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電加熱爐用EPower控制電源的解決方案
來源:http://www.eurothermchina.com/ | 作者:九哥 | 發布時間: 2021-03-31 | 222 次瀏覽 | 分享到:

 

多年來,電加熱爐一直采用模擬電源控制。然而,提高功率因數和能源效率的需求,加上資本支出和運營支出的減少,導致需要更具成本效益的解決方案。

 

數字可控硅控制技術的發展導致了EPower的設計? 先進的可控硅控制器。

通過安裝智能控制系統,現在可以獲得顯著的效率和成本效益

EPower控制電源解決方案。 

 

電熱處理爐的精度和重復性能取決于關鍵工藝參數的控制,如溫度、氣氛、壓力和輸送到加熱器的電能。加熱爐內的溫度通常由溫度或過程控制器、可編程邏輯控制器(PLC)或與電源執行器相結合的手動調節來控制。

 

歷史上,模擬功率控制裝置或策略一直用于控制輸送到這些熔爐的電力。模擬控制裝置的實例包括可變電抗變壓器(VRT)、飽和鐵芯電抗器和模擬可控硅整流器(SCR)。

 

VRT和飽和鐵芯電抗器類型都使用模擬SCR驅動的直流(DC)控制繞組間接調節變壓器二次繞組到加熱元件的輸出功率。通過向控制繞組施加直流電來控制VRT中的功率變化,從而使VRT鐵芯飽和或去飽和。

 

當輸出為100%時,這些類型的模擬電源在熔爐的初始加熱期間表現良好。然而,在熱處理循環期間,當輸出水平低于100%時,功率因數、能源效率和工藝性能顯著降低。這導致不必要的高能源成本和工件質量的變化。

 

在過去的50年里,基于模擬的設計已經很好地服務于這個行業。然而,對能提高能源效率、功率因數、溫度精度、工件質量、設備可靠性和工藝可重復性的高性價比解決方案的需求,導致了數字可控硅控制技術的發展。

 

EPower Advanced SCR控制器支持智能數字SCR功率控制解決方案的設計,該解決方案具有顯著的成本和效率優勢。提高性能和能源效率的結合有助于機械制造商和熱處理廠通過實現更高的功率因數和降低運營成本來應對新的客戶挑戰。本白皮書回顧了電源和VRT設計的一些主要優點。

 

 

 

 

 

在典型的傳統可控硅控制電源中,模擬可控硅功率控制器直接耦合到電力變壓器的一次或二次繞組。

 

EPower先進的可控硅控制電源可以訪問數據,從而更好地控制參數,提高能源效率。

 

模擬SCR參數設置,如控制回路響應、電流限制設定點和斜坡持續時間,需要在工廠級別進行預設,通常使用電位計和電容器。由于這些設備受年齡和溫度的影響,設置往往隨時間漂移,導致功率控制行為的變化。其結果是控制不穩定,溫度精度差。

 

模擬可控硅控制電源也是一種開環設計,在功率輸出和溫度控制器提供給可控硅的設定點之間沒有連接。模擬晶閘管功率控制器也會出現參數漂移,導致與VRT相同的溫度不穩定性。

 

 

 

 

 

Eurotherm EPower晶閘管功率控制器采用先進的功率控制技術,可提高爐子性能、生產率、工件質量和能耗。

 

先進數字可控硅控制的優點

EPower advanced數字可控硅是智能可控硅電源的核心組成部分。它的數字設計提供了微控制器的功能,包括最新的以太網通信,結合可調的高級I/O策略的實施和管理。

 

 

 

 

 

在多區真空爐中,EPower高級SCR控制器、以太網PLC和電力變壓器的組合,可為爐加熱元件提供節能、正確分配的電力。

與模擬設計不同,EPower控制器的參數是靈活的,可以定制以適應特定的應用。專有算法和用戶可定義的配置嵌入在微控制器中,可以根據需要進行存儲、調用和修改。節能混合點火模式、標稱值、限值、報警、數學函數、邏輯和I/O配置可通過菜單選擇定義,或使用基于PC的功能塊編輯器構建,類似于PLC中使用的功能塊編輯器。以太網端口提供了對以前在模擬設計中不可用的配置、診斷和過程數據的直接訪問。

 

由于EPower裝置是一個數字SCR控制器,其出廠設置的校準和控制參數是數字設置的。因此,與模擬SCR控制器相比,它們的漂移能力要小得多。可在圖形布線策略中設置的數字斜坡持續時間和閾值與模擬SCR相比提供更好的功率控制響應,因此提供改進的過程可重復性。

 

通過可選擇的控制模式(如電壓、電流、功率、阻抗或點火模式的混合組合)提供精確且可重復的閉環功率輸出控制,以解決特定類型加熱元件的物理特性響應。

 

采用混合點火模式提高功率因數

與傳統的模擬設計相比,混合點火模式技術和自動變壓器抽頭選擇技術(負載抽頭切換)有助于保持高能效。采用先進的可控硅技術,可以在整個功率曲線上實現優于0.9的功率因數。先進的功率控制也有助于最大限度地減少電源電壓波動和在溫度過程控制負載阻抗變化的影響。

