¿Por qué los controles de potencia SCR eléctricos tienen sentido para la calefacción eléctrica?

Controles de energía SCR y calefacción eléctrica

Durante los últimos 50 años, los diseños analógicos han servido bien a la industria. Sin embargo, la creciente demanda de flexibilidad de diseño, confiabilidad/repetibilidad mejorada y costos más bajos han hecho que la fuente de alimentación SCR inteligente sea una solución ideal para los usuarios de hornos eléctricos que buscan obtener una ventaja competitiva. Las fuentes de alimentación inteligentes tienen muchas ventajas sobre los diseños analógicos. Este artículo analiza 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 fuente de alimentación inteligente puede permitir un mayor rendimiento, una mayor productividad y una mejor calidad. El controlador de potencia SCR digital es el elemento central de una fuente de alimentación SCR inteligente. Su diseño avanzado combina las capacidades de un microcontrolador, las comunicaciones Ethernet y los componentes de E/S integrados.
A diferencia de los diseños analógicos, los parámetros de un controlador de energía inteligente son flexibles y se pueden personalizar para adaptarse a una aplicación en particular. Los algoritmos patentados y las configuraciones definibles por el usuario están integrados en el microcontrolador, almacenados, recuperados y modificados según sea necesario. Los modos de encendido híbrido energéticamente eficientes, los valores nominales, los límites, las alarmas, las funciones matemáticas, la lógica y las configuraciones de E/S se pueden definir a través de la selección del menú, o se pueden construir usando un editor de bloques de funciones basado en PC, similar a los que se usan en los PLC. Un puerto Ethernet brinda acceso directo a configuraciones, diagnósticos y datos de procesos que anteriormente no estaban disponibles en diseños analógicos.
Para la regulación, la fuente de alimentación inteligente es una opción superior. Compensa la impedancia de carga y las fluctuaciones de voltaje de línea al producir una regulación precisa de voltaje, corriente y potencia. Las técnicas de encendido híbrido, la gestión de carga y la derivación automática del transformador producen eficiencias energéticas mucho más allá del alcance de los diseños analógicos. Se pueden lograr factores de potencia entre el 92 % y el 98 % en toda la curva de carga.
Un proceso bien regulado depende del control de potencia con retroalimentación de alta precisión. Los suministros SCR inteligentes se calibran digitalmente según estándares trazables de voltaje, corriente y potencia RMS. Sus calibraciones son válidas y no se ven afectadas por la temperatura, el 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, ya que son controladas por un controlador de potencia SCR autorregulador.

Fiabilidad mejorada

Las fuentes de alimentación analógicas se han utilizado de manera confiable para aplicaciones de hornos durante décadas. Una de las preocupaciones de reemplazar las fuentes de alimentación analógicas con tecnología inteligente es la confiabilidad. Al igual que con todos los diseños personalizados, se presta especial atención al entorno en el que se instalará la fuente de alimentación. En ambientes polvorientos, corrosivos o húmedos, los componentes electrónicos de potencia y control se alojan en gabinetes con la clasificación de protección NEMA o IP adecuada.
La refrigeración adecuada es de vital importancia. Por lo general, el PLC, HMI, SCR y otros controles digitales se instalan en un lado (lado del control) de un gabinete compartimentado. El otro lado (lado de alimentación) contiene el transformador, las conexiones/interruptores de derivación u otras conexiones de alimentación. Esta separación también proporciona protección contra interferencias eléctricas. Muchas veces, una fuente de alimentación SCR inteligente diseñada a medida se puede instalar en un espacio mucho más pequeño que su predecesora.
La confiabilidad de una fuente de alimentación SCR inteligente no radica solo en su diseño, sino que puede ampliarse para incluir diagnósticos avanzados para calefacción elementos. El monitoreo de condición ayuda a eliminar el tiempo de inactividad debido a la pérdida inesperada de elementos. En el monitoreo de condición, la impedancia característica de un elemento calefactor se monitorea a lo largo 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 ajuste finalmente se vuelve inalcanzable, lo que activa una alarma. La fuente de alimentación inteligente puede detectar estas condiciones y notificar al operador con anticipación sobre los problemas de los elementos, lo que le da tiempo suficiente para pedir piezas de repuesto y programar el mantenimiento.
Las alarmas de carga total o parcial funcionan de manera similar. Se mide y almacena la impedancia característica de la carga en condiciones normales. 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 el modo de potencia constante, el controlador de potencia SCR continúa regulando con precisión la potencia de salida, dentro de los límites de voltaje y corriente definidos por el usuario, mientras compensa el elemento calefactor perdido.

