Verfahrensoptimierung zur Steuerung oder Regelung

Der Jumo IPC Leistungsumsetzer bietet eine intelligente und innovative Lösung zum Steuern bzw. Regeln von elektrisch betriebenen Thermoprozessanlagen. So wird hierdurch eine Platz sparende, Betriebsmittel schonende und Betriebskosten reduzierende, einfache Lösung für den Anlagenbauer und Anlagenbetreiber erreicht. Durch die verschiedenen Eigenschaften des patentierten Ansteuerverfahrens, amortisieren sich die Anschaffungs kosten in kurzer Zeit. Dieser Bericht beschreibt die mit neuer Technologie erweiterte und damit optimierte Ansteuerung von Hochtemperaturheizelementen und die hieraus resultierenden Vorteile.Speziell beider Fertigung von Säge bändern wird die Qualität des Produktes tagtäglich durch die Kunden auf den Prüf stand gestellt und muss sich den Anforderungen der Praxis stellen. Umso mehr ist es dringend notwendig, die Materialien und Fertigungsverfahren in diesem Prozess zu optimieren und immer wieder zu verfeinern.
Hier gingen Jumo und Amada Austria eine Kooperation ein, um neueste Technologie und Erfahrung in einem Produkt zu vereinen, das diesen Anforderungen nicht nur gerecht wird, sondern diese übertreffen und neue Maßstäbe in Wirtschaftlichkeit und Effektivität setzen sollte.
Aufgrund ihres umfassenden Kow-how und der langjährigen Erfahrung in der Fertigung von qualitativ hochwertigen Sägebändern wurden durch Amada die Planung, das Konzept und die Durchführung übernommen.

Projektbeschreibung
In einem Ofen, der mit insgesamt 164 SIC-Heizelementen der Fa. Kanthal ausgerüstet ist, wird über vierzehn Jumo IPC Lei stungs steller die Temperatur geregelt. Der Schwerpunkt bei der Konzipierung der Anlage lag darin, dass ein sehr hohes Maß an Wirtschaftlichkeit, Effektivität und Bedienfreundlichkeit erreicht wird. Hier kommt der IPC mit seinen spezifischen Eigenschaften zum Tragen, der einen Großteil dieser Forderungen erst ermöglicht.
Bei der Steuerung bzw. Regelung eines solchen SIC-Niedervolt-Heizelementes gibt es verschiedene Punkte zu beachten, die entsprechende Maßnahmen erfordern:
- den technischen Aufbau
- Problematik Widerstandcharakteristik
- Ansteuerverfahren
- Netzbelastung
- Verfügbarkeit der Heizelemente

Anforderungen an die Technik
Für den Einsatz und Betrieb von Hochtemperaturöfen, wie sie in vielen Anwendungsbereichen gefordert werden, sind spezielle Heizelemente wie SIC (Silicium Carbit), Molybdändisilicid (z.B. Kantal Super) oder Carbonbzw. Infrarotheizstrahler die Regel.
Diese Elemente, die für Temperaturen von bis zu 2000°C ausgelegt sind, werden häufig mit einer relativ kleinen Spannung von ca. 5…60 V (Niedervoltelemente) und einem hohen Strom angesteuert.
Im Gegensatz zur Arbeitsweise der Thyristor leistungssteller, die hierfür einen Transformator zum Herabsetzen der Spannung benötigen, arbeitet der IPC mit einer Drossel in Reihe zu den Heizelementen.
Der Nennstrom der Drossel richtet sich nach der maximal möglichen Stromaufnahme des IPC’s. Hierzu kommt ein Filter, der die leitungsgebundenen Störungen, zur Einhaltung der einschlägigen EMV Normen, auf ein Minimum reduziert.