 

數字功率控制允許精確復制參數,從而實現可重復的工藝行為和工件質量。圖4顯示了EPower控制的電源如何將電力分配給多區域加熱爐的加熱元件。EPower控制器中的可配置功能塊允許偏移每個區域的設定點,以補償區域溫度變化。

 

 

 

 

 

 

 

通信技術的好處

快速以太網通信允許自定義配置和監控電氣過程測量,如負載阻抗、功率因數、電壓、電流、能量和功率,以幫助診斷。這有助于促進將產品實施到控制體系結構中,減少停機時間并提高整體流程性能。

 

可用的通信協議選項包括Modbus TCP、EtherNet/IP、EtherCAT和PROFINET。以太網通信提供EPower SCR控制電源和更高級別控制之間的直接鏈接,包括溫度控制器、HMIs(人機界面)、PLC、SCADA(監控和數據采集)或IIoT(工業物聯網)技術。

 

 

 

雖然模擬電源已經在熔爐中應用了幾十年,但當用先進的可控硅技術取代它們時,解決一些關鍵問題可以提高電源的整體可靠性。例如,與所有定制設計一樣,需要特別考慮安裝環境。在多塵、腐蝕性或潮濕的環境中,電源和控制電子設備需要封裝在具有適當NEMA或IP防護等級的外殼中。

 

充足的冷卻也至關重要。通常,PLC、HMI、SCR和其他數字控制裝置安裝在隔室外殼的控制側。風冷或水冷變壓器及其分接頭、開關或其他電源連接安裝在電源側。這種分離還提供了防止電氣干擾的保護。通常,定制設計的EPower控制SCR電源可以安裝在比VRT設計小得多的占地面積內。

 

通過監控和報警提高魯棒性

智能EPower晶閘管電源的可靠性不僅在于其設計,還在于其先進的診斷技術,以監測加熱元件的狀況。狀態監視有助于減少由于元素意外故障而導致的計劃外停機時間。EPower控制器可以監控加熱元件在其工作溫度和/或已知壽命周期內的特性阻抗。當加熱元件接近其使用壽命時,總負載阻抗增加,最終無法達到設定值,從而觸發警報。EPower控制器可以檢測到這些情況并提前通知操作員,以便有足夠的時間訂購更換部件和安排維護。

 

滿載或部分負載警報的工作方式類似。測量并存儲正常條件下負載的阻抗特性。如果串聯或并聯元件意外地從負載電路中丟失,阻抗將以已知的百分比增加。如果阻抗增加超過該百分比閾值,則觸發警報。如果處于恒功率模式,EPower控制器將繼續在用戶定義的電壓和電流限制內精確調節輸出功率,從而補償加熱元件的損耗。

 

其他有用的報警包括負載不平衡、電壓/電流/功率限制、溫度過高、線路電壓過低或過高、SCR短路或開路以及無法達到的功率輸出。

 

 

顯示EPower的波形示例

控制器混合燒成MoSi2加熱元件。

 

混合燃燒提供更好的控制,可以延長加熱元件的壽命,提高整體能源效率。

能源效率以功率因數表示,功率因數在0到1之間。EPower控制的電源通過混合點火采用功率因數改善技術來降低能源成本。混合點火模式產生比模擬設計更好的功率因數。此外,可以管理峰值電力需求,以幫助避免來自能源供應商的需求費用處罰。在許多情況下,由此產生的能源節約可以在短短兩年內提供回報(取決于當地的能源價格)。

 

提高能源效率

如前所述,未經調節的模擬電源對電源電壓或負載阻抗的變化非常敏感。例如,SiC(碳化硅)加熱元件的電阻率在其從冷態過渡到標稱工作溫度(約1000)期間以及由于老化效應而發生顯著變化。時效效應可使碳化硅加熱元件的電阻在使用壽命內提高300%。電阻的這些變化極大地影響了模擬電源的性能,導致低功率因數和高THDi(電流中的總諧波失真)導致工藝調節不良和更高的能源成本。

 

MoSi2(二硅化鉬)基加熱元件在冷熱溫度之間也有顯著的電阻變化(高達x10)。因此,必須限制電流以避免損壞元件或電源。由于采用混合控制模式,智能EPower控制電源的設計可解決電阻變化問題,同時保持高功率因數的最佳能效。

 

例如,在典型的MoSi2加熱應用中,可以在基于PC的功能塊編輯器中配置EPower控制器,以執行混合點火,從而限制變壓器磁化和冷元件涌入電流。如圖5所示,EPower控制的電源首先使用帶電流限制的相位角觸發模式將輸出向設定點傾斜。與固定電流限值不同,此比例電流傳輸模式是線性的,并以設定點的百分比跟隨輸出。隨著MoSi2加熱元件的阻抗隨著溫度的升高而增加,SCR的輸出也隨之增加。EPower控制器通過功率調節自動從限流模式轉換到零交叉觸發模式(也稱為突發觸發),以優化能源效率。

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