Por qué los controles de potencia SCR eléctricos son esenciales para el calentamiento eléctrico moderno

Controles de potencia SCR y calor eléctrico

Durante los últimos 50 años, los diseños basados en analógico han servido bien a la industria. Sin embargo, la creciente demanda de flexibilidad de diseño, mayor fiabilidad/repetibilidad y menores costos han convertido a la fuente de alimentación SCR inteligente en una solución ideal para usuarios de hornos eléctricos que buscan obtener ventajas competitivas. Las fuentes de alimentación inteligentes tienen muchas ventajas sobre los diseños analógicos. Este artículo revisa algunos de los desafíos de las fuentes de alimentación analógicas heredadas y las formas en que las fuentes de alimentación SCR inteligentes los abordan.

Rendimiento basado en datos

La tecnología de fuentes de alimentación inteligentes puede permitir un mayor rendimiento, mayor productividad y mejor calidad. El controlador de potencia SCR digital es el componente fundamental de una fuente de alimentación SCR inteligente. Su diseño avanzado combina las capacidades de un microcontrolador, comunicaciones Ethernet y componentes de E/S integrados.
A diferencia de los diseños analógicos, los parámetros de un controlador de potencia inteligente son flexibles y pueden personalizarse para adaptarse a una aplicación particular. Algoritmos propietarios y configuraciones definidas por el usuario se incrustan en el microcontrolador, se almacenan, recuperan y modifican según sea necesario. Modos de disparo híbridos eficientes energéticamente, valores nominales, límites, alarmas, funciones matemáticas, lógica y configuraciones de E/S pueden definirse mediante selección de menú, o construirse usando un editor de bloques de funciones basado en PC, similar a los utilizados en PLCs. Un puerto Ethernet proporciona acceso directo a configuraciones, diagnósticos y datos de proceso anteriormente no disponibles en diseños analógicos.
Para la regulación, la fuente de alimentación inteligente es una opción superior. Compensa las fluctuaciones de impedancia de carga y voltaje de línea produciendo una regulación precisa de voltaje, corriente y potencia. Técnicas de disparo híbrido, gestión de carga y conmutación automática de tomas de transformador producen eficiencias energéticas muy por encima del alcance de los diseños analógicos. Factores de potencia entre el 92% y el 98% pueden alcanzarse en toda la curva de carga.
Un proceso bien regulado depende del control de potencia con retroalimentación de alta precisión. Las fuentes de alimentación SCR inteligentes se calibran digitalmente según estándares trazables de voltaje, corriente y potencia RMS. Sus calibraciones se mantienen verdaderas y no se ven afectadas por temperatura, polvo u otros contaminantes como los dispositivos calibrados manualmente. Con una fuente de alimentación SCR inteligente, la temperatura del horno es independiente de las variaciones eléctricas, porque son abordadas por un controlador SCR autorregulable.

Fiabilidad mejorada

Las fuentes de alimentación analógicas se han utilizado de manera confiable para aplicaciones de hornos durante décadas. Una preocupación al reemplazar fuentes de alimentación analógicas con tecnología inteligente es la fiabilidad. Como en todos los diseños personalizados, se da especial consideración al entorno en el que se instalará la fuente de alimentación. En entornos polvorientos, corrosivos o húmedos, la electrónica de potencia y control se aloja en envolventes con la clasificación de protección NEMA o IP apropiada.
La refrigeración adecuada es vital. Típicamente, el PLC, HMI, SCR y otros controles digitales se instalan en un lado (lado de control) de una envolvente compartimentada. El otro lado (lado de potencia) contiene el transformador, conexiones/interruptores de tomas u otras conexiones de potencia. Esta separación también proporciona protección contra interferencias eléctricas. Muchas veces, una fuente de alimentación SCR inteligente diseñada a medida puede instalarse en una huella mucho menor que su predecesora.
La fiabilidad de una fuente de alimentación SCR inteligente no reside solo en su diseño, sino que puede extenderse para incluir diagnósticos avanzados para elementos calefactores. La monitorización de condiciones ayuda a eliminar tiempos de inactividad por pérdida inesperada de elementos. En la monitorización de condiciones, la impedancia característica de un elemento calefactor se monitoriza a través de sus temperaturas de operación y/o ciclo de vida conocido. A medida que el elemento calefactor se acerca al final de su vida útil, la impedancia de carga total aumenta y el punto de consigna eventualmente se vuelve inalcanzable, activando una alarma. La fuente de alimentación inteligente puede detectar estas condiciones y notificar al operador con antelación a problemas de elementos, permitiendo tiempo suficiente para pedir repuestos y programar mantenimiento.
Las alarmas de carga completa o parcial funcionan de manera similar. La impedancia característica de la carga bajo condiciones normales se mide y almacena. Cuando se pierde un elemento en serie o en paralelo del circuito de carga, la impedancia aumenta en un porcentaje conocido. Si la impedancia aumenta más allá de ese umbral porcentual, suena una alarma. Si está en modo de potencia constante, el controlador de potencia SCR continúa regulando con precisión la potencia de salida, dentro de límites de voltaje y corriente definidos por el usuario, mientras compensa el elemento calefactor perdido.

