Почему интеллектуальные системы управления мощностью SCR необходимы для современного электрического нагрева

Системы управления мощностью SCR и электрический нагрев

На протяжении последних 50 лет аналоговые конструкции хорошо служили промышленности. Однако растущий спрос на гибкость проектирования, повышенную надежность/повторяемость и снижение затрат сделал интеллектуальные источники питания SCR идеальным решением для пользователей электрических печей, стремящихся получить конкурентное преимущество. Интеллектуальные источники питания имеют множество преимуществ перед аналоговыми конструкциями. В этой статье рассматриваются некоторые проблемы устаревших аналоговых источников питания и способы, которыми интеллектуальные источники питания SCR их решают.

Производительность, основанная на данных

Технология интеллектуальных источников питания может обеспечить более высокую производительность, повышение продуктивности и улучшение качества. Цифровой контроллер мощности SCR является ключевым строительным блоком интеллектуального источника питания SCR. Его передовая конструкция объединяет возможности микроконтроллера, Ethernet-коммуникаций и интегрированных компонентов ввода-вывода.
В отличие от аналоговых конструкций, параметры интеллектуального контроллера мощности гибки и могут быть настроены под конкретное приложение. П propriétaire алгоритмы и пользовательские конфигурации встроены в микроконтроллер, сохраняются, восстанавливаются и модифицируются по мере необходимости. Энергоэффективные гибридные режимы пуска, номинальные значения, пределы, аварийные сигналы, математические функции, логика и конфигурации ввода-вывода могут быть определены через меню или созданы с помощью PC-редактора функциональных блоков, аналогичного используемым в ПЛК. Порт Ethernet обеспечивает прямой доступ к конфигурациям, диагностике и процессным данным, ранее недоступным в аналоговых конструкциях.
Для регулирования интеллектуальный источник питания — лучший выбор. Он компенсирует колебания импеданса нагрузки и напряжения сети, обеспечивая точную регуляцию напряжения, тока и мощности. Гибридные техники пуска, управление нагрузкой и автоматическое переключение тактов трансформатора обеспечивают энергоэффективность, недостижимую для аналоговых конструкций. Коэффициенты мощности между 92% и 98% могут быть достигнуты на всей кривой нагрузки.
Хорошо регулируемый процесс зависит от управления мощностью с высокоточной обратной связью. Интеллектуальные источники питания SCR цифрово калибруются по трассируемым стандартам RMS напряжения, тока и мощности. Их калибровки остаются верными и не зависят от температуры, пыли или других загрязнений, как рукалибруемые устройства. С интеллектуальным источником питания SCR температура печи не зависит от электрических вариаций, поскольку они устраняются саморегулирующимся контроллером мощности SCR.

Повышенная надежность

Аналоговые источники питания десятилетиями надежно использовались для печных приложений. Одна из опасений при замене аналоговых источников питания на интеллектуальные технологии — это надежность. Как и для всех индивидуальных конструкций, особое внимание уделяется среде, в которой будет установлен источник питания. В пыльных, коррозивных или влажных средах силовая и управляющая электроника размещается в корпусах с соответствующим классом защиты NEMA или IP.
Адекватное охлаждение критически важно. Обычно ПЛК, HMI, SCR и другие цифровые устройства управления устанавливаются на одной стороне (стороне управления) секционированного корпуса. Другая сторона (силовая) содержит трансформатор, тактовые соединения/переключатели или другие силовые соединения. Это разделение также обеспечивает защиту от электрических помех. Во многих случаях индивидуально спроектированный интеллектуальный источник питания SCR может быть установлен в габаритах, значительно меньших, чем у его предшественника.
Надежность интеллектуального источника питания SCR заключается не только в его конструкции, но может быть расширена за счет передовой диагностики нагревательных элементов. Мониторинг состояния помогает устранить простои из-за неожиданного выхода элементов из строя. При мониторинге состояния характеристический импеданс нагревательного элемента отслеживается по его рабочим температурам и/или известному жизненному циклу. По мере приближения нагревательного элемента к концу срока службы, общий импеданс нагрузки увеличивается, и уставка в конечном итоге становится недостижимой, что запускает аварийный сигнал. Интеллектуальный источник питания может обнаружить эти условия и уведомить оператора заранее о проблемах с элементами, оставляя достаточно времени для заказа запчастей и планирования обслуживания.
Аварийные сигналы полной или частичной нагрузки работают похожим образом. Характеристический импеданс нагрузки в нормальных условиях измеряется и сохраняется. Когда последовательный или параллельный элемент выпадает из цепи нагрузки, импеданс увеличивается на известный процент. Если импеданс увеличивается сверх этого порогового процента, звучит аварийный сигнал. В режиме постоянной мощности контроллер мощности SCR продолжает точно регулировать выходную мощность в заданных пользователем пределах напряжения и тока, компенсируя потерянный нагревательный элемент.

