Proveedores con licencias comerciales verificadas
Proveedor Auditado
1. Características de los elementos calefactores de carburo de silicio:
1,1 Construcción
El carburo de silicio es un material cerámico con una conductividad eléctrica relativamente alta en comparación con otras cerámicas. Los elementos se producen mediante la presión o extrusión y, a continuación, sinterizado.
Los elementos calefactores típicos son varillas o tubos, con diámetros entre 0,5 y 3 pulgadas y longitudes de 1 a 10 pies. Tienen extremos metalizados para conexiones eléctricas, y a menudo tienen ambas conexiones en un extremo, con dos ranuras helicoidales que se detienen en el otro extremo, aproximando así una forma de horquilla torcida.
Los elementos calefactores típicos son varillas o tubos, con diámetros entre 0,5 y 3 pulgadas y longitudes de 1 a 10 pies. Tienen extremos metalizados para conexiones eléctricas, y a menudo tienen ambas conexiones en un extremo, con dos ranuras helicoidales que se detienen en el otro extremo, aproximando así una forma de horquilla torcida.
1,2 Características eléctricas
La resistencia de estos elementos varía con la temperatura y el tiempo. La naturaleza de estas variaciones depende del grado particular del material y del fabricante. Para la mayoría de los tipos, la resistencia es alta cuando el material está frío, disminuyendo a medida que la temperatura aumenta, alcanzando un mínimo típicamente entre 1000°F y 2000°F, y luego aumentando de nuevo a medida que su temperatura aumenta más. Cuando se mantiene a una temperatura alta, la resistencia del material aumenta con la edad.
El cambio en la resistencia puede ser del orden de 3 o 4 a 1 para fenómenos tanto temporados como relacionados con la temperatura, dando una relación total del orden de 10:1.
La tasa de envejecimiento se ve afectada por la atmósfera circundante, y también depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento (y por lo tanto de la potencia que se disipa). La mayoría de ellos citarán la vida relacionada con la máxima potencia en diversas temperaturas y atmósferas.
2. Requisitos de control
Un sistema de control para las resistencias de carburo de silicio debería proporcionar los medios ideales para:
Tratar la amplia variación de la resistencia
Mantener la potencia disipada por debajo del máximo especificado veces
A continuación se describen cuatro métodos diferentes:
2,1 Contactor y transformador multitoma
Este es el método tradicional utilizado para controlar las resistencias de carburo de silicio. Se incluye aquí solo para compararlo con los métodos SCR.
En este sistema, la potencia se conmuta mediante un contactor y la tensión aplicada a los calentadores se ajusta manualmente mediante transformadores de llave múltiple, amperímetros y voltímetros. Es necesario medir y ajustar las corrientes y tensiones regularmente y con frecuencia (cambiando manualmente las conexiones del transformador). Este método puede compensar el cambio de resistencia debido al envejecimiento, pero no es una solución práctica para el cambio de resistencia con la temperatura.
2,2 Control de tensión con límite de corriente fijo (Figura 2)
Este método puede proporcionar cierto grado de comparación automática para la variación de la resistencia de carga. Los SCRS se activan en el modo "phasebangle", y hay dos bucles de control internos: Control de tensión y límite de corriente. El bucle de control de tensión está diseñado para mantener el cuadrado medio de la tensión aplicada a la carga proporcional a la señal de control. El bucle de control de corriente puede anular el bucle de control de tensión y está diseñado para evitar que el valor RMS de la corriente supere un nivel fijo (independientemente de la señal de control). Esto también se ha llamado "límite de corriente de umbral".
2,3 Control de tensión con límite de corriente proporcional (Figura 3)
Los SCRS se activan en el modo "ángulo de fase" y hay dos bucles de control internos: Control de tensión y control de corriente. El bucle de control de tensión está diseñado para mantener el cuadrado medio de la tensión aplicada a la carga en un nivel que corresponde a la señal de control. El bucle de control de corriente está diseñado para mantener el valor RMS de la corriente en un nivel que corresponda a la señal de control. La transición del control de tensión al control de corriente se produce a un valor particular de resistencia de carga, que se determina mediante el ajuste del potenciómetro de "límite de corriente". Esto también se ha llamado "transferencia V/I" y "límite de corriente lineal".