Menores costos energéticos

La eficiencia energética se expresa en términos de factor de potencia, que varía entre 0-100%. Las fuentes de alimentación inteligentes reducen los costos energéticos empleando técnicas de mejora del factor de potencia mediante disparo híbrido. Los modos de disparo híbrido producen factores de potencia mucho mejores que los diseños analógicos. Además, la demanda pico de kVA puede gestionarse para evitar penalizaciones por demanda del proveedor de energía. En muchos casos, estos ahorros energéticos pueden proporcionar un retorno de inversión en tan solo 2 años (dependiendo de las tarifas energéticas).
Como se mencionó, las fuentes de alimentación analógicas no reguladas son sensibles a cambios en el voltaje de suministro o impedancia de carga. La resistencia de elementos calefactores de SiC (carburo de silicio) puede tener hasta un 20% de variación entre elementos nuevos. Además, la resistencia del elemento puede aumentar más del 300% a través de temperaturas de operación y/o durante la vida del elemento. Estas variaciones en la resistencia comprometen el rendimiento de las fuentes de alimentación analógicas, resultando en mala regulación y mayores costos energéticos debido a bajo factor de potencia, THD (distorsión armónica total), saturación de núcleo, etc.
Los elementos calefactores basados en MoSi₂ (disilicuro de molibdeno) pueden tener variaciones significativas de resistencia (hasta 10x) entre temperaturas en caliente y en frío. La limitación de corriente es necesaria para evitar daños a los elementos o a la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación inteligentes pueden diseñarse para abordar variaciones de resistencia manteniendo la máxima eficiencia energética.
Por ejemplo, en una aplicación típica de MoSi₂, el SCR inteligente puede configurarse en un editor de bloques de funciones basado en PC para disparo híbrido, que limita la magnetización del transformador y las corrientes de arranque en frío del elemento. Como se ilustra en la Figura 4, la fuente de alimentación inteligente primero aumenta la salida hacia el punto de consigna con disparo de ángulo de fase y límite de corriente proporcional. A diferencia de un límite de corriente fijo, un límite de corriente proporcional es lineal y sigue la salida como porcentaje del punto de consigna. A medida que la impedancia del elemento calefactor MoSi₂ aumenta con su temperatura, la salida del SCR también aumenta. El SCR inteligente cambia automáticamente del modo de regulación de corriente a disparo por ráfagas (cruce por cero) y regulación de potencia para promover la mayor eficiencia energética posible.
Resumen
El caso a favor de controladores de potencia inteligentes en aplicaciones de calentamiento eléctrico es convincente. La mayor competencia y la demanda de controles de proceso más estrictos han puesto un énfasis más fuerte en reducir tiempos de inactividad, bajar costos y mejorar la calidad. Los diseños analógicos ya no son adecuados para satisfacer estas necesidades. Los avances en control de potencia inteligente han producido ventajas significativas sobre las fuentes de alimentación analógicas tradicionales. Mayor fiabilidad a través de diseños robustos y diagnósticos avanzados se extiende más allá de la fuente de alimentación para incluir monitorización de condiciones de elementos calefactores. La inversión inicial y los costos operativos de las fuentes de alimentación inteligentes son significativamente menores que los diseños analógicos. Con características mejoradas de ahorro energético, los períodos de retorno pueden ser tan solo 2 años. La tecnología de fuentes de alimentación inteligentes también añade flexibilidad, conectividad y gestión de datos para satisfacer la demanda implacable de hoy por control de calidad y mayor productividad.
Este artículo fue escrito por Stephen Kosik de Eurotherm. Si tiene preguntas sobre productos Eurotherm, llame a Sure Controls.