Thyristoren: Wie Customizing aus Standardgeräten passgenaue Lösungen macht

Leistungssteller in der Industrie finden sich dort, wo viel Wärme gebraucht wird. Leber Systemtechnik

Eine typische Aufgabe für Leistungssteller ist das Sicherstellen optimaler Ergebnisse bei der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung von Kunststoffen, Lacken, Lebensmitteln sowie metallischen und keramischen Materialien durch die Einhaltung exakter Temperaturen. Allesamt Anwendungsfälle, bei denen die Wärmezufuhr bestimmte chemische oder physikalische Reaktionen auslöst.

Dabei ist es völlig unwesentlich ob Heizmatten, Heizstäbe, Infrarot- oder Keramikstrahler als Wärmequelle eingesetzt werden: die Wärmemenge muss punktgenau vorhanden sein. Da jede dieser Heizquellen unterschiedliche physikalische Eigenschaften hat – wie beispielsweise Kaltwiederstand oder thermische Trägheit – muss das Regelelement beziehungsweise der eingesetzte Leistungs- oder Thyristorsteller optimal darauf abgestimmt werden. Dabei kann es beispielsweise notwendig sein, den Laststrom zu überwachen und eine Kombination von Steuerverfahren wie Sanftanlauf, Phasenanschnitt oder Impulsgruppenbetrieb einzusetzen.

Um solch komplexe Fragestellungen schnell zu lösen, greifen verantwortliche Konstrukteure gerne zu aufwändigen Standardthyristorstellern, die eine Vielzahl an Parametrierungsmöglichkeiten bieten, von denen aber nur ein Teil tatsächlich für die Anwendung benötigt wird. Zwar lassen sich die Prozessanforderungen auf diese Weise erfüllen, für die Serienfertigung bedeutet dies aber einen nicht unwesentlichen Mehraufwand durch die vorzunehmende Parametrierung.

Leistungselektronik zunehmend direkt in Anlagen integriert

Eine weitere, neue Herausforderung beim Anlagenbau ergibt sich durch den Trend zur Modularisierung in der Industrie. Diese führt dazu, dass Leistungselektronik verstärkt in den Geräten und Anlagen selbst steckt. Mit anderen Worten: viele Komponenten werden vom Schaltschrank in das industrielle Feld verlagert. So sitzt der Thyristorsteller, mit dem beispielsweise ein Strahler betrieben wird, nicht mehr 10 Meter von diesem entfernt im Schaltschrank, sondern direkt im Strahlergehäuse.

Die Vorteile liegen auf der Hand:

• Die Anwenderfreundlichkeit nimmt zu, während die Schaltschränke proportional dazu immer kleiner und kompakter werden.
• Die Leistungsregelung erfolgt in unmittelbarer Nähe zur Last – die Kompensation von Leitungslängen entfällt und die Prozessgenauigkeit wird erhöht.
• Durch die Modularisierung lassen sich Anlagen einfacher skalieren.

Allein: Für derartige Vorhaben ist es aufgrund der bestehenden Bauraumbeschränkungen oftmals nicht möglich, Standard-Leistungssteller mit den benötigten Leistungsmerkmalen an der gewünschten Stelle unterzubringen – um beim Beispiel zu bleiben: der Leistungssteller ist für den Einbau ins Strahlergehäuse zu groß dimensioniert.

In solchen Fällen sind kundenspezifisch zugeschnittene OEM-Steller die Lösung – und damit Leistungssteller, die von Elektronik-Spezialisten gezielt an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Je nach Detailtiefe ist die Grundvoraussetzung dafür ein großes Maß an Erfahrung und Produkt-Knowhow. Denn Leistungsparameter, Platzvorgaben oder die optimale Kommunikationsschnittstelle sind oft von Hersteller zu Hersteller verschieden. Ein solcher Hersteller von Leistungsstellern ist Systemtechnik Leber. Seit gut zwanzig Jahren stellt das Nürnberger Unternehmen eigene Leistungssteller her und verfügt seitdem über ein stetig wachsendes Produktportfolio mit verschiedenen Leistungsstellern für ohmsche, induktive oder kapazitive Lasten. Ihren Ursprung haben alle in Individualanfertigungen für verschiedene Anwendungsfelder beispielsweise für die Kunststoffverarbeitung, die Drucktechnik oder die Lebensmittelindustrie. Heute passt sie das Unternehmen im Bedarfsfall mittels Softwarebausteinen an weitere Anwenderwünsche an – Erweiterungen, von denen künftige Anwender profitieren.

Die Bandbreite der Anwendungsfelder, in denen ein solches Customizing besonders großen Nutzen bringt, ist groß. Die Nürnberger Systemtechnik Leber gewährt einen Blick in ihre Entwicklungsabteilung:

Thyristor-Anpassung für Kunststofftrocknung

IDT-Leistungssteller: Plug-&Play Leistungssteller mit optimierten Anschlussklemmen für einfache Montage der Steuerleitungen Leber Systemtechnik

Gerade bei Trocknungsanwendungen im Bereich empfindlicher Trägermaterialien wie Kunststofffolien werden oft near infrared (NIR)-Strahler eingesetzt. Diese reagieren schnell auf Leistungsänderungen und ermöglichen einen für die Anwendung optimalen Wärmeeintrag. Die Crux: die Strahler zeichnen sich durch hohe Kaltanlaufströme aus. Aus diesem Grund kommt ein Offset-Betrieb zum Einsatz, bei dem die Lampen zwischen den Prozessschritten mit sehr geringer Leistung betreiben werden. Das schont die Lampen und erhöht die Energieeffizienz.