IPC Ansteuerverhalten
Der Jumo IPC ist ein Leistungsumsetzer für die Ansteuerung von Heizlasten, die bislang einen Transformator, Stelltrans for mator oder die Kombination eines Thyristorleistungs stellers mit Trafo benötigt haben. Bedingt durch seine Arbeitsweise spricht man von einem elektronischen Transformator mit einer pulsierenden Gleichspannung am Ausgang. Er verbindet die Vorteile eines herkömmlichen Stell trans formators, wie z.B. die Ampli- tudenregelung, die sinusförmige Netzbelastung, mit den Vorteilen eines Thyristor-Leistungsschalters, z. B. Strombegrenzung, Lastüberwachung, unterlagerte Regel ungen, usw.
Im Gegensatz zu den konventionellen Betriebsarten Phasenanschnitt- oder Impulsgruppen betrieb der Thyristorleistungssteller, gibt es bei dem IPC-Leistungsumsetzer nur eine Betriebsart, die Amplitudenregelung.

Hier wird die Leistung durch Verändern der sinusförmigen Stromamplitude gesteuert. Die Höhe dieser Amplitude richtet sich nach der aus dem Netz entnommenen Leistung.

Bedingt dadurch, dass bei dem IPC der Eingangsstrom nahezu sinusförmig ist und in Phase zur Eingangsspannung liegt, wird dem Netz permanent nur die benötigte Wirkleistung entnommen.

Alterungsausgleich
Die spezifischen Eigenschaften der eingesetzten SIC-Heizelemente ermöglichen einen sehr hohen Temperaturbereich. Bei allen Elementen dieser Art erhöht sich der elektrische Widerstand bei längerer Betriebsdauer. Man spricht hier von einer Langzeitalterung. Erschwerend kommt hier noch hinzu, dass sich der Widerstand der Elemente in Abhängigkeit von der Temperatur verändert.
Die Nennwiderstandswerte des SIC-Heizelements basieren auf Messungen, die bei einer Temperatur von 1070 °C durchgeführt worden sind, und liegen innerhalb einer Toleranzgrenze von +10 % bis –20%.
Will man die max. Stromaufnahme berechnen, für die der IPC ausgelegt wird, muss man zusätzlich zur Toleranz des Widerstands wertes noch das Widerstandsminimum aus der Widerstandskennlinie (bei ca. 500…600 °C Oberflächentemperatur) berücksichtigen. Nach Abbildung sind dies ebenfalls –20% des Nennwiderstandes bei 1070 °C.

Der minimale Widerstandswert errechnet sich wie folgt:
Rmin = 1 Ohm (Rnenn) x 0,8 (Toleranz) x 0,8 (Rmin) = 0,64 Ohm

Durch diese Langzeitalterung wird, um die Temperatur im Ofen konstant zu halten, bei einem größer werdenden Widerstand eine höhere Spannung benötigt:
P = U x I = U² / R = I² x R

Die Widerstandscharakteristik kann um den Faktor 4 altern.
Aus diesem Grund wird der Laststrom des IPC Leistungsumsetzers für die Stromaufnahme der SIC-Heizung im Neuzustand ausgelegt, hier fließt der größte Strom. Über den Zeitraum des Alterungsprozesses sinkt der Strom durch den ansteigenden Widerstand auf ca. die Hälfte des Nennstromes.

Gleichzeitig muss die Span nung angehoben werden, um die benötigte Leistung zu erlangen.
Hier wird bei dem IPC eine Spannungsreserve für den Alterungs ausgleich berücksichtigt, die um die Faktoren von 1,5 bis 2 der Nennspannung der Heizelemente liegt.
Durch den automatischen Alterungsausgleich des IPCs wird ein wartungsfreies Arbeiten gewährleistet.

Stromaufnahme
Da beim IPC der Eingangsstrom nahezu sinusförmig ist und in Phase zur Eingangsspannung liegt, wird dem Netz nur die aktuell anfallende Wirkleistung entnommen.
Das bedeutet, der IPC übernimmt die Strom-Spannungs-Transformation und entnimmt dem Netz sowohl im Neu- als auch im Altzustand der Heizelemente stets die benötigte Leistung. Hieraus resultiert, dass der bereitstellende Netzanschluss nicht mehr wie bei den herkömmlichen Ansteuer- methoden über Thyristoren im Impulsgruppenbetrieb oder Phasenanschnitt, überdimensioniert werden muss.
Bedingt durch die kontinuierliche, gleichmäßige Stromaufnahme des IPC und einer symmetrischen Verteilung der Last kann zudem noch auf eine Netzlastoptimierung, oder auch Syncrotaktsteuerung genannt, verzichtet werden, die bei einer herkömmlichen Ansteuerungsmethode notwendig ist.

