Automatische Effektivwertkorrektur Leistungssteller regeln Energie automatisch nach

Autor / Redakteur: Olaf Kammerer* / Gerd Kucera

Für reproduzierbare Prozessergebnisse in der Automatisierungstechnik ist das exakte Einhalten von festgelegten Parametern unerlässlich. Besonders beim Dosieren der Energie in thermischen Prozessen. Zur Steuerung der Leistung zwischen 0 und 100% kommen bisher konventionelle Thyristorsteller ohne integrierte Nachregelung zum Einsatz. Aktuelle Verfahren zur Überprüfung der Prozessparameter (entweder über die Messung der Ist-Parameter oder die Messung der Versorgungsspannung) erfüllen die Anforderungen weder qualitativ noch sind sie besonders kostengünstig. Abhilfe schafft jetzt eine neue Generation von Leistungsstellern, die mittels Effektivwertmessung an der Last kleinste Abweichungen von Prozessbedingungen erkennen und sofort automatisch nachregeln.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Das Trocknen von Materialien mittels thermischer Behandlung kommt quer durch alle Branchen und bei einer Vielzahl von Produkten zum Einsatz. Typische Beispiele sind die Lacktrocknungsstationen in der Automobilindustrie, Trocknungsanlagen in der Papier- und Druckindustrie oder Temperaturprofile von Extrudern in der Kunststoffindustrie. Allen Prozessen ist gemeinsam, dass definierte Prozessparameter penibel genau eingehalten werden müssen, um reproduzierbar das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Thyristorsteller im Phasenanschnitt stellen elektrische Energie von 0 bis 100% in die Last. Die Last wandelt diese Energie in nutzbare Prozessenergie um, zum Beispiel Wärme, IR (Infrarot), NIR (Near Infrared), UV (Ultraviolett) oder Licht.

Während der Inbetriebnahme einer solchen Anlage werden für jede Rezeptur für jeden einzelnen Strahler die Stellwerte ermittelt und als Betriebsparameter gespeichert. So lange die während der Inbetriebnahme herrschenden Umgebungsbedingungen gleich bleiben, lassen sich somit auch konstante Ergebnisse erzielen. Sollte sich jedoch an den Umgebungsbedingungen etwas ändern, z.B. Änderung der Versorgungsspannung, führt dies unweigerlich auch zu veränderten Prozessparametern: 10% mehr Spannung führt in der Regel auch zu 10% mehr Strom und damit in letzter Konsequenz zu 20% mehr Leistung – sprich Energie.

Bildergalerie

Prozessenergie regeln

Eine vorbeugende Möglichkeit der Kompensation ist die Regelung der Prozessenergie. Dazu benötigt man jedoch Messfühler, die in die Anlage implementiert, mit Messumformern versehen, von der zentralen Steuerung mit zusätzlichen analogen Eingängen erfasst und in der Software verarbeitet werden müssen. Diese Lösung ist teuer und aufwändig. Zusätzlich verursacht diese Lösung immer eine Prozessverzögerungszeit durch die Wärmeträgheit der Messfühler von einigen Sekunden. Bei der Mehrzahl an Prozessen ist jedoch eine solche Verzögerungszeit nicht akzeptabel.

Eine weitere vorbeugende Möglichkeit ist die Erfassung der Versorgungsspannung und die damit verbundene Kompensation der Stellwerte. Dazu wird zentral die Versorgungsspannung je Strang gemessen und als Störgröße in der Software verarbeitet. So lange nur gleichartige Strahler eingesetzt werden, ist dies eine preiswerte Lösungsvariante. Es wird lediglich einmal eine Korrekturkennlinie aufgezeichnet und in der Software hinterlegt. Meist scheitert ein solcher Lösungsversuch jedoch an den praktischen Gegebenheiten, da sich die Verhältnisse am Einsatzort der Anlagen unterscheiden (z.B. andere Zuleitungen, Leitungsquerschnitte oder Transformatoren). Am endgültigen Ort sind dann auch meist keine Möglichkeiten mehr vorhanden, eine endgültige Kennlinie aufzunehmen – welcher Endkunde hat denn schon die Möglichkeit, die Versorgungsspannung mal eben kurz um 5% abzusenken oder anzuheben.

Gelöst wird diese Problematik durch eine neue Generation von Stellern des Leistungselektronik-Spezialisten Systemtechnik LEBER. Sie haben einen zusätzlichen Messkanal zur Beobachtung der Last. Dabei wird der Stellwert nicht als Zündsignal von 0 bis 100% gelesen, sondern als effektive Lastspannung von 0 bis 400 Veff. Ein Stellsignal von z.B. 5 V führt zu einer effektiven Spannung von 200 Veff.