Menores costos de energía

La eficiencia energética se expresa en términos de factor de potencia, que oscila entre 0-100%. Las fuentes de alimentación inteligentes reducen los costos de energía mediante el empleo de técnicas de mejora del factor de potencia a través de la activación híbrida. Los modos de disparo híbridos producen factores de potencia mucho mejores que los diseños analógicos. Además, la demanda máxima de kVA se puede gestionar para evitar sanciones por demanda del proveedor de energía. En muchos casos, estos ahorros de energía pueden recuperarse en tan solo 2 años (dependiendo de las tarifas de energía).
Como se mencionó, las fuentes de alimentación analógicas no reguladas son sensibles a los cambios en el voltaje de suministro o la impedancia de carga. La resistencia del elemento calefactor de SiC (carburo de silicio) puede tener una variación de hasta un 20 % entre elementos nuevos. Además, la resistencia del elemento puede aumentar en más de un 300 % a través de las temperaturas de funcionamiento y/o durante la vida útil del elemento. Estas variaciones en la resistencia comprometen el rendimiento de las fuentes de alimentación analógicas, lo que resulta en una mala regulación y mayores costos de energía debido al bajo factor de potencia, THD (distorsión armónica total), saturación del núcleo, etc.
Mi₂ (disiliciuro de molibdeno) los elementos calefactores pueden tener una variación de resistencia significativa (hasta 10x) entre las temperaturas frías y calientes. La limitación de corriente es necesaria para evitar daños en los elementos o en la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación inteligentes se pueden diseñar para hacer frente a las variaciones de resistencia manteniendo la mayor eficiencia energética.
Por ejemplo, en un MoSi₂ típico aplicación, el SCR inteligente se puede configurar en un editor de bloques de funciones basado en PC para encendido híbrido, que limita la magnetización del transformador y las corrientes de irrupción de los elementos fríos. Como se ilustra en la Figura 4, la fuente de alimentación inteligente primero aumenta la salida hacia el punto de ajuste 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 un porcentaje del punto de referencia. Como la impedancia del MoSi₂ elemento calefactor aumenta con su temperatura, la salida SCR también aumenta. El SCR inteligente cambia automáticamente del modo de regulación actual al disparo en ráfaga (cruce por cero) y la regulación de potencia para promover la mayor eficiencia energética posible.
Resumen
El caso de los controladores de potencia inteligentes en aplicaciones de calefacción eléctrica es convincente. El aumento de la competencia y la demanda de controles de proceso más estrictos han puesto un mayor énfasis en reducir el tiempo de inactividad, reducir los costos y mejorar la calidad. Los diseños analógicos ya no son adecuados para satisfacer estas necesidades. Los desarrollos en el control de energía inteligente han producido ventajas significativas sobre las fuentes de alimentación analógicas tradicionales. La mayor confiabilidad a través de diseños reforzados y diagnósticos avanzados se extiende más allá de la fuente de alimentación para incluir el monitoreo de la condición de los elementos calefactores. La inversión inicial y los costos operativos de las fuentes de alimentación inteligentes son significativamente más bajos que los diseños analógicos. Con funciones mejoradas de ahorro de energía, los períodos de recuperación pueden ser de tan solo 2 años. La tecnología de fuente de alimentación inteligente también agrega flexibilidad, conectividad y gestión de datos para satisfacer la incesante demanda actual de control de calidad y mayor productividad.
Este artículo fue escrito por Stephen Kosik de Eurotherm. Si tiene preguntas sobre los productos de Eurotherm, llame a Sure Controls.