SCR-vermogenscontroles en elektrische warmte

De afgelopen 50 jaar hebben analoge ontwerpen de industrie goed gediend. Echter, de toenemende vraag naar ontwerpflexibiliteit, verbeterde betrouwbaarheid/herhaalbaarheid en lagere kosten hebben de intelligente SCR-voeding tot een ideale oplossing gemaakt voor gebruikers van elektrische ovens die een competitief voordeel zoeken. Intelligente voedingen hebben veel voordelen ten opzichte van analoge ontwerpen. Dit artikel bespreekt enkele uitdagingen van verouderde analoge voedingen en de manieren waarop intelligente SCR-voedingen deze aanpakken.

Datagestuurde prestaties

Intelligente voedingstechnologie kan hogere prestaties, verhoogde productiviteit en verbeterde kwaliteit mogelijk maken. De digitale SCR-vermogenscontroller is de kernbouwsteen van een intelligente SCR-voeding. Het geavanceerde ontwerp combineert de mogelijkheden van een microcontroller, Ethernet-communicatie en geïntegreerde I/O-componenten. In tegenstelling tot analoge ontwerpen zijn de parameters van een intelligente vermogenscontroller flexibel en kunnen ze worden aangepast aan een specifieke toepassing. Proprietaire algoritmen en door de gebruiker definieerbare configuraties zijn in de microcontroller ingesloten, opgeslagen, herroepen en zo nodig gewijzigd. Energiezuinige hybride vuurmodi, nominale waarden, limieten, alarmen, wiskundige functies, logica en I/O-configuraties kunnen via menukeuze worden gedefinieerd, of worden opgebouwd met een pc-gebaseerde functieblokeditor, vergelijkbaar met die gebruikt in PLC's. Een Ethernet-poort biedt directe toegang tot configuraties, diagnostische gegevens en procesgegevens die eerder niet beschikbaar waren vanuit analoge ontwerpen.

Voor regeling is de intelligente voeding een superieure keuze. Het compenseert voor belastingimpedantie en netspanningsfluctuaties door nauwkeurige spanning, stroom en vermogensregeling te produceren. Hybride vuurtechnieken, belastingbeheer en automatische transformator tapping produceren energie-efficiëntie ver buiten het bereik van analoge ontwerpen. Vermogensfactoren tussen 92% en 98% kunnen over de hele belastingscurve worden bereikt. Een goed geregelde proces hangt af van vermogensbeheer met hoog-precieze terugkoppeling. Intelligente SCR-voedingen zijn digitaal gekalibreer op traceerbare RMS-spanning, -stroom en -vermogensstandaarden. Hun kalibraties blijven geldig en worden niet beïnvloed door temperatuur, stof of andere verontreinigingen zoals handmatig gekalibreerde apparaten. Met een intelligente SCR-voeding is de ovenstemperatuur onafhankelijk van elektrische variaties, omdat deze worden aangepakt door een zelfregulerende SCR-vermogenscontroller.

Verbeterde betrouwbaarheid

Analoge voedingen zijn al decennia betrouwbaar gebruikt voor ovenapplicaties. Een zorg bij het vervangen van analoge voedingen door intelligente technologie is die van betrouwbaarheid. Zoals bij alle aangepaste ontwerpen, wordt speciale aandacht besteed aan de omgeving waarin de voeding geïnstalleerd zal worden. In stoffige, corrosieve of vochtige omgevingen worden de vermogens- en besturingselectronica in behuizingen ondergebracht met de juiste NEMA- of IP-beschermingsklasse. Adequate koeling is van vitale belang. Doorgaans worden de PLC, HMI, SCR en andere digitale besturingen aan één kant (besturingszijde) van een gecompartimenteerde behuizing geïnstalleerd. De andere kant (vermogenszijde) bevat de transformator, tap-aansluitingen/schakelaars of andere vermogensverbindingen. Deze scheiding biedt ook bescherming tegen elektrische interferentie. Vaak kan een op maat ontworpen, intelligente SCR-voeding in een veel kleinere voetafdruk worden geïnstalleerd dan zijn voorganger. Betrouwbaarheid van een intelligente SCR-voeding ligt niet alleen in het ontwerp, maar kan worden uitgebreid tot geavanceerde diagnostiek voor verwarmings elementen. Conditiemonitoring helpt downtime te elimineren door onverwachte elementverlies. Bij conditiemonitoring wordt de karakteristieke impedantie van een verwarmingselement gemeten over de werkingtemperaturen en/of de bekende levenscyclus. Naarmate het verwarmingselement het einde van zijn levensduur nadert, neemt de totale belastingimpedantie toe en wordt het instelpunt uiteindelijk onbereikbaar, wat een alarm activeert. De intelligente voeding kan deze condities detecteren en de operator van tevoren waarschuwen voor elementproblemen, zodat er voldoende tijd is om reserveonderdelen te bestellen en onderhoud te plannen. Volledige of gedeeltelijke belastingalarmen werken op vergelijkbare wijze. De karakteristieke impedantie van de belasting onder normale omstandigheden wordt gemeten en opgeslagen. Wanneer een serie- of parallel-element uit de belastingsschakeling verloren gaat, neemt de impedantie toe met een bekend percentage. Als de impedantie boven die drempelwaarde stijgt, gaat een alarm af. In constant vermogen modus blijft de SCR-vermogenscontroller het uitgangsvermogen nauwkeurig regelen, binnen door de gebruiker gedefinieerde spanning- en stroomlimieten, terwijl gecompenseerd wordt voor het verloren verwarmingselement.