2,4 Control de potencia real con límite de corriente (Figura 4)
Los SCRS se activan en el modo "ángulo de fase", y hay dos bucles de control internos: Control de potencia y control de corriente. El bucle de control de potencia está diseñado para mantener la potencia media (voltios x amperios) suministrada a la carga en un nivel que corresponda a la señal de control. El bucle de corriente puede anular el bucle de control de potencia y está diseñado para evitar que el valor RMS de la corriente supere un nivel predefinido fijo (independientemente de la señal de control).
3. Elección del método de control:
La elección del método que se utilizará depende de varios factores y, por supuesto, probablemente requiera un compromiso entre el rendimiento y el precio.
3,1 el método de "Contactor y transformador" tiene poco que recomendar.
El costo inicial del transformador y cableado de múltiples puntitos es alto y requiere tiempo, esfuerzo y habilidad considerables para mantener el ajuste correcto manualmente. Compensa solo el cambio de resistencia debido al envejecimiento, por lo que el sistema debe estar diseñado para proporcionar suficiente calor cuando la resistencia es máxima sin sobalimentar a los elementos cuando la resistencia es mínima. Un ajuste incorrecto (debido a un error humano o olvido) puede hacer que los calentadores se disipen más de la potencia máxima permitida o menos de la potencia requerida, lo que resulta en una reducción de la vida útil del elemento o en la incapacidad de alcanzar la temperatura requerida.
3,2 "Control de tensión con límite de corriente" parece ser el método SCR más simple, sin embargo, requiere mucho cuidado y varias opciones difíciles para ser tomadas en el diseño del sistema.
La figura 5 ilustra los problemas. Muestra "líneas de carga" correspondientes a las resistencias máxima y mínima de un elemento de carburo de silicio típico en un gráfico de corriente frente a voltios, con una curva de potencia correspondiente a la potencia máxima permitida especificada para el elemento. Para evitar una potencia excesiva, la potencia de funcionamiento debe estar por debajo y a la izquierda de la curva "límite de potencia del calentador" en todo momento. Por lo tanto, el límite de corriente debe ajustarse a los valores correspondientes al límite de potencia en la tensión de alimentación (como se muestra en el punto A de la figura 5). Si el límite de corriente y la tensión de alimentación están configurados para proporcionar potencia completa (límite de potencia del calentador) a la resistencia máxima (punto B en la figura 5), en todos los demás valores de resistencia, la potencia disponible será inferior al límite de potencia y, por lo tanto, se necesitarán calentadores más grandes para alcanzar la temperatura requerida.
Existe un problema similar si se elige la resistencia mínima para que sea el valor de "potencia plena" (punto C en la Figura 5). (En este caso, por supuesto, el límite actual sería innecesario). La mejor solución (usando control de voltaje con límite de corriente) será comprometida (como A en la Figura 5) que minimizará el tamaño del calentador requerido mientras que todavía proporciona suficiente potencia para alcanzar la temperatura de funcionamiento requerida. El punto de operación estará siempre dentro del área indicada por 0EAD en la Figura 5. El punto A debe estar lo más cerca posible de la temperatura máxima de funcionamiento (suponiendo que esta temperatura requiere potencia máxima) pero que la resistencia cambia durante la vida del elemento! Por lo tanto, el punto elegido debe representar la resistencia media a la temperatura máxima de funcionamiento durante la vida útil prevista del elemento. En la práctica, la tensión de alimentación disponible o la tensión del transformador probablemente no coincidirán con este punto elegido (A en la figura 6) y por lo tanto se utilizará un punto diferente, cercano A A A. Esto se muestra como Q en la Figura 6.
3,3 elección del tipo de límite de corriente que se debe utilizar
Cualquier tipo de límite de corriente puede usarse en el sistema descrito en 3,2, pero el límite de corriente proporcional es mucho mejor que el límite de corriente fija. La siguiente es una explicación de por qué esto es así.
El límite de corriente fija funciona bien con los tipos de calentadores cuya resistencia aumenta con la temperatura ascendente, como el tungsteno, porque el límite de corriente funciona sólo cuando la temperatura es baja y el controlador solicita la máxima potencia. Dicho sistema debe diseñarse de modo que la tensión de alimentación y el ajuste del límite de corriente interactúen en el punto de la curva de potencia máxima correspondiente a la resistencia máxima (punto B en la figura 5).
