현대 전기 가열을 위한 지능형 SCR 전력 제어의 필수성

SCR 전력 제어와 전기 가열

지난 50년간 아날로그 기반 설계는 산업계에 잘 기여해 왔습니다. 그러나 설계 유연성, 향상된 신뢰성/반복성, 비용 절감에 대한 수요가 증가함에 따라, 지능형 SCR 전력 공급 장치는 경쟁 우위를 확보하려는 전기 용로 사용자에게 이상적인 솔루션이 되었습니다. 지능형 전력 공급 장치는 아날로그 설계에 비해 많은 이점을 제공합니다. 이 글에서는 기존 아날로그 전력 공급 장치의 과제와 지능형 SCR 전력 공급 장치가 이를 어떻게 해결하는지 살펴봅니다.

데이터 기반 성능

지능형 전력 공급 기술은 더 높은 성능, 생산성 향상, 품질 개선을 가능하게 합니다. 디지털 SCR 전력 컨트롤러는 지능형 SCR 전력 공급 장치의 핵심 구성 요소입니다. 그 진보된 설계는 마이크로컨트롤러, 이더넷 통신, 통합 I/O 구성 요소의 기능을 결합합니다.

아날로그 설계와 달리, 지능형 전력 컨트롤러의 파라미터는 유연하며 특정 애플리케이션에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다. 독점 알고리즘과 사용자 정의 가능 구성은 마이크로컨트롤러에 내장되어 저장, 호출, 필요시 수정됩니다. 에너지 효율적인 하이브리드 발사 모드, 공칭값, 한계값, 알람, 수학 함수, 논리 및 I/O 구성은 메뉴 선택을 통해 정의하거나, PLC에서 사용하는 것과 유사한 PC 기반 함수 블록 편집기를 사용하여 구축할 수 있습니다. 이더넷 포트는 아날로그 설계에서는 이전에 불가능했던 구성, 진단 및 공정 데이터에 직접 액세스할 수 있게 해줍니다.

제어 측면에서 지능형 전력 공급 장치는 탁월한 선택입니다. 부하 임피던스와 라인 전압 변동을 보상하여 정확한 전압, 전류 및 전력 제어를 구현합니다. 하이브리드 발사 기법, 부하 관리 및 자동 트랜스포머 탭 전환은 아날로그 설계의 범위를 훨씬 뛰어넘는 에너지 효율을 생성합니다. 전체 부하 곡선에서 92%에서 98% 사이의 역률을 달성할 수 있습니다.

잘 제어된 공정은 높은 정확도의 피드백을 가진 전력 제어에 의존합니다. 지능형 SCR 공급 장치는 추적 가능한 RMS 전압, 전류 및 전력 표준으로 디지털 보정됩니다. 이들의 보정은 수동 보정 장치처럼 온도, 먼지 또는 기타 오염 물질의 영향을 받지 않고 유지됩니다. 지능형 SCR 전력 공급 장치를 사용하면 전기적 변동이 자가 조절 SCR 전력 컨트롤러에 의해 해결되므로 용로 온도는 전기적 변동의 영향을 받지 않습니다.

향상된 신뢰성

아날로그 전력 공급 장치는 수십 년간 용로 애플리케이션에 안정적으로 사용되어 왔습니다. 아날로그 전력 공급 장치를 지능형 기술로 교체할 때의 우려 중 하나는 신뢰성입니다. 모든 맞춤형 설계와 마찬가지로, 전력 공급 장치가 설치될 환경에 특별한 고려가 주어집니다. 먼지가 많거나 부식성 또는 습한 환경에서는 전력 및 제어 전자 장치가 적절한 NEMA 또는 IP 보호 등급을 가진 인클로저에 수용됩니다.

적절한 냉각은 매우 중요합니다. 일반적으로 PLC, HMI, SCR 및 기타 디지털 제어 장치는 칸막이형 인클로저의 한 쪽(제어 측)에 설치됩니다. 다른 쪽(전력 측)에는 트랜스포머, 탭 연결/스위치 또는 기타 전력 연결이 포함됩니다. 이 분리는 전기적 간섭에 대한 보호도 제공합니다. 많은 경우 맞춤형 설계된 지능형 SCR 전력 공급 장치는 이전 제품보다 훨씬 작은 설치 공간에 설치할 수 있습니다.

지능형 SCR 전력 공급 장치의 신뢰성은 설계뿐만 아니라 가열 요소에 대한 고급 진단을 포함하도록 확장될 수 있습니다. 상태 모니터링은 예기치 않은 요소 손실로 인한 가동 중지 시간을 제거하는 데 도움이 됩니다. 상태 모니터링에서 가열 요소의 특성 임피던스는 작동 온도 범위 및/또는 알려진 수명 주기 동안 모니터링됩니다. 가열 요소가 수명 말에 가까워지면 총 부하 임피던스가 증가하고 설정값이 결국 도달 불가능해져 알람이 트리거됩니다. 지능형 전력 공급 장치는 이러한 상태를 감지하고 요소 문제를 운영자에게 사전에 알림으로써 교체 부품 주문과 유지보수 일정 계획을 위한 충분한 시간을 확보할 수 있게 합니다.