Lagere energiekosten

Energie-efficiëntie wordt uitgedrukt in termen van vermogensfactor, die varieert tussen 0-100%. Intelligente voedingen verlagen energiekosten door vermogensfactorverbeteringstechnieken via hybride vuur toe te passen. Hybride vuurmodi produceren veel betere vermogensfactoren dan analoge ontwerpen. Bovendien kan piek kVA-vraag worden beheerd om energieleverancier boetes te vermijden. In veel gevallen kunnen deze energiebesparingen een terugverdientijd van slechts 2 jaar opleveren (afhankelijk van energietarieven). Zoals gezegd, zijn ongeregelde analoge voedingen gevoelig voor veranderingen in voedings spanning of belastingimpedantie. SiC (siliciumcarbide) verwarmingselementweerstand kan tot 20% variatie vertonen tussen nieuwe elementen. Bovendien kan elementweerstand met meer dan 300% toenemen over werkingtemperaturen en/of over de levensduur van het element. Deze variaties in weerstand compromitteren de prestaties van analoge voedingen, wat resulteert in slechte regeling en hogere energiekosten door lage vermogensfactor, THD (totale harmonische vervorming), kernverzadiging, enz. MoSi₂ (molybdeen-disilicide) gebaseerde verwarmingselementen kunnen een significante weerstandsvariatie (tot 10x) vertonen tussen warme en koude temperaturen. Stroombegrenzing is nodig om schade aan de elementen of voeding te voorkomen. Intelligente voedingen kunnen worden ontworpen om weerstandsvariaties aan te pakken terwijl de hoogste energie-efficiëntie behouden blijft. Bijvoorbeeld, in een typische MoSi₂-applicatie kan de intelligente SCR in een pc-gebaseerde functieblokeditor worden geconfigureerd voor hybride vuur, wat transformator magnetisatie en koude element inrush stromen beperkt. Zoals geïllustreerd in Figuur 4, verhoogt de intelligente voeding eerst de uitgang naar het instelpunt met fasehoekvuur en proportionele stroombegrenzing. In tegenstelling tot een vaste stroombegrenzing, is een proportionele stroombegrenzing lineair en volgt de uitgang als percentage van het instelpunt. Naarmate de impedantie van het MoSi₂-verwarmingselement toeneemt met de temperatuur, neemt de SCR-uitgang ook toe. De intelligente SCR schakelt automatisch van stroomregelmodus naar burst (nul-doorgang) vuur en vermogensregeling om de hoogst mogelijke energie-efficiëntie te bevorderen. Samenvatting Het voorstel voor intelligente vermogenscontrollers in elektrische verwarmingsapplicaties is overtuigend. Toegenomen concurrentie en vraag naar strakkere procescontroles hebben een sterkere nadruk gelegd op het verminderen van downtime, het verlagen van kosten en het verbeteren van kwaliteit. Analog ontwerpen zijn niet langer adequaat om aan deze behoeften te voldoen. Ontwikkelingen in intelligente vermogensbeheersing hebben significante voordelen ten opzichte van traditionele analoge voedingen opgeleverd. Hogere betrouwbaarheid door robuuste ontwerpen en geavanceerde diagnostiek strekt zich uit verder dan de voeding tot conditiemonitoring van verwarmingselementen. De initiële investering en exploitatiekosten van intelligente voedingen zijn significant lager dan analoge ontwerpen. Met verbeterde energiebesparingsfuncties kunnen terugverdientijden zo laag zijn als 2 jaar. Intelligente voedingstechnologie voegt ook flexibiliteit, connectiviteit en databeheer toe om te voldoen aan de onvermindere eis naar kwaliteitscontrole en hogere productiviteit. Dit artikel is geschreven door Stephen Kosik van Eurotherm. Als u vragen heeft over Eurotherm producten, bel Sure Controls.