SCR-vermogensregeling en elektrische verwarming

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

Gegevensgestuurde prestaties

Intelligente voedingstechnologie kan hogere prestaties, verhoogde productiviteit en verbeterde kwaliteit mogelijk maken. De digitale SCR-voedingscontroller is de belangrijkste bouwsteen 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 bepaalde toepassing. Eigen algoritmen en door de gebruiker te definiëren configuraties zijn ingebed in de microcontroller, opgeslagen, opgeroepen en indien nodig gewijzigd. Energiezuinige hybride ontstekingsmodi, nominale waarden, limieten, alarmen, wiskundige functies, logica en I/O-configuraties kunnen worden gedefinieerd via menuselectie, of worden gebouwd met behulp van een pc-gebaseerde functieblokeditor, vergelijkbaar met die gebruikt in PLC's. Een Ethernet-poort biedt directe toegang tot configuraties, diagnostiek en procesgegevens die voorheen niet beschikbaar waren in analoge ontwerpen.
Voor regeling is de intelligente voeding een superieure keuze. Het compenseert belastingsimpedantie en lijnspanningsschommelingen door nauwkeurige spannings-, stroom- en vermogensregeling te produceren. Hybride ontstekingstechnieken, belastingbeheer en automatisch aftappen van transformatoren zorgen voor energie-efficiëntie die ver buiten het bereik van analoge ontwerpen ligt. Vermogensfactoren tussen 92% en 98% kunnen worden bereikt over de gehele belastingscurve.
Een goed gereguleerd proces is afhankelijk van vermogensregeling met uiterst nauwkeurige feedback. Intelligente SCR-voedingen zijn digitaal gekalibreerd volgens traceerbare RMS-normen voor spanning, stroom en vermogen. Hun kalibraties zijn waar en worden niet beïnvloed door temperatuur, stof of andere verontreinigingen zoals handmatig gekalibreerde apparaten. Met een intelligente SCR-voeding is de oventemperatuur onafhankelijk van elektrische variaties, omdat deze worden geadresseerd door een zelfregulerende SCR-vermogensregelaar.

Verbeterde betrouwbaarheid

Analoge voedingen worden al tientallen jaren betrouwbaar gebruikt voor oventoepassingen. Een punt van zorg bij het vervangen van analoge voedingen door intelligente technologie is de betrouwbaarheid. Zoals bij alle aangepaste ontwerpen, wordt er speciale aandacht besteed aan de omgeving waarin de voeding wordt geïnstalleerd. In stoffige, corrosieve of vochtige omgevingen is de vermogens- en besturingselektronica ondergebracht in behuizingen met de juiste NEMA- of IP-beschermingsklasse.
Adequate koeling is van vitaal belang. Meestal worden de PLC, HMI, SCR en andere digitale besturingen aan één zijde (besturingszijde) van een gecompartimenteerde behuizing geïnstalleerd. De andere kant (stroomzijde) bevat de transformator, tapaansluitingen/schakelaars of andere stroomaansluitingen. Deze scheiding biedt ook bescherming tegen elektrische interferentie. Vaak kan een op maat ontworpen, intelligente SCR-voeding worden geïnstalleerd in een veel kleinere voetafdruk dan zijn voorganger.
De betrouwbaarheid van een intelligente SCR-voeding ligt niet alleen in het ontwerp, maar kan worden uitgebreid met geavanceerde diagnostiek voor verwarming elementen. Conditiebewaking helpt downtime als gevolg van onverwacht verlies van elementen te elimineren. Bij conditiebewaking wordt de karakteristieke impedantie van een verwarmingselement bewaakt over zijn bedrijfstemperaturen en/of bekende levenscyclus. Naarmate het verwarmingselement het einde van zijn levensduur nadert, neemt de totale belastingsimpedantie toe en wordt het instelpunt uiteindelijk onbereikbaar, waardoor een alarm wordt geactiveerd. De intelligente voeding kan deze condities detecteren en de operator van tevoren op de hoogte stellen van elementproblemen, waardoor er voldoende tijd is om vervangende onderdelen te bestellen en onderhoud te plannen.
Volledige of gedeeltelijke belastingalarmen werken op een vergelijkbare manier. De karakteristieke impedantie van de belasting onder normale omstandigheden wordt gemeten en opgeslagen. Wanneer een serieel of parallel element uit het belastingscircuit verloren gaat, neemt de impedantie toe met een bekend percentage. Als de impedantie boven die procentuele drempel stijgt, klinkt er een alarm. In de constante vermogensmodus blijft de SCR-vermogensregelaar het uitgangsvermogen nauwkeurig regelen, binnen door de gebruiker gedefinieerde spannings- en stroomlimieten, terwijl het verloren verwarmingselement wordt gecompenseerd.

