为什么电 SCR 功率控制对电热有意义

SCR 功率控制和电热

在过去的 50 年里，基于模拟的设计为工业界提供了良好的服务。然而，对设计灵活性、可靠性/可重复性和低成本的需求不断增加，使得智能 SCR 电源成为寻求获得竞争优势的电炉用户的理想解决方案。与模拟设计相比，智能电源具有许多优势。本文回顾了传统模拟电源面临的一些挑战以及智能 SCR 电源解决这些挑战的方式。

数据驱动性能

智能电源技术可以实现更高的性能、更高的生产力和更高的质量。数字 SCR 电源控制器是智能 SCR 电源的核心构建块。它的先进设计融合了微控制器、以太网通信和集成 I/O 组件的功能。
与模拟设计不同，智能电源控制器的参数非常灵活，可以根据特定应用进行定制。专有算法和用户可定义的配置嵌入在微控制器中，并根据需要进行存储、调用和修改。节能混合点火模式、标称值、限制、警报、数学函数、逻辑和 I/O 配置可以通过菜单选择定义，或使用基于 pc 的功能块编辑器构建，类似于 PLC 中使用的功能块编辑器。以太网端口提供对配置、诊断和过程数据的直接访问，这些数据以前无法从模拟设计中获得。
对于调节，智能电源是更好的选择。它通过产生精确的电压、电流和功率调节来补偿负载阻抗和线路电压波动。混合点火技术、负载管理和自动变压器分接产生的能源效率远远超出模拟设计的范围。在整个负载曲线上可以实现 92% 到 98% 之间的功率因数。
良好调节的过程取决于具有高精度反馈的功率控制。智能 SCR 电源经过数字校准，符合可追溯的 RMS 电压、电流和功率标准。他们的校准是正确的，并且不受温度、灰尘或其他污染物的影响，如手动校准设备。使用智能 SCR 电源，炉温不受电气变化影响，因为它们由自调节 SCR 功率控制器处理。

提高可靠性

几十年来，模拟电源一直可靠地用于熔炉应用。用智能技术取代模拟电源的一个问题是可靠性。与所有定制设计一样，需要特别考虑电源的安装环境。在多尘、腐蚀性或潮湿的环境中，功率和控制电子设备安装在具有适当 NEMA 或 IP 防护等级的外壳中。
充分冷却至关重要。通常，PLC、HMI、SCR 和其他数字控件安装在分隔外壳的一侧（控制侧）。另一侧（电源侧）包含变压器、抽头连接/开关或其他电源连接。这种分离还提供了防止电气干扰的保护。很多时候，定制设计的智能 SCR 电源可以安装在比其前身小得多的占地面积上。
智能 SCR 电源的可靠性不仅在于其设计，还可以扩展到包括高级加热诊断元素。状态监测有助于消除因意外元件丢失而导致的停机时间。在状态监测中，加热元件的特性阻抗在其工作温度和/或已知的生命周期内被监测。当加热元件接近其寿命终点时，总负载阻抗会增加，并且最终无法达到设定点并触发警报。智能电源可以检测这些情况并提前通知操作员元件问题，以便有足够的时间订购更换零件和安排维护。
满载或部分负载警报以类似的方式工作。负载在正常情况下的特性阻抗被测量并存储。当串联或并联元件从负载电路中丢失时，阻抗会增加一个已知的百分比。如果阻抗增加超过该百分比阈值，则会发出警报。如果处于恒定功率模式，SCR 功率控制器会继续在用户定义的电压和电流限制范围内精确调节输出功率，同时补偿损失的加热元件。

降低能源成本

能效用功率因数表示，范围在0-100%之间。智能电源通过混合点火采用功率因数改进技术来降低能源成本。混合点火模式产生比模拟设计更好的功率因数。此外，可以管理峰值 kVA 需求以避免能源供应商需求罚款。在许多情况下，这些节能可以在短短 2 年内提供回报（取决于能源费率）。
如前所述，未稳压的模拟电源对电源电压或负载阻抗的变化很敏感。 SiC（碳化硅）加热元件电阻在新元件之间可能有多达 20% 的变化。此外，在整个工作温度范围内和/或在元件的整个使用寿命期间，元件电阻会增加 300% 以上。由于低功率因数、THD（总谐波失真）、磁芯饱和等，电阻的这些变化会影响模拟电源的性能，从而导致调节不良和能源成本增加。
基于 Mi2（二硅化钼）的加热元件可以在高温和低温之间具有显着的电阻变化（高达 10 倍）。电流限制是必要的，以避免损坏元件或电源。智能电源可设计为解决电阻变化问题，同时保持最高能效。
例如，在典型的 MoSi2 应用中，智能 SCR 可在基于 pc 的功能块编辑器中配置以进行混合点火，这限制了变压器磁化和冷元件浪涌电流。如图 4 所示，智能电源首先通过相角触发和比例电流限制将输出斜坡调整到设定点。与固定电流限制不同的是，比例电流限制是线性的，并以设定点的百分比形式跟随输出。由于 MoSi2 加热元件的阻抗随其温度增加，SCR 输出也增加。智能 SCR 自动从电流调节模式转换为突发（过零）点火和功率调节，以尽可能提高能源效率。
总结
电加热应用中智能功率控制器的案例很有说服力。日益激烈的竞争和对更严格过程控制的需求更加强调减少停机时间、降低成本和提高质量。模拟设计已不足以满足这些需求。智能电源控制的发展已经产生了优于传统模拟电源的显着优势。通过坚固的设计和高级诊断实现更高的可靠性，不仅限于电源，还包括加热元件的状态监测。智能电源的初始投资和运营成本明显低于模拟设计。凭借增强的节能功能，投资回收期可短至 2 年。智能电源技术还增加了灵活性、连接性和数据管理，以满足当今对质量控制和更高生产力的不懈需求。
这篇文章由 撰写 Eurotherm 的 Stephen Kosik。如果您对 Eurotherm 产品有任何疑问，请致电 Sure Controls。