전체 또는 부분 부하 알람도 유사하게 작동합니다. 정상 조건 하의 부하 특성 임피던스가 측정되어 저장됩니다. 직렬 또는 병렬 요소가 부하 회로에서 손실되면 임피던스가 알려진 비율만큼 증가합니다. 임피던스가 해당 비율 임계값을 초과하여 증가하면 알람이 울립니다. 정전력 모드에서 SCR 전력 컨트롤러는 사용자 정의 전압 및 전류 한계 내에서 출력 전력을 정밀하게 제어하면서 손실된 가열 요소를 보상합니다.

에너지 비용 절감

에너지 효율은 0-100% 범위의 역률로 표현됩니다. 지능형 전력 공급 장치는 하이브리드 발사를 통한 역률 개선 기법을 사용하여 에너지 비용을 절감합니다. 하이브리드 발사 모드는 아날로그 설계보다 훨씬 더 나은 역률을 생성합니다. 또한, 최대 kVA 수요를 관리하여 에너지 공급업체의 수요 페널티를 피할 수 있습니다. 많은 경우 이러한 에너지 절감으로 2년 내에 투자 회수가 가능합니다(에너지 요금에 따라 다름).

언급했듯이, 비제어 아날로그 전력 공급 장치는 공급 전압 또는 부하 임피던스의 변화에 민감합니다. SiC(탄화규소) 가열 요소 저항은 새 요소 간에 최대 20%까지 변동할 수 있습니다. 또한 요소 저항은 작동 온도 범위 및/또는 요소 수명 동안 300% 이상 증가할 수 있습니다. 이러한 저항 변동은 아날로그 전력 공급 장치의 성능을 저하시켜 열악한 제어와 낮은 역률, THD(총 고조파 왜곡), 코어 포화 등으로 인한 높은 에너지 비용을 초래합니다.

MoSi₂(이규화몰리브덴) 기반 가열 요소는 뜨거운 상태와 차가운 상태 사이에서 상당한 저항 변동(최대 10배)을 가질 수 있습니다. 요소나 전력 공급 장치 손상을 방지하기 위해 전류 제한이 필요합니다. 지능형 전력 공급 장치는 최고 에너지 효율을 유지하면서 저항 변동을 해결하도록 설계될 수 있습니다.

예를 들어, 일반적인 MoSi₂ 애플리케이션에서 지능형 SCR은 PC 기반 함수 블록 편집기에서 하이브리드 발사로 구성되어 트랜스포머 자화 및 차가운 요소의 돌입 전류를 제한합니다. 그림 4에 나타난 바와 같이, 지능형 전력 공급 장치는 먼저 비례 전류 제한과 위상 제어 발사로 출력을 설정값을 향해 램프 업(ramp up)시킵니다. 고정 전류 제한과 달리 비례 전류 제한은 선형이며 설정값의 백분율로 출력을 따릅니다. MoSi₂ 가열 요소의 임피던스가 온도 상승과 함께 증가하면 SCR 출력도 증가합니다. 지능형 SCR은 자동으로 전류 제어 모드에서 버스트(영점 교차) 발사 및 전력 제어 모드로 전환하여 가능한 최고 에너지 효율을 촉진합니다.

전기 가열 애플리케이션에서 지능형 전력 컨트롤러의 도입 근거는 설득력 있습니다. 경쟁 심화와 더 엄격한 공정 제어에 대한 수요는 가동 중지 시간 단축, 비용 절감, 품질 향상에 더 강한 강조를 두고 있습니다. 아날로그 설계는 더 이상 이러한 요구를 충족하기에 적절하지 않습니다. 지능형 전력 제어의 발전은 기존 아날로그 전력 공급 장치에 비해 상당한 이점을 제공했습니다. 견고한 설계와 고급 진단을 통한 높은 신뢰성은 전력 공급 장치를 넘어 가열 요소의 상태 모니터링까지 확장됩니다. 지능형 전력 공급 장치의 초기 투자 및 운영 비용은 아날로그 설계보다 현저히 낮습니다. 향상된 에너지 절약 기능으로 투자 회수 기간은 최소 2년까지 단축될 수 있습니다. 지능형 전력 공급 기술은 오늘날의 끊임없는 품질 관리 및 높은 생산성 요구를 충족하기 위해 유연성, 연결성 및 데이터 관리도 추가합니다.

이 기사는 유로썸(Eurotherm)의 스티븐 코식(Stephen Kosik)이 작성했습니다. 유로썸 제품에 대한 문의가 있으시면 슈어 컨트롤스(Sure Controls)에 연락 주세요.