Gesteuerte Spannung

Schaltgeräte - Solartechnik wird konsequent optimiert. Hightech-Anlagenbauer passen ihre Produkte flexibel an die hoch gesteckten Ziele der Solarzellenhersteller an. Im Beispiel profitiert die Solartechnik von modernen Niederspannungsschaltgeräten.

14. November 2006

»Wir dürfen uns keine Stillstandszeiten der Anlagen leisten.« Damit begründet Steffen Ebert, Gruppenleiter der Elektroprojektierung bei der Roth & Rau AG in Hohenstein-Ernstthal nahe Chemnitz, den Hang zur Perfektion. Das Unternehmen gehört zu den Hightech-Anbietern in der Plasmatechnik und gilt als erste Adresse für Antireflexbeschichtungsanlagen, wie sie in der Solarzellenproduktion eingesetzt werden. Spätestens seit dem Börsengang des Unternehmens im Mai 2006 blicken Anleger weltweit auf das mittelständische Unternehmen mit rund 130 Mitarbeitern. Was 1990 mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Chemnitz, nämlich Dr. Dietmar Roth, Dr. Bernd Rau und Dr. Silvia Roth, begonnen hat, gestaltet heute den Solartechnik-Boom aktiv mit. Ein Eckpfeiler ist dabei die inzwischen unter dem Kürzel bekannte PECVD-Technologie (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Dieses Verfahren zum Auftrag von Siliziumnitrid-Schichten hat sich in den letzten Jahren in vielen Produktionslinien zum Standard der Antireflexbeschichtung und Passivierung kristalliner Silizium-Solarzellen entwickelt. Die Schicht verhindert die sofortige Reflexion der Sonnenstrahlung. Dadurch wird der Wirkungsgrad von Solarzellen um bis zu zehn Prozent erhöht.

Für das Auftragen der Beschichtung baut die Roth & Rau AG ihre ›SiNA‹-Anlagen (Silizium-Nitrid-Abscheidung). Diese arbeiten im Durchlaufverfahren, wobei die Siliziumwafer auf flachen Carriern prozessiert werden. Die Schichtabscheidung erfolgt als kontinuierlicher Prozess aus einem Silan-/Ammoniakplasma. »Vor diesem Hintergrund haben wir uns einen Systempartner für die elektrotechnische Ausrüstung unserer Produkte gesucht, der vieles aus einer Hand liefern kann und seine Zuverlässigkeit vielfach unter Beweis gestellt hat«, erklärt Steffen Ebert. In Zahlen ausgedrückt: etwa 70 Prozent der elektrotechnischen Geräte stammen von Siemens.

Elektronisches Schalten

Solche PECVD-Anlagen bestehen aus Sektionen verschiedener Vakuumkammern. Wie man sich unschwer vorstellen kann, zählt die Temperaturregelung im Hochvakuum zu den Kernprozessen. Denn die thermischen Vorgänge wirken wie ein Katalysator und unterstützen das Aufbringen der Antireflexionsschicht. Eine getrennte Fehleranalyse von mehreren Heizplatten war bis jetzt nicht möglich. Heute gibt es dagegen eine elegante Methode, die in Bezug auf die Diagnose zusätzliche Vorteile bringt.

Steffen Ebert berichtet: »Mit den Sirius-Halbleiterschützen 3RF2 von Siemens kann ich jeden Heizkreis einzeln ansteuern und überwachen. Fällt mal eine Heizung aus, erhält die Steuerung sofort ein Signal, wenn kein Strom mehr fließt.« Die Heizungen bilden ein notwendiges und gleichmäßiges Temperaturprofil auf den Wafern ab. Die jetzt sofortige und detaillierte Fehlermeldung ermöglicht dem Servicepersonal zu reagieren und damit die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen.

Während sich früher wenige Anbieter dem elektronischen Schalten verschrieben hatten, gibt es heute Standardprodukte, die auch preislich sehr attraktiv geworden sind. Dieser Trend ist auch daran zu erkennen, dass neben den bisher verfügbaren einphasigen Varianten zur Hannover Messe 2006 auch dreiphasige Halbleiterschaltgeräte von Siemens vorgestellt worden sind. Durch die exakte Anpassung der notwendigen Kühlkörper an die entsprechenden Nennströme ist der Anwender von Halbleiterschützen thermisch gesehen stets auf der sicheren Seite. Je nach Ausführung können damit Ströme bis zu 88 Ampere gesteuert werden. Wenn häufiges, verschleißfreies - und dazu noch leises - Schalten gefordert ist, sind Halbleiterschaltgeräte eine interessante Lösung. In den SiNA-Anlagen befinden sich etwa 45 einzelne Heizkreise, die unablässig ein- und ausgeschaltet werden, um die notwendigen Temperaturverläufe exakt ›fahren‹ zu können. Auf die Frage, welche Lebenserwartung die Halbleiterschütze 3RF2 haben, antwortet der Praktiker Steffen Ebert: »Diese Geräte haben eine hohe Lebensdauer, da es keinen mechanischen Verschleiß gibt.« Mit zu seiner Entscheidung, sie einzusetzen, hat jedoch auch deren geringer Platzbedarf beigetragen. Mit einer Breite von 22,5 mm inklusive Kühlkörper können die Geräte im Schaltschrank mit hoher Packungsdichte gereiht werden, sodass der Platzbedarf trotz höherer Funktionalität nicht steigt. Mit ein Grund für die nun mögliche Kompaktheit ist der modulare Aufbau der Halbleiterschütze. Siemens bietet eine Reihe von aufsteckbaren Funktionsbausteinen an wie Konverter (wandelt analoge Ansteuersignale in ein pulsweitenmoduliertes Digitalsignal um), Last- bzw. Heizstromüberwachung sowie Leistungsregler mit P-Charakteristik. Steffen Eberts Eindruck: »Diese Module erfüllten genau die von mir geforderten Merkmale.«

