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(shù)和能源效率的需求，加上資本支出和運(yùn)營支出的減少，導(dǎo)致需要更具成本效益的解決方案。

 

數(shù)字可控硅控制技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了EPower的設(shè)計(jì)? 先進(jìn)的可控硅控制器。

通過安裝智能控制系統(tǒng)，現(xiàn)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(fù)性能取決于關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制，如溫度、氣氛、壓力和輸送到加熱器的電能。加熱爐內(nèi)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(zhí)行器相結(jié)合的手動調(diào)節(jié)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(shí)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(qū)動的直流（DC）控制繞組間接調(diào)節(jié)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(dāng)輸出為100%時(shí)，這些類型的模擬電源在熔爐的初始加熱期間表現(xiàn)良好。然而，在熱處理循環(huán)期間，當(dāng)輸出水平低于100%時(shí)，功率因數(shù)、能源效率和工藝性能顯著降低。這導(dǎo)致不必要的高能源成本和工件質(zhì)量的變化。

 

在過去的50年里，基于模擬的設(shè)計(jì)已經(jīng)很好地服務(wù)于這個(gè)行業(yè)。然而，對能提高能源效率、功率因數(shù)、溫度精度、工件質(zhì)量、設(shè)備可靠性和工藝可重復(fù)性的高性價(jià)比解決方案的需求，導(dǎo)致了數(shù)字可控硅控制技術(shù)的發(fā)展。

 

EPower Advanced SCR控制器支持智能數(shù)字SCR功率控制解決方案的設(shè)計(jì)，該解決方案具有顯著的成本和效率優(yōu)勢。提高性能和能源效率的結(jié)合有助于機(jī)械制造商和熱處理廠通過實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù)和降低運(yùn)營成本來應(yīng)對新的客戶挑戰(zhàn)。本白皮書回顧了電源和VRT設(shè)計(jì)的一些主要優(yōu)點(diǎn)。

 

 

 

 

 

在典型的傳統(tǒng)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(jìn)的可控硅控制電源可以訪問數(shù)據(jù)，從而更好地控制參數(shù)，提高能源效率。

 

模擬SCR參數(shù)設(shè)置，如控制回路響應(yīng)、電流限制設(shè)定點(diǎn)和斜坡持續(xù)時(shí)間，需要在工廠級別進(jìn)行預(yù)設(shè)，通常使用電位計(jì)和電容器。由于這些設(shè)備受年齡和溫度的影響，設(shè)置往往隨時(shí)間漂移，導(dǎo)致功率控制行為的變化。其結(jié)果是控制不穩(wěn)定，溫度精度差。

 

模擬可控硅控制電源也是一種開環(huán)設(shè)計(jì)，在功率輸出和溫度控制器提供給可控硅的設(shè)定點(diǎn)之間沒有連接。模擬晶閘管功率控制器也會出現(xiàn)參數(shù)漂移，導(dǎo)致與VRT相同的溫度不穩(wěn)定性。

 

 

 

 

 

Eurotherm EPower晶閘管功率控制器采用先進(jìn)的功率控制技術(shù)，可提高爐子性能、生產(chǎn)率、工件質(zhì)量和能耗。

 

先進(jìn)數(shù)字可控硅控制的優(yōu)點(diǎn)

EPower advanced數(shù)字可控硅是智能可控硅電源的核心組成部分。它的數(shù)字設(shè)計(jì)提供了微控制器的功能，包括最新的以太網(wǎng)通信，結(jié)合可調(diào)的高級I/O策略的實(shí)施和管理。

 

 

 

 

 

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

與模擬設(shè)計(jì)不同，EPower控制器的參數(shù)是靈活的，可以定制以適應(yīng)特定的應(yīng)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(jù)需要進(jìn)行存儲、調(diào)用和修改。節(jié)能混合點(diǎn)火模式、標(biāo)稱值、限值、報(bào)警、數(shù)學(xué)函數(shù)、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(gòu)建，類似于PLC中使用的功能塊編輯器。以太網(wǎng)端口提供了對以前在模擬設(shè)計(jì)中不可用的配置、診斷和過程數(shù)據(jù)的直接訪問。

 

由于EPower裝置是一個(gè)數(shù)字SCR控制器，其出廠設(shè)置的校準(zhǔn)和控制參數(shù)是數(shù)字設(shè)置的。因此，與模擬SCR控制器相比，它們的漂移能力要小得多?？稍趫D形布線策略中設(shè)置的數(shù)字斜坡持續(xù)時(shí)間和閾值與模擬SCR相比提供更好的功率控制響應(yīng)，因此提供改進(jìn)的過程可重復(fù)性。

 

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

 

采用混合點(diǎn)火模式提高功率因數(shù)

與傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)相比，混合點(diǎn)火模式技術(shù)和自動變壓器抽頭選擇技術(shù)（負(fù)載抽頭切換）有助于保持高能效。采用先進(jìn)的可控硅技術(shù)，可以在整個(gè)功率曲線上實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.9的功率因數(shù)。先進(jìn)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(fù)載阻抗變化的影響。

 

數(shù)字功率控制允許精確復(fù)制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的工藝行為和工件質(zhì)量。圖4顯示了EPower控制的電源如何將電力分配給多區(qū)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(gè)區(qū)域的設(shè)定點(diǎn)，以補(bǔ)償區(qū)域溫度變化。

 

 

 

 

 

 

 

通信技術(shù)的好處

快速以太網(wǎng)通信允許自定義配置和監(jiān)控電氣過程測量，如負(fù)載阻抗、功率因數(shù)、電壓、電流、能量和功率，以幫助診斷。這有助于促進(jìn)將產(chǎn)品實(shí)施到控制體系結(jié)構(gòu)中，減少停機(jī)時(shí)間并提高整體流程性能。

 

可用的通信協(xié)議選項(xiàng)包括Modbus TCP、EtherNet/IP、EtherCAT和PROFINET。以太網(wǎng)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(jī)界面）、PLC、SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）或IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)。

 

 

 

雖然模擬電源已經(jīng)在熔爐中應(yīng)用了幾十年，但當(dāng)用先進(jìn)的可控硅技術(shù)取代它們時(shí)，解決一些關(guān)鍵問題可以提高電源的整體可靠性。例如，與所有定制設(shè)計(jì)一樣，需要特別考慮安裝環(huán)境。在多塵、腐蝕性或潮濕的環(huán)境中，電源和控制電子設(shè)備需要封裝在具有適當(dāng)NEMA或IP防護(hù)等級的外殼中。

 

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

 

通過監(jiān)控和報(bào)警提高魯棒性

智能EPower晶閘管電源的可靠性不僅在于其設(shè)計(jì)，還在于其先進(jìn)的診斷技術(shù)，以監(jiān)測加熱元件的狀況。狀態(tài)監(jiān)視有助于減少由于元素意外故障而導(dǎo)致的計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。EPower控制器可以監(jiān)控加熱元件在其工作溫度和/或已知壽命周期內(nèi)的特性阻抗。當(dāng)加熱元件接近其使用壽命時(shí)，總負(fù)載阻抗增加，最終無法達(dá)到設(shè)定值，從而觸發(fā)警報(bào)。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(shí)間訂購更換部件和安排維護(hù)。

 

滿載或部分負(fù)載警報(bào)的工作方式類似。測量并存儲正常條件下負(fù)載的阻抗特性。如果串聯(lián)或并聯(lián)元件意外地從負(fù)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(fā)警報(bào)。如果處于恒功率模式，EPower控制器將繼續(xù)在用戶定義的電壓和電流限制內(nèi)精確調(diào)節(jié)輸出功率，從而補(bǔ)償加熱元件的損耗。

 

其他有用的報(bào)警包括負(fù)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(dá)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(shù)表示，功率因數(shù)在0到1之間。EPower控制的電源通過混合點(diǎn)火采用功率因數(shù)改善技術(shù)來降低能源成本?；旌宵c(diǎn)火模式產(chǎn)生比模擬設(shè)計(jì)更好的功率因數(shù)。此外，可以管理峰值電力需求，以幫助避免來自能源供應(yīng)商的需求費(fèi)用處罰。在許多情況下，由此產(chǎn)生的能源節(jié)約可以在短短兩年內(nèi)提供回報(bào)（取決于當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格）。

 

提高能源效率

如前所述，未經(jīng)調(diào)節(jié)的模擬電源對電源電壓或負(fù)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(tài)過渡到標(biāo)稱工作溫度（約1000℃）期間以及由于老化效應(yīng)而發(fā)生顯著變化。時(shí)效效應(yīng)可使碳化硅加熱元件的電阻在使用壽命內(nèi)提高300%。電阻的這些變化極大地影響了模擬電源的性能，導(dǎo)致低功率因數(shù)和高THDi（電流中的總諧波失真）導(dǎo)致工藝調(diào)節(jié)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(dá)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(shè)計(jì)可解決電阻變化問題，同時(shí)保持高功率因數(shù)的最佳能效。

 

例如，在典型的MoSi2加熱應(yīng)用中，可以在基于PC的功能塊編輯器中配置EPower控制器，以執(zhí)行混合點(diǎn)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(fā)模式將輸出向設(shè)定點(diǎn)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(shè)定點(diǎn)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(diào)節(jié)自動從限流模式轉(zhuǎn)換到零交叉觸發(fā)模式（也稱為突發(fā)觸發(fā)），以優(yōu)化能源效率。