Warum sind elektrische SCR-Leistungsregler für Elektroheizungen sinnvoll

SCR-Leistungssteuerung und Elektroheizung

In den letzten 50 Jahren haben analogbasierte Designs der Industrie gute Dienste geleistet. Die steigende Nachfrage nach Designflexibilität, verbesserter Zuverlässigkeit/Wiederholbarkeit und niedrigeren Kosten hat die intelligente SCR-Stromversorgung jedoch zu einer idealen Lösung für Elektroofenbenutzer gemacht, die einen Wettbewerbsvorteil erzielen möchten. Intelligente Netzteile haben viele Vorteile gegenüber analogen Designs. Dieser Artikel gibt einen Überblick über einige der Herausforderungen älterer analoger Netzteile und die Art und Weise, wie intelligente SCR-Netzteile sie angehen.

Datengesteuerte Leistung

Intelligente Stromversorgungstechnologie kann eine höhere Leistung, gesteigerte Produktivität und verbesserte Qualität ermöglichen. Der digitale Thyristor-Leistungssteller ist der Kernbaustein einer intelligenten Thyristor-Stromversorgung. Sein fortschrittliches Design vereint die Fähigkeiten eines Mikrocontrollers, Ethernet-Kommunikation und integrierte E/A-Komponenten.
Im Gegensatz zu analogen Designs sind die Parameter eines intelligenten Leistungsreglers flexibel und können an eine bestimmte Anwendung angepasst werden. Proprietäre Algorithmen und benutzerdefinierbare Konfigurationen sind in den Mikrocontroller eingebettet, gespeichert, abgerufen und nach Bedarf modifiziert. Energieeffiziente Hybridfeuerungsmodi, Nennwerte, Grenzwerte, Alarme, mathematische Funktionen, Logik- und E/A-Konfigurationen können über die Menüauswahl definiert oder mit einem PC-basierten Funktionsblockeditor erstellt werden, ähnlich denen, die in SPSen verwendet werden. Ein Ethernet-Anschluss bietet direkten Zugriff auf Konfigurationen, Diagnosen und Prozessdaten, die zuvor bei analogen Designs nicht verfügbar waren.
Für die Regelung ist die intelligente Stromversorgung eine überlegene Wahl. Es kompensiert Lastimpedanz- und Netzspannungsschwankungen, indem es eine genaue Spannungs-, Strom- und Leistungsregelung erzeugt. Hybrid-Zündungstechniken, Lastmanagement und automatische Transformatoranzapfung erzeugen Energieeffizienzen, die weit über die Reichweite analoger Designs hinausgehen. Leistungsfaktoren zwischen 92 % und 98 % können über die gesamte Lastkurve erreicht werden.
Ein gut geregelter Prozess hängt von einer Leistungssteuerung mit hochgenauer Rückkopplung ab. Intelligente SCR-Versorgungen werden digital auf rückführbare RMS-Spannungs-, Strom- und Leistungsstandards kalibriert. Ihre Kalibrierungen gelten und werden nicht durch Temperatur, Staub oder andere Verunreinigungen wie manuell kalibrierte Geräte beeinflusst. Mit einer intelligenten SCR-Stromversorgung ist die Ofentemperatur unabhängig von elektrischen Schwankungen, da diese von einem selbstregelnden SCR-Leistungsregler angegangen werden.

Verbesserte Zuverlässigkeit

Analoge Stromversorgungen werden seit Jahrzehnten zuverlässig für Ofenanwendungen eingesetzt. Ein Problem beim Ersatz analoger Netzteile durch intelligente Technologie ist die Zuverlässigkeit. Wie bei allen kundenspezifischen Designs wird der Umgebung, in der das Netzteil installiert wird, besondere Beachtung geschenkt. In staubigen, korrosiven oder feuchten Umgebungen sind die Leistungs- und Steuerelektronik in Gehäusen mit entsprechender NEMA- oder IP-Schutzart untergebracht.
Ausreichende Kühlung ist von entscheidender Bedeutung. Typischerweise werden SPS, HMI, SCR und andere digitale Steuerungen auf einer Seite (Steuerungsseite) eines unterteilten Gehäuses installiert. Die andere Seite (Leistungsseite) enthält den Transformator, Abgriffanschlüsse/Schalter oder andere Leistungsanschlüsse. Diese Trennung bietet auch Schutz vor elektrischen Störungen. Oftmals kann ein kundenspezifisches, intelligentes SCR-Netzteil auf einer viel kleineren Grundfläche installiert werden als sein Vorgänger.
Die Zuverlässigkeit eines intelligenten SCR-Netzteils liegt nicht nur in seinem Design, sondern kann erweitert werden, um eine erweiterte Diagnose für die Heizung einzuschließen Elemente. Die Zustandsüberwachung hilft, Ausfallzeiten aufgrund eines unerwarteten Elementverlusts zu vermeiden. Bei der Zustandsüberwachung wird der Wellenwiderstand eines Heizelements über seine Betriebstemperaturen und/oder seine bekannte Lebensdauer hinweg überwacht. Wenn sich das Heizelement seinem Lebensende nähert, steigt die Gesamtlastimpedanz und der Sollwert wird schließlich unerreichbar, wodurch ein Alarm ausgelöst wird. Die intelligente Stromversorgung kann diese Bedingungen erkennen und den Bediener im Voraus über Elementprobleme informieren, sodass genügend Zeit für die Bestellung von Ersatzteilen und die Planung von Wartungsarbeiten bleibt.
Voll- oder Teillastalarme funktionieren auf ähnliche Weise. Der Wellenwiderstand der Last unter normalen Bedingungen wird gemessen und gespeichert. Wenn ein Reihen- oder Parallelelement aus dem Lastkreis ausfällt, steigt die Impedanz um einen bekannten Prozentsatz. Wenn die Impedanz über diese Prozentschwelle ansteigt, ertönt ein Alarm. Im Konstantleistungsmodus regelt der SCR-Leistungsregler weiterhin die Ausgangsleistung präzise innerhalb benutzerdefinierter Spannungs- und Stromgrenzen und kompensiert gleichzeitig das verlorene Heizelement.