Снижение затрат на энергию

Энергоэффективность выражается в терминах коэффициента мощности, который варьируется от 0 до 100%. Интеллектуальные источники питания снижают затраты на энергию, используя методы улучшения коэффициента мощности через гибридный пуск. Гибридные режимы пуска дают гораздо лучшие коэффициенты мощности, чем аналоговые конструкции. Кроме того, пиковый кВА спрос может быть управляем для избежания штрафов поставщиков энергии за пиковый спрос. Во многих случаях эти экономии энергии могут обеспечить окупаемость всего за 2 года (в зависимости от тарифов на энергию).
Как упоминалось, нерегулируемые аналоговые источники питания чувствительны к изменениям напряжения питания или импеданса нагрузки. Нагревательные элементы SiC (карбид кремния) могут иметь вариацию сопротивления до 20% между новыми элементами. Кроме того, сопротивление элементов может увеличиться более чем на 300% по рабочим температурам и/или за срок службы элемента. Эти вариации сопротивления ухудшают производительность аналоговых источников питания, приводя к плохой регуляции и более высоким затратам на энергию из-за низкого коэффициента мощности, THD (общих гармонических искажений), насыщения сердечника и т.д.
Нагревательные элементы на основе MoSi₂ (дисилицид молибдена) могут иметь значительную вариацию сопротивления (до 10 раз) между горячим и холодным состояниями. Ограничение тока необходимо для предотвращения повреждения элементов или источника питания. Интеллектуальные источники питания могут быть спроектированы для устранения вариаций сопротивления при сохранении максимальной энергоэффективности.
Например, в типичном применении MoSi₂ интеллектуальный SCR может быть настроен в PC-редакторе функциональных блоков для гибридного пуска, который ограничивает намагничивание трансформатора и пусковые токи холодного элемента. Как показано на рисунке 4, интеллектуальный источник питания сначала нарастает выход к уставке с фазовым управлением и пропорциональным ограничением тока. В отличие от фиксированного ограничения тока, пропорциональное ограничение тока линейно и следует за выходом в процентах от уставки. По мере увеличения импеданса нагревательного элемента MoSi₂ с его температурой, выход SCR также увеличивается. Интеллектуальный SCR автоматически переключается из режима регулирования тока в режим импульсного (нулевого перехода) пуска и регулирования мощности для обеспечения максимально возможной энергоэффективности.
Резюме
Аргументы в пользу интеллектуальных контроллеров мощности в приложениях электрического нагрева убедительны. Усиленная конкуренция и спрос на более строгий процессный контроль усилили акцент на сокращении простоев, снижении затрат и улучшении качества. Аналоговые конструкции больше не удовлетворяют этим потребностям. Развития в интеллектуальном управлении мощностью дали значительные преимущества перед традиционными аналоговыми источниками питания. Более высокая надежность за счет усиленных конструкций и передовой диагностики выходит за рамки источника питания и включает мониторинг состояния нагревательных элементов. Начальные инвестиции и операционные расходы интеллектуальных источников питания значительно ниже, чем у аналоговых. Благодаря улучшенным функциям энергосбережения сроки окупаемости могут составлять всего 2 года. Технология интеллектуальных источников питания также добавляет гибкость, связь и управление данными для удовлетворения сегодняшнего беспрекословного спроса на контроль качества и более высокую продуктивность.
Эта статья написана Stephen Kosik из Eurotherm. Если у вас есть вопросы по продуктам Eurotherm, звоните в Sure Controls.