Cuando la resistencia de esos calentadores es baja, así es la temperatura y por lo tanto la pérdida de calor para que la potencia disponible (reducida por acción de limitación de corriente a una fracción del límite de potencia) sea aún suficiente para elevar la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la potencia disponible aumenta y, por tanto, compensa automáticamente la pérdida de calor creciente. Cuando se alcanza la temperatura de funcionamiento y el controlador de temperatura reduce la demanda de energía, el límite de corriente ya no se utiliza.
Cuando se utiliza un límite de corriente fijo con elementos de carburo de silicio (al menos cuando son nuevos), es probable que la resistencia se aproxime al mínimo cuando la carga alcance la temperatura de funcionamiento, de modo que el límite de corriente funcione cuando la temperatura se aproxime al punto de ajuste. Esto significa que habrá una discontinuidad en la banda proporcional en el punto de transición del control de tensión al control de corriente, y el punto de transición cambia con la señal cambiante. Dentro de esta región, la señal de control de corriente no tiene efecto (hasta que el punto de transición alcanza el punto de funcionamiento). Esto causará "sobredisparo" cuando se alcance el punto de ajuste. También la reducción de la resistencia provoca un aumento en la ganancia de bucle, de modo que si el bucle de control se sintoniza cuando la resistencia estaba fría, puede comenzar a oscilar a medida que se calienta. Desafortunadamente, cualquier aumento en la banda proporcional para compensar esto aumentará el exceso.
Por lo tanto, el límite de corriente proporcional es mejor que el límite de corriente fijo porque se mantiene una acción de control adecuada en toda la banda proporcional. La operación simplemente transfiere entre el control de tensión y corriente a medida que la resistencia de carga supera el valor crítico (representado por el 0Q en la Figura 6). No hay discontinuidad en la banda proporcional, y la variación en la ganancia de bucle es mucho menor que el límite de corriente fijo.
Cabe señalar que el control de tensión, con límite de corriente fijo o proporcional, sufre de la desventaja de que la disipación de potencia máxima permisible puede lograrse con un solo valor de resistencia de carga (representado por 0A en la Figura 5 y 0Q en la Figura 6). A cualquier otro valor de resistencia a la carga, la potencia máxima disponible debe ser menor, de modo que el calentador requerido sea mayor que el que implican los límites de potencia especificados.
3,4 "Control de potencia real con límite de corriente"
El control de potencia real tiene la capacidad de alcanzar el nivel de potencia máximo admisible en todos los valores de resistencia a la carga. Esto permite que se utilicen calentadores más pequeños en muchas aplicaciones.
Como se ilustra en la figura 7, el ajuste de la tensión de alimentación y el límite de corriente puede ajustarse en los límites del rango de resistencia o cerca de ellos, permitiendo así que toda la potencia (es decir, la potencia máxima permitida) se disipe en todos los valores posibles de resistencia. Tenga en cuenta también que el límite de corriente no es necesario para el funcionamiento normal; sirve únicamente para proteger contra fallos como conexiones incorrectas al cambiar elementos.
4. Procedimiento de diseño
Para optimizar el diseño de un sistema que utiliza elementos de carburo de silicio es probable que sea necesario repetir los cálculos con diferentes elementos, diferentes tensiones de suministro, etc. por lo tanto, mediante un proceso de iteración se puede encontrar la mejor combinación para la aplicación particular. Eurotherm ha desarrollado herramientas de software para ayudar a los ingenieros en la optimización de sistemas de control de potencia, el cálculo de la tensión superior en el transformador y las corrientes nominales del tiristor. En el apéndice 1 se muestra un cuadro con ejemplos de diseños para varias aplicaciones diferentes.
Advertencia
Los elementos conectados en serie y/o en paralelo no disiparán cantidades iguales de potencia a menos que sus resistencias sean idénticas. Por lo tanto, estos elementos deben sustituirse como un conjunto. Es poco probable que estos elementos envejecen, o se calientan, al mismo ritmo, y por lo tanto la vida del equipo puede reducirse debido a la sobrepotencia de un elemento. Este problema puede evitarse proporcionando un controlador de alimentación independiente para cada elemento.
Proveedores con licencias comerciales verificadas
Proveedor Auditado 
