Por que os controles elétricos de potência SCR fazem sentido para aquecimento elétrico

Controles de energia SCR e aquecimento elétrico

Nos últimos 50 anos, os designs baseados em analógico serviram bem à indústria. No entanto, a crescente demanda por flexibilidade de projeto, maior confiabilidade/repetibilidade e custos mais baixos tornaram a fonte de alimentação SCR inteligente uma solução ideal para usuários de fornos elétricos que buscam obter vantagem competitiva. As fontes de alimentação inteligentes têm muitas vantagens sobre os designs analógicos. Este artigo analisa alguns dos desafios das fontes de alimentação analógicas herdadas e as maneiras como as fontes de alimentação SCR inteligentes os abordam.

Desempenho baseado em dados

A tecnologia inteligente de fornecimento de energia pode permitir maior desempenho, maior produtividade e melhor qualidade. O controlador de energia SCR digital é o bloco de construção principal de uma fonte de alimentação SCR inteligente. Seu design avançado combina os recursos de um microcontrolador, comunicações Ethernet e componentes de E/S integrados.
Ao contrário dos designs analógicos, os parâmetros de um controlador de potência inteligente são flexíveis e podem ser personalizados para atender a uma aplicação específica. Algoritmos proprietários e configurações definíveis pelo usuário são incorporados no microcontrolador, armazenados, recuperados e modificados conforme necessário. Modos de disparo híbrido energeticamente eficientes, valores nominais, limites, alarmes, funções matemáticas, lógica e configurações de E/S podem ser definidos por meio de seleção de menu ou construídos usando um editor de blocos de função baseado em PC, semelhante aos usados ​​em PLCs. Uma porta Ethernet fornece acesso direto a configurações, diagnósticos e dados de processo anteriormente indisponíveis em projetos analógicos.
Para regulação, a fonte de alimentação inteligente é uma escolha superior. Ele compensa a impedância de carga e as flutuações de tensão da linha, produzindo uma regulação precisa de tensão, corrente e potência. Técnicas de disparo híbrido, gerenciamento de carga e derivação automática do transformador produzem eficiências energéticas muito além do alcance dos projetos analógicos. Fatores de potência entre 92% e 98% podem ser alcançados em toda a curva de carga.
Um processo bem regulado depende do controle de potência com realimentação de alta precisão. Os suprimentos SCR inteligentes são calibrados digitalmente para padrões rastreáveis ​​de tensão, corrente e energia RMS. Suas calibrações são verdadeiras e não são afetadas por temperatura, poeira ou outros contaminantes, como dispositivos calibrados manualmente. Com uma fonte de alimentação SCR inteligente, a temperatura do forno é independente das variações elétricas, pois elas são endereçadas por um controlador de potência SCR auto-regulável.

Confiabilidade melhorada

Fontes de alimentação analógicas têm sido usadas de forma confiável para aplicações em fornos por décadas. Uma preocupação com a substituição de fontes de alimentação analógicas por tecnologia inteligente é a confiabilidade. Como em todos os projetos personalizados, é dada atenção especial ao ambiente no qual a fonte de alimentação será instalada. Em ambientes empoeirados, corrosivos ou úmidos, os componentes eletrônicos de alimentação e controle são alojados em gabinetes com a classificação de proteção NEMA ou IP adequada.
O resfriamento adequado é de vital importância. Normalmente, o PLC, HMI, SCR e outros controles digitais são instalados em um lado (lado do controle) de um gabinete compartimentado. O outro lado (lado da alimentação) contém o transformador, conexões/interruptores de derivação ou outras conexões de alimentação. Essa separação também fornece proteção contra interferência elétrica. Muitas vezes, uma fonte de alimentação SCR inteligente projetada sob medida pode ser instalada em um espaço muito menor do que seu antecessor.
A confiabilidade de uma fonte de alimentação SCR inteligente não reside apenas em seu design, mas pode ser estendida para incluir diagnósticos avançados para aquecimento elementos. O monitoramento da condição ajuda a eliminar o tempo de inatividade devido à perda inesperada do elemento. No monitoramento de condição, a impedância característica de um elemento de aquecimento é monitorada em suas temperaturas operacionais e/ou ciclo de vida conhecido. À medida que o elemento de aquecimento se aproxima do fim de sua vida útil, a impedância de carga total aumenta e o ponto de ajuste eventualmente se torna inacessível, acionando um alarme. A fonte de alimentação inteligente pode detectar essas condições e notificar o operador com antecedência sobre os problemas do elemento, permitindo tempo suficiente para solicitar peças de reposição e agendar a manutenção.
Os alarmes de carga total ou parcial funcionam de maneira semelhante. A impedância característica da carga em condições normais é medida e armazenada. Quando um elemento em série ou paralelo é perdido do circuito de carga, a impedância aumenta em uma porcentagem conhecida. Se a impedância aumentar além desse limite percentual, um alarme soará. Se estiver no modo de energia constante, o controlador de energia SCR continua a regular com precisão a energia de saída, dentro dos limites de tensão e corrente definidos pelo usuário, enquanto compensa o elemento de aquecimento perdido.

