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电加热炉用EPower控制电源的解决方案
来源:http://www.eurothermchina.com/ | 作者:九哥 | 发布时间: 2021-03-31 | 1147 次浏览 | 分享到:

 

多年来,电加热炉一直采用模拟电源控制。然而,提高功率因数和能源效率的需求,加上资本支出和运营支出的减少,导致需要更具成本效益的解决方案。

 

数字可控硅控制技术的发展导致了EPower的设计™ 先进的可控硅控制器。

通过安装智能控制系统,现在可以获得显著的效率和成本效益

EPower控制电源解决方案。 

 

电热处理炉的精度和重复性能取决于关键工艺参数的控制,如温度、气氛、压力和输送到加热器的电能。加热炉内的温度通常由温度或过程控制器、可编程逻辑控制器(PLC)或与电源执行器相结合的手动调节来控制。

 

历史上,模拟功率控制装置或策略一直用于控制输送到这些熔炉的电力。模拟控制装置的实例包括可变电抗变压器(VRT)、饱和铁芯电抗器和模拟可控硅整流器(SCR)。

 

VRT和饱和铁芯电抗器类型都使用模拟SCR驱动的直流(DC)控制绕组间接调节变压器二次绕组到加热元件的输出功率。通过向控制绕组施加直流电来控制VRT中的功率变化,从而使VRT铁芯饱和或去饱和。

 

当输出为100%时,这些类型的模拟电源在熔炉的初始加热期间表现良好。然而,在热处理循环期间,当输出水平低于100%时,功率因数、能源效率和工艺性能显著降低。这导致不必要的高能源成本和工件质量的变化。

 

在过去的50年里,基于模拟的设计已经很好地服务于这个行业。然而,对能提高能源效率、功率因数、温度精度、工件质量、设备可靠性和工艺可重复性的高性价比解决方案的需求,导致了数字可控硅控制技术的发展。

 

EPower Advanced SCR控制器支持智能数字SCR功率控制解决方案的设计,该解决方案具有显著的成本和效率优势。提高性能和能源效率的结合有助于机械制造商和热处理厂通过实现更高的功率因数和降低运营成本来应对新的客户挑战。本白皮书回顾了电源和VRT设计的一些主要优点。

 

 

 

 

 

在典型的传统可控硅控制电源中,模拟可控硅功率控制器直接耦合到电力变压器的一次或二次绕组。

 

EPower先进的可控硅控制电源可以访问数据,从而更好地控制参数,提高能源效率。

 

模拟SCR参数设置,如控制回路响应、电流限制设定点和斜坡持续时间,需要在工厂级别进行预设,通常使用电位计和电容器。由于这些设备受年龄和温度的影响,设置往往随时间漂移,导致功率控制行为的变化。其结果是控制不稳定,温度精度差。

 

模拟可控硅控制电源也是一种开环设计,在功率输出和温度控制器提供给可控硅的设定点之间没有连接。模拟晶闸管功率控制器也会出现参数漂移,导致与VRT相同的温度不稳定性。

 

 

 

 

 

Eurotherm EPower晶闸管功率控制器采用先进的功率控制技术,可提高炉子性能、生产率、工件质量和能耗。

 

先进数字可控硅控制的优点

EPower advanced数字可控硅是智能可控硅电源的核心组成部分。它的数字设计提供了微控制器的功能,包括最新的以太网通信,结合可调的高级I/O策略的实施和管理。

 

 

 

 

 

在多区真空炉中,EPower高级SCR控制器、以太网PLC和电力变压器的组合,可为炉加热元件提供节能、正确分配的电力。

与模拟设计不同,EPower控制器的参数是灵活的,可以定制以适应特定的应用。专有算法和用户可定义的配置嵌入在微控制器中,可以根据需要进行存储、调用和修改。节能混合点火模式、标称值、限值、报警、数学函数、逻辑和I/O配置可通过菜单选择定义,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。以太网端口提供了对以前在模拟设计中不可用的配置、诊断和过程数据的直接访问。

 

由于EPower装置是一个数字SCR控制器,其出厂设置的校准和控制参数是数字设置的。因此,与模拟SCR控制器相比,它们的漂移能力要小得多。可在图形布线策略中设置的数字斜坡持续时间和阈值与模拟SCR相比提供更好的功率控制响应,因此提供改进的过程可重复性。

 

通过可选择的控制模式(如电压、电流、功率、阻抗或点火模式的混合组合)提供精确且可重复的闭环功率输出控制,以解决特定类型加热元件的物理特性响应。

 

采用混合点火模式提高功率因数

与传统的模拟设计相比,混合点火模式技术和自动变压器抽头选择技术(负载抽头切换)有助于保持高能效。采用先进的可控硅技术,可以在整个功率曲线上实现优于0.9的功率因数。先进的功率控制也有助于最大限度地减少电源电压波动和在温度过程控制负载阻抗变化的影响。