Niedrigere Energiekosten

Die Energieeffizienz wird in Form des Leistungsfaktors ausgedrückt, der zwischen 0 und 100 % liegt. Intelligente Netzteile reduzieren die Energiekosten durch den Einsatz von Techniken zur Verbesserung des Leistungsfaktors durch Hybridfeuerung. Hybridfeuerungsmodi erzeugen viel bessere Leistungsfaktoren als analoge Designs. Darüber hinaus kann der kVA-Spitzenbedarf verwaltet werden, um Strafen für den Bedarf des Energieversorgers zu vermeiden. In vielen Fällen können sich diese Energieeinsparungen in nur 2 Jahren amortisieren (abhängig von den Energietarifen).
Wie bereits erwähnt, reagieren ungeregelte analoge Netzteile empfindlich auf Änderungen der Versorgungsspannung oder der Lastimpedanz. Der Widerstand von SiC (Siliciumcarbid)-Heizelementen kann bis zu 20 % zwischen neuen Elementen variieren. Darüber hinaus kann der Elementwiderstand über die Betriebstemperaturen und/oder über die Lebensdauer des Elements um über 300 % ansteigen. Diese Widerstandsschwankungen beeinträchtigen die Leistung von analogen Netzteilen, was zu einer schlechten Regulierung und höheren Energiekosten aufgrund von niedrigem Leistungsfaktor, THD (Total Harmonic Distortion), Kernsättigung usw. führt.
Mi₂ Auf (Molybdändisilizid) basierende Heizelemente können erhebliche Widerstandsschwankungen (bis zu 10x) zwischen heißen und kalten Temperaturen aufweisen. Eine Strombegrenzung ist erforderlich, um Schäden an den Elementen oder der Stromversorgung zu vermeiden. Intelligente Netzteile können so konzipiert werden, dass sie Widerstandsschwankungen ausgleichen und gleichzeitig die höchste Energieeffizienz aufrechterhalten.
Zum Beispiel in einem typischen MoSi₂ Anwendung kann der intelligente SCR in einem PC-basierten Funktionsblockeditor für Hybridzündung konfiguriert werden, wodurch die Transformatormagnetisierung und die Einschaltströme des kalten Elements begrenzt werden. Wie in Abbildung 4 dargestellt, steuert die intelligente Stromversorgung zunächst den Ausgang in Richtung des Sollwerts mit Phasenwinkelzündung und proportionaler Strombegrenzung. Im Gegensatz zu einer festen Strombegrenzung ist eine proportionale Strombegrenzung linear und folgt dem Ausgang als Prozentsatz des Sollwerts. B. die Impedanz des MoSi₂ Heizelement mit seiner Temperatur steigt, steigt auch die SCR-Leistung. Der intelligente SCR wechselt automatisch vom Stromregelungsmodus zu Burst- (Nulldurchgangs-) Zündung und Leistungsregelung, um die höchstmögliche Energieeffizienz zu fördern.
Zusammenfassung
Die Argumente für intelligente Leistungsregler in elektrischen Heizanwendungen sind überzeugend. Der zunehmende Wettbewerb und die Forderung nach strengeren Prozesskontrollen haben eine stärkere Betonung auf die Reduzierung von Ausfallzeiten, die Senkung der Kosten und die Verbesserung der Qualität gelegt. Analoge Designs genügen diesen Anforderungen nicht mehr. Entwicklungen in der intelligenten Leistungssteuerung haben zu erheblichen Vorteilen gegenüber herkömmlichen analogen Netzteilen geführt. Höhere Zuverlässigkeit durch robuste Konstruktionen und fortschrittliche Diagnose erstreckt sich über die Stromversorgung hinaus und umfasst die Zustandsüberwachung von Heizelementen. Die Anschaffungs- und Betriebskosten intelligenter Netzteile sind deutlich geringer als bei analogen Designs. Mit erweiterten Energiesparfunktionen können Amortisationszeiten nur 2 Jahre betragen. Intelligente Stromversorgungstechnologie fügt auch Flexibilität, Konnektivität und Datenverwaltung hinzu, um den heutigen unerbittlichen Anforderungen an Qualitätskontrolle und höhere Produktivität gerecht zu werden.
Dieser Artikel wurde verfasst von Stephen Kosik von Eurotherm. Wenn Sie Fragen zu Eurotherm-Produkten haben, rufen Sie Sure Controls an.