Custos de energia mais baixos

A eficiência energética é expressa em termos de fator de potência, que varia entre 0-100%. Fontes de alimentação inteligentes reduzem os custos de energia empregando técnicas de melhoria do fator de potência por meio de queima híbrida. Os modos de disparo híbrido produzem fatores de potência muito melhores do que os designs analógicos. Além disso, a demanda de kVA de pico pode ser gerenciada para evitar penalidades de demanda do fornecedor de energia. Em muitos casos, essas economias de energia podem fornecer um retorno em até 2 anos (dependendo das taxas de energia).
Como mencionado, fontes de alimentação analógicas não reguladas são sensíveis a mudanças na tensão de alimentação ou impedância de carga. A resistência do elemento de aquecimento de SiC (carboneto de silício) pode ter até 20% de variação entre novos elementos. Além disso, a resistência do elemento pode aumentar em mais de 300% nas temperaturas de operação e/ou durante a vida útil do elemento. Essas variações de resistência comprometem o desempenho das fontes de alimentação analógicas resultando em má regulação e maiores custos de energia devido ao baixo fator de potência, THD (distorção harmônica total), saturação do núcleo, etc.
Mi₂ (disilicida de molibdênio) elementos de aquecimento podem ter variação de resistência significativa (até 10x) entre temperaturas quentes e frias. A limitação de corrente é necessária para evitar danos aos elementos ou à fonte de alimentação. Fontes de alimentação inteligentes podem ser projetadas para lidar com variações de resistência, mantendo a mais alta eficiência energética.
Por exemplo, em um típico MoSi₂ aplicação, o SCR inteligente pode ser configurado em um editor de bloco de funções baseado em PC para disparo híbrido, o que limita a magnetização do transformador e as correntes de irrupção do elemento frio. Conforme ilustrado na Figura 4, a fonte de alimentação inteligente primeiro aumenta a saída em direção ao ponto de ajuste com disparo do ângulo de fase e limite de corrente proporcional. Ao contrário de um limite de corrente fixo, um limite de corrente proporcional é linear e segue a saída como uma porcentagem do ponto de ajuste. Como a impedância do MoSi₂ elemento de aquecimento aumenta com sua temperatura, a saída do SCR também aumenta. O SCR inteligente transfere automaticamente do modo de regulação atual para disparo contínuo (zero-cross) e regulação de potência para promover a maior eficiência energética possível.
Resumo
O caso de controladores de potência inteligentes em aplicações de aquecimento elétrico é convincente. O aumento da concorrência e a demanda por controles de processo mais rígidos colocaram uma ênfase maior na redução do tempo de inatividade, redução de custos e melhoria da qualidade. Os designs analógicos não são mais adequados para atender a essas necessidades. Os desenvolvimentos no controle de energia inteligente produziram vantagens significativas em relação às fontes de alimentação analógicas tradicionais. A maior confiabilidade por meio de projetos robustos e diagnósticos avançados se estende além da fonte de alimentação para incluir o monitoramento da condição dos elementos de aquecimento. O investimento inicial e os custos operacionais das fontes de alimentação inteligentes são significativamente menores do que os designs analógicos. Com recursos aprimorados de economia de energia, os períodos de retorno podem ser de apenas 2 anos. A tecnologia de fornecimento de energia inteligente também adiciona flexibilidade, conectividade e gerenciamento de dados para atender à demanda implacável de hoje por controle de qualidade e maior produtividade.
Este artigo foi escrito por Stephen Kosik da Eurotherm. Se você tiver dúvidas sobre os produtos Eurotherm, ligue para a Sure Controls.