 

数字功率控制允许精确复制参数,从而实现可重复的工艺行为和工件质量。图4显示了EPower控制的电源如何将电力分配给多区域加热炉的加热元件。EPower控制器中的可配置功能块允许偏移每个区域的设定点,以补偿区域温度变化。

 

 

 

 

 

 

 

通信技术的好处

快速以太网通信允许自定义配置和监控电气过程测量,如负载阻抗、功率因数、电压、电流、能量和功率,以帮助诊断。这有助于促进将产品实施到控制体系结构中,减少停机时间并提高整体流程性能。

 

可用的通信协议选项包括Modbus TCP、EtherNet/IP、EtherCAT和PROFINET。以太网通信提供EPower SCR控制电源和更高级别控制之间的直接链接,包括温度控制器、HMIs(人机界面)、PLC、SCADA(监控和数据采集)或IIoT(工业物联网)技术。

 

 

 

虽然模拟电源已经在熔炉中应用了几十年,但当用先进的可控硅技术取代它们时,解决一些关键问题可以提高电源的整体可靠性。例如,与所有定制设计一样,需要特别考虑安装环境。在多尘、腐蚀性或潮湿的环境中,电源和控制电子设备需要封装在具有适当NEMA或IP防护等级的外壳中。

 

充足的冷却也至关重要。通常,PLC、HMI、SCR和其他数字控制装置安装在隔室外壳的控制侧。风冷或水冷变压器及其分接头、开关或其他电源连接安装在电源侧。这种分离还提供了防止电气干扰的保护。通常,定制设计的EPower控制SCR电源可以安装在比VRT设计小得多的占地面积内。

 

通过监控和报警提高鲁棒性

智能EPower晶闸管电源的可靠性不仅在于其设计,还在于其先进的诊断技术,以监测加热元件的状况。状态监视有助于减少由于元素意外故障而导致的计划外停机时间。EPower控制器可以监控加热元件在其工作温度和/或已知寿命周期内的特性阻抗。当加热元件接近其使用寿命时,总负载阻抗增加,最终无法达到设定值,从而触发警报。EPower控制器可以检测到这些情况并提前通知操作员,以便有足够的时间订购更换部件和安排维护。

 

满载或部分负载警报的工作方式类似。测量并存储正常条件下负载的阻抗特性。如果串联或并联元件意外地从负载电路中丢失,阻抗将以已知的百分比增加。如果阻抗增加超过该百分比阈值,则触发警报。如果处于恒功率模式,EPower控制器将继续在用户定义的电压和电流限制内精确调节输出功率,从而补偿加热元件的损耗。

 

其他有用的报警包括负载不平衡、电压/电流/功率限制、温度过高、线路电压过低或过高、SCR短路或开路以及无法达到的功率输出。

 

 

显示EPower的波形示例

控制器混合烧成MoSi2加热元件。

 

混合燃烧提供更好的控制,可以延长加热元件的寿命,提高整体能源效率。

能源效率以功率因数表示,功率因数在0到1之间。EPower控制的电源通过混合点火采用功率因数改善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,可以管理峰值电力需求,以帮助避免来自能源供应商的需求费用处罚。在许多情况下,由此产生的能源节约可以在短短两年内提供回报(取决于当地的能源价格)。

 

提高能源效率

如前所述,未经调节的模拟电源对电源电压或负载阻抗的变化非常敏感。例如,SiC(碳化硅)加热元件的电阻率在其从冷态过渡到标称工作温度(约1000)期间以及由于老化效应而发生显著变化。时效效应可使碳化硅加热元件的电阻在使用寿命内提高300%。电阻的这些变化极大地影响了模拟电源的性能,导致低功率因数和高THDi(电流中的总谐波失真)导致工艺调节不良和更高的能源成本。

 

MoSi2(二硅化钼)基加热元件在冷热温度之间也有显著的电阻变化(高达x10)。因此,必须限制电流以避免损坏元件或电源。由于采用混合控制模式,智能EPower控制电源的设计可解决电阻变化问题,同时保持高功率因数的最佳能效。

 

例如,在典型的MoSi2加热应用中,可以在基于PC的功能块编辑器中配置EPower控制器,以执行混合点火,从而限制变压器磁化和冷元件涌入电流。如图5所示,EPower控制的电源首先使用带电流限制的相位角触发模式将输出向设定点倾斜。与固定电流限值不同,此比例电流传输模式是线性的,并以设定点的百分比跟随输出。随着MoSi2加热元件的阻抗随着温度的升高而增加,SCR的输出也随之增加。EPower控制器通过功率调节自动从限流模式转换到零交叉触发模式(也称为突发触发),以优化能源效率。

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