Lagere energiekosten

Energie-efficiëntie wordt uitgedrukt in termen van arbeidsfactor, die varieert van 0-100%. Intelligente voedingen verlagen de energiekosten door gebruik te maken van technieken voor het verbeteren van de vermogensfactor door middel van hybride vuren. Hybride afvuurmodi produceren veel betere vermogensfactoren dan analoge ontwerpen. Bovendien kan de piekvraag in kVA worden beheerd om boetes voor de vraag van energieleveranciers te voorkomen. In veel gevallen kunnen deze energiebesparingen zich in slechts 2 jaar terugverdienen (afhankelijk van de energietarieven).
Zoals vermeld, zijn niet-gereguleerde analoge voedingen gevoelig voor veranderingen in voedingsspanning of belastingsimpedantie. De weerstand van SiC (siliciumcarbide) verwarmingselementen kan tot 20% variëren tussen nieuwe elementen. Bovendien kan de weerstand van het element met meer dan 300% toenemen bij bedrijfstemperaturen en/of gedurende de levensduur van het element. Deze variaties in weerstand tasten de prestaties van analoge voedingen aan, wat resulteert in een slechte regeling en hogere energiekosten als gevolg van een lage arbeidsfactor, THD (totale harmonische vervorming), kernverzadiging, enz.
Mi₂ Verwarmingselementen op basis van (molybdeendisilicide) kunnen een aanzienlijke weerstandsvariatie hebben (tot 10x) 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 toepassing, kan de intelligente SCR worden geconfigureerd in een pc-gebaseerde functieblokeditor voor hybride ontsteking, waardoor transformatormagnetisatie en inschakelstromen van koude elementen worden beperkt. Zoals geïllustreerd in afbeelding 4, laat de intelligente voeding eerst de uitvoer stijgen naar het instelpunt met fasehoekaansturing en proportionele stroombegrenzing. In tegenstelling tot een vaste stroombegrenzing is een proportionele stroombegrenzing lineair en volgt de uitgang als een percentage van het instelpunt. Als de impedantie van de MoSi₂ verwarmingselement neemt toe met zijn temperatuur, de SCR-output neemt ook toe. De intelligente SCR schakelt automatisch over van de huidige regelmodus naar burst (zero-cross) vuren en vermogensregeling om de hoogst mogelijke energie-efficiëntie te bevorderen.
Samenvatting
De argumenten voor intelligente vermogensregelaars in elektrische verwarmingstoepassingen zijn overtuigend. Door de toegenomen concurrentie en de vraag naar strakkere procescontroles is er meer nadruk komen te liggen op het verminderen van downtime, het verlagen van de kosten en het verbeteren van de kwaliteit. Analoge ontwerpen voldoen niet meer aan deze behoeften. Ontwikkelingen op het gebied van intelligente vermogensregeling hebben aanzienlijke voordelen opgeleverd ten opzichte van traditionele analoge voedingen. Hogere betrouwbaarheid door robuuste ontwerpen en geavanceerde diagnostiek gaat verder dan de voeding en omvat ook conditiebewaking van verwarmingselementen. De initiële investering en bedrijfskosten van intelligente voedingen zijn aanzienlijk lager dan bij analoge ontwerpen. Met verbeterde energiebesparende functies kan de terugverdientijd slechts 2 jaar bedragen. Intelligente stroomvoorzieningstechnologie voegt ook flexibiliteit, connectiviteit en gegevensbeheer toe om te voldoen aan de huidige niet-aflatende vraag naar kwaliteitscontrole en hogere productiviteit.
Dit artikel is geschreven door Stephen Kosik van Eurotherm. Als u vragen heeft over producten van Eurotherm, belt u Sure Controls.