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Temperaturregelung auf den Punkt gebracht

Auch die perfekte Zubereitung eines Steaks erfordert eine Temperaturreglung, allerdings werden dabei keine hohen  Anforderungen an die Genauigkeit gestellt – bei sensiblen Produktionsprozessen ist das anders

Auch die perfekte Zubereitung eines Steaks erfordert eine Temperaturreglung, allerdings werden dabei keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit gestellt – bei sensiblen Produktionsprozessen ist das anders

Was haben das perfekte Steak und eine erstklassige Autolackierung gemeinsam? Beide gelingen nur mit präzise geregelter Wärmezufuhr. Während jedoch viele Hobbyköche heutzutage ihr Steak wie die Profis auf dem Gas- oder Induktionskochfeld zubereiten, ist in vielen hochsensitiven Anwendungsbereichen in der Industrie häufig noch unstetiges Temperieren an der Tagesordnung – die Zwei-Punkt-Regelung. Damit wird jedoch viel verschenkt: Präzision, Durchlaufzeit sowie häufig wertvoller Platz im Schaltschrank.

01  Eine Lackierstraße ist einer der vielen Herstellungsprozesse, bei denen der Einsatz der Zweipunktregelung wegen ihrer Ungenauigkeit nicht möglich ist. Für Genauigkeit ­sowie Platz im Schaltschrank sorgen Thyristorsteller

01  Eine Lackierstraße ist einer der vielen Herstellungsprozesse, bei denen der Einsatz der Zweipunktregelung wegen ihrer Ungenauigkeit nicht möglich ist. Für Genauigkeit ­sowie Platz im Schaltschrank sorgen Thyristorsteller

02  Bei dem nur 22,5 mm schmalen Leistungssteller der SHP-Serie ­können kundenspezifische Funktions­varianten problemlos realisiert werden

02  Bei dem nur 22,5 mm schmalen Leistungssteller der SHP-Serie ­können kundenspezifische Funktions­varianten problemlos realisiert werden

Automobilindustrie, Labore, Lebensmittelindustrie, Kunststoffverarbeitung – die Zahl der industriellen ­Anwendungsfelder, in denen eine genaue Temperaturregelung zur thermischen Verarbeitung von metallischen Materialien, Kunststoff oder Lebensmitteln von entscheidender Bedeutung ist, ist groß. So müssen Laboröfen zur Auslösung gewünschter chemischer Reaktionen ebenso mit exakten Temperaturen arbeiten wie Extrusions- und Blasanlagen in der Kunststoffindustrie.

Hier steht am Anfang des Produktionsprozesses das Schmelzen von Stoffen, die zunächst im festen Aggregat­zustand vorliegen, zum Beispiel in Form von Granulat. Will man daraus beispielsweise PET-Flaschen herstellen, muss das Granulat in eine fließfähige Form gebracht werden. Genau an diesem Punkt ist eine exakte Temperaturregelung der entscheidende Erfolgsfaktor. Stimmt die Temperatur nicht, ist die Fließfähigkeit suboptimal. Dies wiederum kann bei der Flaschenproduktion gleich mehrere Auswirkungen ­haben:

  • veränderte Farbe,
  • veränderte Oberflächenhaptik,
  • Löcher oder Einschlüsse.

Vergleichbar sind Produktionsprozesse, bei denen Tunnelöfen zum Einsatz kommen – zum Beispiel bei der Herstellung von Wafern für Photovoltaik-Module. Nach vorherigen anderen Produktionsschritten erfolgt die Metallisierung der Wafer durch kurzwellige IR-Strahler in mehreren Temperaturzonen im Tunnelofen. Letzter Schritt ist ein geregelter Abkühlungsprozess. Eine solch präzise Temperaturregelung erfordert einen entsprechend hoch entwickelten 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.