Bei Änderungen in der Prozessgeschwindigkeit – beispielsweise durch Störungen in nachgelagerten Prozessen – kann es aber trotz Offset-Betriebs zu einem zu hohen Wärmeeintrag in die Werkstücke und damit zu Verformungen des Trägermaterials kommen. Um dies zu verhindern, wurde firmwareseitig ein besonders niedriger Offset parametriert, der sich unterhalb der Werte befindet, die in marktverfügbaren Geräten einstellbar sind. Durch diese kundenspezifische Anpassung der Firmware konnte eine Lösung gefunden werden, die eine optimale Abwägung zwischen den Zielen Energieeinsparung, Materialschonung und Prozesssicherheit bietet.

Weniger Parametrieren beim Ansteuern von Kaltleitern

OEM Leistungssteller: Beispielhafte Darstellung eines OEM-Stellers



Leber Systemtechnik

Kaltleiterheizelemente werden häufig in Industrieofenanlagen im Bereich der Wärmebehandlungen, zum Schmelzen von Glas, zum Sintern technischer Keramik oder auch im Bereich der Laboröfen eingesetzt. Sie können dabei sowohl kontinuierlich als auch intermittierend betrieben werden und sind so sehr gut für verschiedene Wärmebehandlungsverfahren geeignet. Allerdings gibt es auch Besonderheiten, die beim Anfahren und im Betrieb beachtet werden müssen, um Beschädigungen der Heizelemente bzw. der Anlage zu vermeiden und die Leistung punktgenau zu regeln. Durch den geringen Kaltwiderstand von Heizelementen beispielsweise aus Molybdändisilicid entstünden bei einem einfachen Einschalten sehr hohe Ströme, die bis zum 16-fachen Wert des Nennstroms betragen können. Darüber hinaus werden solche Lasten oftmals mit Transformatoren betrieben. Die hohen Anlaufströme, verbunden mit der Induktivität des Transformators, erfordern einen fein abgestimmten Sanftanlauf über das Phasenanschnittverfahren. Nur so werden der Anlaufstrom des Transformators und die hohen Einschaltströme des Heizelements begrenzt. Dies dient sowohl dem Leitungsschutz als auch der Vermeidung von Beschädigungen des Heizelements durch die hohen elektromagnetischen Kräfte, welche durch eine übermäßige Strombelastung entstehen.

Gerade beim Betrieb von Kaltleiterheizelementen findet aber neben dem Phasenanschnitt auch der Impulsgruppenbetrieb Anwendung. Systemtechnik Leber bietet mit ihren Leistungsstellern hier die Möglichkeit, beide Betriebsarten miteinander zu kombinieren und die Rampenfunktion des Sanftanlaufs optimal an die Anwendung anzupassen.

Durch die kundenspezifische Anpassung der Steller entfallen bei der Produktion der Anlagen aufwändige Parametrierungen.

Strahlermodule mit integrierten Leistungsstellern

SHP Leistungssteller: schmaler Plug-&Play Steller mit bis zu 30 A



Leber Systemtechnik

Woher einen integrierbaren Leistungssteller für ein modulares Strahler-System nehmen? Mit dieser Fragestellung kam ein Elektronikkomponenten-Entwickler auf die Leber Ingenieure zu. Aufgrund der Bauraumbeschränkungen war es in diesem Fall nicht möglich, die für den Schaltschrankeinbau konzipierten Standardsteller zu verwenden.

Um die Stärken des modularen Konzepts konsequent ausspielen zu können, waren darüber hinaus die Themen Strommessung zur Diagnose, sowie die Anbindung des Moduls an die übergeordnete Steuerung über ein Bussystem wichtige Themen in der Entwicklung.

In enger Abstimmung mit dem Kunden wurde kostengünstig ein OEM-Steller entwickelt, der beides konnte: hardwareseitig sowohl die Anforderungen an die Baugröße, den Leistungsbereich und die Schnittstellen erfüllen. Und softwareseitig – über die Verwendung von standardisierten Funktionsbausteinen – die benötigten Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen. Damit konnte der Steller mit allen geforderten Funktionalitäten direkt in das Gehäuse des einzelnen Strahlers integriert werden.

Anpassung bestehender Serienprodukte

Durch das Customizing wird folglich immer genau den Leistungssteller geliefert, den der Anwender für seinen speziellen Fall benötigt. Im Bereich klassischer Anlagenkonzepte auch durch eine optimale Anpassung der Serienprodukte an die Anforderungen der Anlage. Bezahlt werden nur die tatsächlich benötigten Funktionen. Weitere Einsparungen ergeben sich durch das Plug-and-Play Konzept und die damit verbundenen kürzeren Montagezeiten. Reine Softwareanpassungen nehmen hierbei nur rund drei Werktage in Anspruch.

Die Möglichkeit der Entwicklung kundenspezifischer Leistungssteller hingegen erschließt vollkommen neue Möglichkeiten im Anlagendesign und kann so den entscheidenden Wettbewerbsvorteil liefern. Das Leber Ingenieursteam übernimmt dabei so gut wie alle Aufgaben, die im Rahmen des Customizings anfallen: beginnend bei der Konzepterstellung über das Hard- und Softwaredesign, die Zulassung bis hin zur Serienfertigung des Stellers. Von der Auftragsvergabe bis zum ersten Funktionsmuster vergehen dabei in der Regel rund drei Monate.

(ml)