Selbst den Umgang mit den Niederspannungs-Schaltgeräten empfindet der Praktiker als einfach. Durch die Teach-Taste am Funktionsmodul ›Lastüberwachung‹ kann der Nennstrom blitzschnell ohne Hilfsmittel parametriert werden. Im ausgeschalteten Zustand muss das Inbetriebnahmepersonal lediglich die Teach-Taste drei Sekunden lang gedrückt halten. Während dieser Zeit schaltet das Halbleiterschütz 3RF2 durch, der Nennstrom fließt und durch Wechsel der LED-Anzeige am Gerät wird das unverlierbare Abspeichern des ›gelernten‹ Werts angezeigt. Danach trennt das Halbleiterrelais den Stromkreis automatisch.

Sinkt während der Produktion in einem Heizkreis der Stromwert um ein Sechstel des Nennstroms, wird dies durch das Lastüberwachungsmodul erkannt und das 3RF2 meldet den möglichen Defekt über den digitalen Schaltausgang an die Steuerung.

Highfeature-Sanftstarter

Da zur Zeit ca. 90 Prozent aller Anlagen von Roth & Rau in den Export gehen, schätzen die Hightech-Spezialisten ihren Elektrotechnik-Zulieferer. Dazu betont Steffen Ebert: »Die Logistik und Betreuung klappen wunderbar. Das ist gerade beim Bau von Sondermaschinen wichtig.« Hinzu kommt, dass der Siemens-Konzern für die meisten elektrotechnischen Aufgabenstellungen für die Roth & Rau AG passende Standardlösungen anbietet, die aufeinander abgestimmt sind. Beispielsweise arbeiten die Antireflexbeschichtungsanlagen im Hochvakuum. Zwischen drei bis fünf Vakuumpumpstände mit bis zu 33 kW Nennleistung sorgen für den gewünschten Druck. Dabei kann es bei verschiedenen Applikationen während der Hochlaufphase zur starken Belastung der Einspeisung kommen In dieser Situation entschieden sich die Chemnitzer Elektrotechniker für Sanftstarter des Typs Sirius 3RW44 von Siemens. Dieser ist in der Lage, einen sanften Motoranlauf gemäß Class 30 zu fahren und bei erkannter Nenndrehzahl durchzuschalten. Das bedeutet, der Stromfluss geht nicht mehr über die Thyristoren, sondern über integrierte Bypasskontakte. Das spart Energie und erhöht die Lebensdauer des Niederspannungs-Schaltgerätes. Dieses Sanftstartermodell eignet sich auch sehr gut, wenn Netzstörungen zu erwarten sind. Es besitzt zudem eine Reihe wichtiger Schutz- bzw. Diagnosefunktionen und ermöglicht mit einem Zusatzmodul die Kommunikation über Profibus. Denn der schnelle und umfangreiche Datenaustausch spielt in den Anlagen eine wichtige Rolle. Das ist auch der Grund, den IPC als übergeordnete Steuerung zu wählen. Bei den Elektromotoren der Vakuumpumpen, die nicht über Sanftstarter angesteuert werden, übernehmen Sirius Verbraucherabzweige als Standard-Produkte 3RV, 3RT und 3RN die Ansteuerung und Überwachung. Für die zentrale Einspeisung wird ein Leistungsschalter Sentron 3VL genutzt, der Stromwerte bis zu 1.600 A schaltet und überwacht.

Wilfried Heinemann, Siemens Automation and Drives

FAKTEN

- Sirius-Halbleiterschütze 3RF2

steuern jeden Heizkreis einzeln an.

- Passend zu beinahe jedem

Nennstrom bietet Siemens Halbleiter­schütze 3RF2 mit exakt abgestimmten Kühlkörpern an.

- Maschinen- und Anlagenbauer sind thermisch immer auf der sicheren Seite, da die Geräte bis zu 88 A schalten.

- Für Halbleiterschütze gibt es einzelne Funktionsbausteine zum Aufstecken.

Erschienen in Ausgabe: 08/2006