Vergleich Phasenanschnitt
Wie schon beschrieben liegen bei dem IPC die Netzspannung und der Netzstrom in Phase. Hierdurch konnte die Anforderung an die neu konzipierte Anlage zusammen mit dem Know-how des Ofenbauers erfüllt werden. Die Stromaufnahme auf der Netzseite wird im Vergleich zur Stromaufnahme bei Phasenanschnittsteuerung um den Betrag des Blindanteils verringert.
Die Höhe der so genannten Steuerblindleistung richtet sich nach dem Steuerwinkel Alpha, der je nach benötigter Temperatur und somit angeforderten Leistung, variieren kann.
Wird also die Anlage auf eine verringerte Leistung heruntergefahren,da nicht die gesamte Leistung permanent benötigt wird, dies könnte z.B.:

- ein Schonbetrieb über das Wochenende
- an Feiertagen
- oder einfach eine geringere Leistung sein,

so ergibt sich durch den größeren Steuerwinkel bei herkömmlicher Methode im Phasenanschnittbetrieb eine verändertes Wirk-Blindleistungsverhältnis.
Durch den Einsatz des IPC Leistungsumsetzers, der den Energiebedarf um den Blindleistungsanteil verringert, wird ein Kostenvorteil erreicht. Auch auf eine Blindleistungskompensationsanlage kann gänzlich verzichtet werden.

Somit werden durch die Verwendung neues ter Technologie Energiekosten eingespart und die Investitionskosten amortisieren sichin kurzer Zeit.

Vergleich Impulsgruppenbetrieb
Wird ein SIC-Heizelement in herkömmlicher Methode mit einem Thyristorleistungssteller (TLS) im Impulsgruppenbetrieb gefahren, werden komplette Sinuszüge der Netzspannung auf die Last durchgeschaltet bzw. gesperrt. Ein TLS, welcher z. B. mit 60 % Stellgrad angesteuert wird, schaltet drei Vollwellen der Netzspannung auf den Verbraucher, während zwei Vollwellen gesperrt werden. In dieser Weise erreichen den Ver braucher 60 % der Maximalleistung.
Da hierbei immer die maximal zur Verfügung stehende Spannung durchgeschaltet wird, ist ein kostenintensiver Transformator notwendig, der die Spannung auf die Nennspannung der Heizelemente herabsetzt.
Um das SIC-Heizelement, das über den Betrieb hinweg altert, immer auf der gewünschten Leistung zu halten (P = U²/ R), muss zudem noch ein Trafo mit mehreren Spannungs abgriffen verwendet werden.

Reicht die durch den Trafo zur Verfügung gestellte Spannung nicht mehr aus, muss manuell auf den nächsten höheren Spannungsabgriff gewechselt werden.

Hierdurch entsteht ein Spannungssprung der das Heizelement belastet. Zudem reagieren einige Heizelemente empfindlich auf die sich schlagartig ändernde Spannung bzw. Leistung: Bei diesen Heizelementen reduziert sich die Standzeit des Heizelementes. Durch die integrierte Spannungs- reserve und Amplitudenregelung wird dieser Ablauf automatisch von dem IPC übernommen bzw. ist gar nicht mehr erforderlich.

Zusammenfassung
Durch den Wegfall der Steuerblind leistung (Blindstrom, Blindleistung) und einer Blindleistungskompensationsanlage reduzieren sich die Betriebskosten we sent lich. Der schonende Betrieb erzielt eine erhöhte Lebensdauer der teuren Heizelemente und die Niedervolt-Heizelemente können
ohne Anpassungstrans formator direktam Versorgungsnetz betrieben werden. Die Spannungsreserve sorgt für den automatischen Alterungsausgleich bei SICElementen.
Da kein Trafomit Spannungsumschaltung erforderlich ist, können deutliche Platz-, Gewicht- und Kosteneinsparungen erzielt werden. Durch die
Amplitudenregelung werden die bestehenden und kommenden Oberwellen- und Flicker- EU-Normen (EN 61 000 Teil 3.2 und Teil 3.3) eingehalten.