Einfache Regelung – längere Durchlaufzeiten

Der Zweipunktregler ist die einfachste, kostengünstigste aber auch ungenaueste Methode zur Temperaturregulierung. Sein Prinzip ist einfach: „An“ oder „Aus“. Entweder ist die Leistung und damit die Temperatur zu 100 % da, oder überhaupt nicht. Das ist für hochsensitive Materialien nicht optimal, da zwischen den beiden Schaltpunkten die Hysterese liegt, also die Zeit des Abkühlens bzw. Erwärmens bis das Heizelement wieder zu- bzw. abgeschaltet wird. Bei sen­siblen Prozessen kann diese Regelungsart zu negativen ­Ergebnissen führen.

In einfachen Anwendungsbereichen, wie beim Aufbacken von Brotteiglingen, Frittieren von Lebensmitteln oder ­Temperieren von unkritischen oder thermisch trägen Materialien, kann sich diese Art der Regelung dennoch rechnen. 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 bereitstellen, die auch tatsächlich benötigt wird. Dazu schneidet der Thyristorsteller im Phasenanschnitt vorgewählte Segmente aus der 50-Hz-Sinuswelle heraus und stellt nur die verbleibende Spannungs-Zeitfläche als Leistung ­bereit.

Die Mehrzahl der gängigen Thyristorsteller erfüllen lediglich eine einzige Funktion, wie Phasenanschnitt, Pulsweitenmodulation, Sanftanlauf, Lastüberwachung, Drahtbruchmeldung, Netzausfall-Fehlermeldung, Nullpunktschaltung, Pulspaket- oder Bussteuerung. Einige wenige Modelle sind in der Lage, zwei dieser Funktionen zu kombinieren. Da ­jedoch Prozesse und Anlagen immer komplexer werden und damit auch eine präzise Regelung zunehmend wichtig, ­reichen gängige Thyristorsteller schon heute im Normalfall nicht aus. Werden nachträglich auch noch weitere Funktionen benötigt, wie die Überwachung eines Heizelements bei Stringlötanlagen in der Solarmodulproduktion, muss man Zusatzmodule nachrüsten, was Geld und Bauraum kostet.

Wenn es im Schaltschrank richtig eng wird

Mittlerweile kommen in einer Lackierstraße im Automo­tivebereich (Bild 1) zur Temperaturregelung von Halogen- oder Infrarotstrahlern mehrere hundert Leistungssteller zum Einsatz und im Bereich der Klebestellen-Anbringung in der Armaturenbrett-Fertigung immerhin bis zu 60. Dort hat sich die Zahl der sogenannten Haltepunkte für Airbags, Steckdosen etc. in den letzten Jahren nahezu verdreifacht. Die Haltepunkte werden im Schmelzverfahren angebracht, wobei jedes Heizelement seinen eigenen Regler benötigt. Da wird es im Schaltschrank allmählich eng.

Eine Lösung für dieses Dilemma bieten sogenannte All-in-one-Thyristorsteller der neuesten Generation, wie die Leistungssteller SHP 4830 (Bild 2) von Leber Systemtechnik. Bei ihnen wurden alle gängigen Funktionen in ­einem einzigen Stellermodell hinterlegt. Zudem sind sie mit einer Breite von gerade mal 22,5 mm deutlich schmaler als herkömmliche Modelle.
Hier haben Anlagenbauer bereits in der Pilotphase die Möglichkeit, die Parameter des Thyristorstellers via Software optimal an die Heizelemente anzupassen und dann für die Serienproduktion zu übernehmen – Plug-and-play statt ­aufwendiger Parametrierungsarbeiten. So muss man nur das bezahlen, was auch gebraucht wird: Maßangepasste Funk­tionen, die zu 100 % zu System und Prozessen passen.

Fazit

Fertigungsprozesse in der Industrie sind in den letzten Jahren zunehmend komplex 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. Schließlich ist auch kein Steak wie das andere: Oder bereiten Sie ein Filet genauso zu wie ein Chateaubriand? (no)


Denny Vogel ist Experte für Spannungs­­­versor­gungen und Leistungssteller bei der System­technik Leber GmbH & Co. KG in Schwaig. denny.vogel@leber-ingenieure.de

Autor:
Denny Vogel ist Experte für Spannungs­­­versor­gungen und Leistungssteller bei der System­technik Leber GmbH & Co. KG in Schwaig.
denny.vogel@leber-ingenieure.de