Pourquoi les commandes de puissance électrique SCR sont-elles utiles pour le chauffage électrique

Commandes d'alimentation SCR et chauffage électrique

Au cours des 50 dernières années, les conceptions analogiques ont bien servi l'industrie. Cependant, la demande croissante de flexibilité de conception, l'amélioration de la fiabilité/répétabilité et la baisse des coûts ont fait de l'alimentation électrique SCR intelligente une solution idéale pour les utilisateurs de fours électriques cherchant à obtenir un avantage concurrentiel. Les alimentations intelligentes présentent de nombreux avantages par rapport aux conceptions analogiques. Cet article passe en revue certains des défis posés par les anciennes alimentations analogiques et la manière dont les alimentations SCR intelligentes les relèvent.

Performance basée sur les données

La technologie d'alimentation intelligente peut permettre des performances plus élevées, une productivité accrue et une qualité améliorée. Le contrôleur de puissance SCR numérique est la pierre angulaire d'une alimentation SCR intelligente. Sa conception avancée associe les capacités d'un microcontrôleur, des communications Ethernet et des composants d'E/S intégrés.
Contrairement aux conceptions analogiques, les paramètres d'un contrôleur de puissance intelligent sont flexibles et peuvent être personnalisés pour s'adapter à une application particulière. Des algorithmes propriétaires et des configurations définissables par l'utilisateur sont intégrés dans le microcontrôleur, stockés, rappelés et modifiés selon les besoins. Les modes d'allumage hybrides écoénergétiques, les valeurs nominales, les limites, les alarmes, les fonctions mathématiques, la logique et les configurations d'E/S peuvent être définis via une sélection de menu, ou être créés à l'aide d'un éditeur de blocs de fonction basé sur PC, similaire à ceux utilisés dans les API. Un port Ethernet fournit un accès direct aux configurations, aux diagnostics et aux données de processus qui n'étaient auparavant pas disponibles dans les conceptions analogiques.
Pour la régulation, l'alimentation intelligente est un choix supérieur. Il compense l'impédance de charge et les fluctuations de tension de ligne en produisant une régulation précise de la tension, du courant et de la puissance. Les techniques d'allumage hybrides, la gestion de la charge et la prise automatique des transformateurs produisent des rendements énergétiques bien au-delà de la portée des conceptions analogiques. Des facteurs de puissance compris entre 92 % et 98 % peuvent être atteints sur toute la courbe de charge.
Un processus bien régulé dépend d'un contrôle de la puissance avec une rétroaction de haute précision. Les alimentations SCR intelligentes sont calibrées numériquement selon des normes traçables de tension, de courant et de puissance RMS. Leurs étalonnages sont vrais et ne sont pas affectés par la température, la poussière ou d'autres contaminants comme les appareils calibrés manuellement. Avec une alimentation SCR intelligente, la température du four est indépendante des variations électriques, car elles sont traitées par un régulateur de puissance SCR autorégulateur.

Fiabilité améliorée

Les alimentations analogiques sont utilisées de manière fiable pour les applications de four depuis des décennies. L'une des préoccupations liées au remplacement des alimentations analogiques par une technologie intelligente est celle de la fiabilité. Comme pour toutes les conceptions personnalisées, une attention particulière est accordée à l'environnement dans lequel l'alimentation sera installée. Dans les environnements poussiéreux, corrosifs ou humides, l'électronique de puissance et de commande est logée dans des boîtiers avec l'indice de protection NEMA ou IP approprié.
Un refroidissement adéquat est d'une importance vitale. En règle générale, l'API, l'IHM, le SCR et d'autres commandes numériques sont installés sur un côté (côté commande) d'un boîtier compartimenté. L'autre côté (côté alimentation) contient le transformateur, les prises/commutateurs ou d'autres connexions d'alimentation. Cette séparation offre également une protection contre les interférences électriques. Souvent, une alimentation SCR intelligente conçue sur mesure peut être installée dans un encombrement beaucoup plus petit que son prédécesseur.
La fiabilité d'une alimentation SCR intelligente ne réside pas seulement dans sa conception, mais peut être étendue pour inclure des diagnostics avancés pour le chauffage éléments. La surveillance de l'état permet d'éliminer les temps d'arrêt dus à la perte inattendue d'éléments. Dans la surveillance d'état, l'impédance caractéristique d'un élément chauffant est surveillée à travers ses températures de fonctionnement et/ou son cycle de vie connu. Lorsque l'élément chauffant approche de sa fin de vie, l'impédance de charge totale augmente et le point de consigne finit par devenir inaccessible, déclenchant une alarme. L'alimentation électrique intelligente peut détecter ces conditions et avertir l'opérateur à l'avance des problèmes d'élément, laissant suffisamment de temps pour commander des pièces de rechange et planifier l'entretien.
Les alarmes de charge complète ou partielle fonctionnent de manière similaire. L'impédance caractéristique de la charge dans des conditions normales est mesurée et stockée. Lorsqu'un élément série ou parallèle est perdu du circuit de charge, l'impédance augmente d'un pourcentage connu. Si l'impédance augmente au-delà de ce seuil de pourcentage, une alarme retentit. En mode de puissance constante, le contrôleur de puissance SCR continue de réguler avec précision la puissance de sortie, dans les limites de tension et de courant définies par l'utilisateur, tout en compensant l'élément chauffant perdu.