Durch den integrierten Sanftanlauf werden die Strahler geschont und die Lebensdauer signifikant erhöht. Eine sehr schnelle Effektivwertmessung erfasst ständig den aktuellen Betriebszustand und leitet unmittelbar in der nächsten Halbwelle Korrekturen ein, sollten sich Abweichungen ergeben. Mit einer Zeitkonstante von 50 ms erreicht das Modul eine Regelgenauigkeit von 0,5%.

Erhebliche Stromkosten einsparen

Damit werden die Parameter für die Prozessenergie unabhängig von den äußeren Gegebenheiten sehr genau eingehalten. Außerdem entfallen kostspielige und aufwändige Einbauten wie Messfühler, Messumformer inklusive der benötigten Verkabelung sowie die entsprechenden analogen Eingänge bei der SPS und die Implementierung in der Steuerungssoftware. Darüber hinaus wird nie mehr als die benötigte Energie in den Prozess hineingegeben, was neben der konstanten Prozessqualität auch zu erheblichen Einspareffekten bei den Stromkosten führen kann.

Ein weiterer Vorteil dieser Steller ist die einfache Möglichkeit, Entstörmaßnahmen ohne Einbußen in der Prozessqualität einzuführen. Die einschlägigen Normen sind in der Regel ohne zusätzliche Entstöreinrichtungen nicht einzuhalten. Dabei haben sich in der Praxis zwei Maßnahmen bewährt:

  • Einbau einer Drossel in Reihe eines jeden Lastkreises. Sie entstört die steilen Flanken beim Zünden. Je nach Ausführung (Kabellänge zur Last, Laststrom, Innenwiderstand des speisenden Netzes etc.) hat sich ein Wert von 20 bis 50 µH/A bewährt. Erfahrungen können nur durch Messungen an einigen Ausführungsbeispielen gesammelt werden.
  • Einbau von Y-Entstörkondensatoren direkt an der Einspeisung der Anlage. Je nach Nennstrom der Anlage sind Werte von 10 nF bis 2 µF notwendig. Auch hier können Erfahrungen nur durch Messungen an einigen Ausführungsbeispielen gesammelt werden. Die Abflachung hat je nach Zündwinkel unterschiedliche Flankensteilheiten. Wenn viele oder alle Lasten mit gleichem Stellwert gefahren werden, hat dies zur Folge, dass diese Steller auch alle zum gleichen Zeitpunkt zünden.

Mehr Nutzen durch direkte Lastspannungsmessung

Dies führt, bedingt durch die Induktivitäten der Zuleitung, zu einem erheblichen Spannungseinbruch zum Zündzeitpunkt. Dieser Spannungseinbruch wiederum verändert die Flankeinsteilheit noch einmal in erheblichem Maße. Somit scheidet eine einfache Korrektur mittels einer Konstanten in der Software aus. Eine genaue Aussage der tatsächlichen Lastspannung ist nur mittels echter Effektivwertmessung möglich. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine solche automatische Effektivwertkorrektur wesentliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren mittels Prozessrückführung in Bezug auf Regelgenauigkeit, Kosten und Entstörmaßnahmen bietet.Die neue Generation der Steller vom Leistungselektronik-Spezialisten Systemtechnik LEBER wird vor allem zum Steuern von thermischen Prozessen eingesetzt. Typische Anwendungsfelder gibt es in der Automobilindustrie (Hohlraumkonservierung, Lackierung), der Holzindustrie (Laminierung, Furnierung, Veredelung), der Papierindustrie (Papierherstellung, Druckerzeugnisse), der Keramikindustrie (Brennöfen), der kunststoffverarbeitenden Industrie (Extrusion, Tiefziehen und Styroporschneiden) oder bei der Farbgestaltung von Oberflächen (Ton, Beton, Steinzeug).

Gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Prozessenergiesteuerung haben die Steller der UP-Seriefolgende Vorteile: hohe Regelgenauigkeit von 0,5%, schnelle Korrektur von Abweichungen in der nächsten Halbwelle, einfache Integration von EMV-Entstörmaßnahmen, keine zusätzlichen Messfühler zur Messung von Prozessparametern (Temperatur, Versorgungsspannung etc.) notwendig, keine zusätzlichen Messumformer notwendig, eine Installation/Verkabelung/Entwicklung des Messsystems entfällt, keine zusätzlichen (teuren) analogen I/O-Baugruppen für die SPS, keine Anpassung der Steuerungssoftware nötig, wartungsfreie Halbleitertechnik sowie hochintegrierte Prozessortechnik, einfache Installation und Inbetriebnahme (vorbereitet zum Aufschnappen auf DIN-Hutschienen), alle Funktionen softwareseitig implementiert.

Systemtechnik LEBER Tel. +49(0)911 5406471*Olaf Kammerer ist verantwortlich für Marketing bei Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG, Schwaig bei Nürnberg.

(ID:187187)