergleichbar sind Prozesse bei denen Tunnelöfen zum Einsatz kommen - z.B. bei der Herstellung von Wafern für Photovoltaik-Module. Hergestellt werden diese aus ein- oder polykristallinen Siliciumblöcken, aus denen sie herausgeschnitten werden. Der Produktionsprozess startet also mit einem Block, der in dünne Scheiben gesägt wird. Nach weiteren Produktionsschritten erfolgt die Metallisierung der Solarzellen durch kurzwellige IR-Strahler in mehreren Infrarotheizzonen. Den Abschluss macht ein geregelter Abkühlprozess. In allen Phasen der Produktion wird mit unterschiedlichen, gradgenauen Temperaturen gearbeitet. Eine solch präzise Temperaturregelung erfordert einen entsprechend hochentwickelten technologischen Ansatz - ein einfacher Zweipunktregler stößt hier an seine Grenzen. Denn die Hysterese und die daraus resultierende Temperaturschwankung hätte negative Folgen für die Effizienz der Solarmodule. Diese Einzelmodule werden mittels Stringlötanlagen zu Solarpanelen weiterverarbeitet. Auch bei diesem Lötprozess ist eine exakte Temperaturregelung unerlässlich.
Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SCHALTSCHRANKBAU 2 2019 - 28.03.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.schaltschrankbau-magazin.de