Réduction des coûts énergétiques

L'efficacité énergétique est exprimée en termes de facteur de puissance, qui varie entre 0 et 100 %. Les blocs d'alimentation intelligents réduisent les coûts énergétiques en utilisant des techniques d'amélioration du facteur de puissance grâce à l'allumage hybride. Les modes de tir hybrides produisent de bien meilleurs facteurs de puissance que les conceptions analogiques. De plus, la demande maximale en kVA peut être gérée pour éviter les pénalités de demande du fournisseur d'énergie. Dans de nombreux cas, ces économies d'énergie peuvent être amorties en aussi peu que 2 ans (selon les tarifs énergétiques).
Comme mentionné, les alimentations analogiques non régulées sont sensibles aux changements de tension d'alimentation ou d'impédance de charge. La résistance des éléments chauffants SiC (carbure de silicium) peut varier jusqu'à 20 % entre les nouveaux éléments. De plus, la résistance de l'élément peut augmenter de plus de 300 % selon les températures de fonctionnement et/ou pendant la durée de vie de l'élément. Ces variations de résistance compromettent les performances des alimentations analogiques, entraînant une mauvaise régulation et des coûts énergétiques plus élevés en raison du faible facteur de puissance, du THD (distorsion harmonique totale), de la saturation du noyau, etc.
Mi₂ Les éléments chauffants à base de (disiliciure de molybdène) peuvent avoir une variation de résistance significative (jusqu'à 10x) entre les températures chaudes et froides. Une limitation de courant est nécessaire pour éviter d'endommager les éléments ou l'alimentation. Des alimentations électriques intelligentes peuvent être conçues pour faire face aux variations de résistance tout en maintenant le rendement énergétique le plus élevé.
Par exemple, dans un MoSi₂ typique application, le SCR intelligent peut être configuré dans un éditeur de blocs fonctionnels basé sur PC pour l'allumage hybride, ce qui limite la magnétisation du transformateur et les courants d'appel des éléments froids. Comme illustré à la Figure 4, l'alimentation intelligente accélère d'abord la sortie vers le point de consigne avec déclenchement d'angle de phase et limite de courant proportionnelle. Contrairement à une limite de courant fixe, une limite de courant proportionnelle est linéaire et suit la sortie en pourcentage du point de consigne. Comme l'impédance du MoSi₂ élément chauffant augmente avec sa température, la sortie SCR augmente également. Le SCR intelligent passe automatiquement du mode de régulation du courant au déclenchement en rafale (zéro-cross) et à la régulation de la puissance pour favoriser l'efficacité énergétique la plus élevée possible.
Résumé
Les arguments en faveur des contrôleurs de puissance intelligents dans les applications de chauffage électrique sont convaincants. La concurrence accrue et la demande de contrôles de processus plus stricts ont mis davantage l'accent sur la réduction des temps d'arrêt, la baisse des coûts et l'amélioration de la qualité. Les conceptions analogiques ne suffisent plus à répondre à ces besoins. Les développements dans le contrôle de puissance intelligent ont produit des avantages significatifs par rapport aux alimentations analogiques traditionnelles. Une fiabilité accrue grâce à des conceptions robustes et à des diagnostics avancés s'étend au-delà de l'alimentation électrique pour inclure la surveillance de l'état des éléments chauffants. L'investissement initial et les coûts d'exploitation des alimentations intelligentes sont nettement inférieurs à ceux des conceptions analogiques. Avec des fonctionnalités d'économie d'énergie améliorées, les périodes de récupération peuvent être aussi courtes que 2 ans. La technologie d'alimentation électrique intelligente ajoute également de la flexibilité, de la connectivité et de la gestion des données pour répondre à la demande incessante d'aujourd'hui en matière de contrôle qualité et de productivité accrue.
Cet article a été rédigé par Stephen Kosik d'Eurotherm. Si vous avez des questions concernant les produits Eurotherm, appelez Sure Controls.