8 800 777-48-96     – БЕСПЛАТНЫЙ ЗВОНОК ПО РОССИИ. ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА: DIAGNOST@DIAGNOST.RU

+7 (495) 783-39-64 +7 (495) 783-39-64

Основные преимущества контроллеров мощности SCR перед контакторами и твердотелыми реле

28.11.2019

Мэтью Фишер, инженер по полевой эксплуатации, нагревательные изделия

В данной статье приводится сравнение электромеханических контакторов и твердотельных реле с контроллерами мощности SCR, эксплуатирующихся в аналогичных условиях включения-выключения. Контроллеры мощности SCR обладают рядом преимуществ, которые могут привести к снижению затрат и повышению управляемости процессом.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ КОНТАКТОРЫ
Электромеханический контактор — это устройство, которое замыкает или размыкает контакт, позволяя включать и выключать электричество. Электрический управляющий сигнал запускает размыкание или замыкание контакта или контактов. Как правило, электромеханический контактор рассчитан на определенное количество циклов включения-выключения при работе в течение всего срока службы. Этот показатель зависит от производителя и обычно составляет от миллиона до нескольких миллионов циклов при номинальном токе и напряжении.

Таблица I. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов контактора

Как показано в Таблице 1, за период технологического цикла в 30 секунд механический контактор выполняет 829 440 циклов включения-выключения в год. За период технологического цикла в 10 секунд механический контактор выполняет 2 488 320 циклов включения-выключения в год. В соответствии с рекомендацией изготовителя электрические контакты электромеханического контактора подлежат проверке и очистке, а также, возможно, ремонту или замене после достижения указанного количества операций включения-выключения.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Твердотельное реле — это электронный переключатель, который работает без движущихся частей электромеханического реле. Благодаря отсутствию движущихся частей ожидаемый срок службы твердотельного реле больше. Стандартная продолжительность цикла для твердотельного реле составляет от 2 до 5 секунд. Твердотельное реле может работать с более быстрым циклом (включения/выключения), чем сопоставимый механический контактор.

Однако твердотельное реле имеет более высокое контактное сопротивление и подвержено повреждениям из-за тока перегрузки. Также имеются ограничения по схемам переключения по сравнению с электромеханическим контактором (обычно это SPST-контакт).

Таблица 2. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов твердотельного реле (Твердотельные реле могут переключать выходную нагрузку быстрее, чем механические контакторы)

МОДУЛИ КОНТРОЛЛЕРА мощности SCR
Модуль контроллера мощности SCR предназначен для быстрого переключения мощности, подаваемой на выходную нагрузку.

Таблица 3. Таблица I. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов модуля контроллера мощности SCR

Стандартное время цикла составляет 1 секунду, что означает, что для указанных условий SCR будет выполнять 24 883 200 операций в год.

На рисунке 1 ниже приводится сравнение вычисленного общего количества циклов работы электромеханического реле, твердотельного реле (SSR) и SCR за 48 недель при работе шесть дней в неделю.

ТИПОВАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ: ЦИКЛЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ
Электромеханический контактор и твердотельное реле переключают ток на нагрузку, когда получают соответствующий сигнал. Это означает, что устройства могут включать и выключать питание для выходной нагрузки в любой точке синусоидальной волны.

В США электричество подается с частотой 60 циклов в секунду или 60 Гц. Когда питание, подаваемое на устройство, не включается и не выключается в точке пересечения нуля на синусоидальной волне, в сигнале возникают всплески напряжения, и образуются радиопомехи и гармоники. При таком варианте случайного включения и выключения может возникать дуга.

Во время работы при полном выключении или включении контактор и твердотельные реле работают эффективно (никаких помех при полном включении или выключении). Однако в стандартных рабочих условиях процесса генерируемые гармоники могут вызывать искажение синусоидального сигнала, передаваемого энергетической компанией. Это может привести к проблемам для измерительного оборудования энергетической компании, из-за чего создается впечатление, что измеренная или требуемая мощность больше, чем фактическая используемая мощность. Это влечет увеличение затрат на энергоносители.

МОДУЛИ КОНТРОЛЛЕРА МОЩНОСТИ SCR
Модуль контролл ера мощности SCR — это электронное полупроводниковое устройство, предназначенное для
эффективного регулирования мощности на выходной нагрузке. Может очень быстро переключать питание, подаваемое на выходную нагрузку (например, в миллисекундах), по сравнению с механическим контактором или твердотельным реле.

ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ, РАДИОПОМЕХИ И ГАРМОНИКИ
Перекрестный режим работы позволяет SCR функционировать аналогично контакторам и твердотельным реле, работающим за счет полного включения и отключения питания. Однако в перекрестном режиме SCR включает и выключает выход в точке пересечения нуля на синусоидальной волне, что устраняет потенциальные радиопомехи, гармоники и искрения, на контакторах и твердотельных реле.

SCR обеспечивает более последовательное и эффективное регулирование мощности для выходной нагрузки, тем самым уменьшая потенциальные вредные эффекты и минимизируя энергопотребление в отличии от контакторов и твердотельных реле при устранении воздействия радиопомех и гармоник.

УМЕНЬШЕНИЕ ЗАТРАТ НА ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ
Способность SCR передавать мощность на нагрузку в точке пересечения нуля также помогает снизить затраты на энергоносители, связанные с «грязным» питанием. «Грязная» энергия при коэффициенте мощности ниже единицы обычно приводит к значительным штрафам энергетических компаний. SCR оказывает положительное влияние на электросеть, что позволяет снизить штрафы за «грязное» питание и, в конечном итоге, сократить расходы на коммунальные услуги.

ТОЧНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ
Модуль контроллера мощности SCR обеспечивает более точное управление процессом по сравнению с контакторами и твердотельными реле. Может включаться и выключаться гораздо быстрее. Например, для обеспечения точного разрешения управления управляющий выход SCR может включаться и выключаться в течение 1 секунды.

Для выхода 60% мощности технологического контроллера SCR включается на 0,6 секунды (60% от 1 секунды или 36 циклов из 60 циклов) и выключается на 0,4 секунды (40% от 1 секунды или 24 цикла из 60 циклов) в течение 1-секундного периода времени.

Способность контроллера мощности SCR включать и выключать выход в точке пересечения нуля позволяет устранить потенциальные радиопомехи, гармоники и искрения на контакторах и твердотельных реле.

На рисунке 5 справа отображено визуальное представление стандартных периодов времени цикла для SCR, твердотельного реле (SSR) и электромеханического контактора, и сравнение каждого из них с продолжительностью цикла включения 60% и отключения 40% из расчета 60 циклов в секунду (60 Герц). SCR обеспечивает более точное разрешение управления по сравнению с SSR и электромеханическим контактором.

На рисунке 6 показано, что входной технологический сигнал в SCR может изменяться, при этом выходной технологический сигнал SCR поддерживает температуру на устойчивом уровне. Сравните это с контактором, который может включаться и выключаться в течение периода времени от 10 до 30 секунд, или с твердотельным реле, включающимся и выключающимся в течение периода от 2 до 5 секунд. Для сравнения, модуль контроллера мощности SCR минимизирует отставание и опережение в контролируемом процессе.

Обратите внимание на рисунок 7, на котором входной технологический сигнал на контакторе изменяется и отключается, а технологический выход (разомкнутый или замкнутый контакт) показывает некоторое изменение контроля температуры из-за циклической природы выходного сигнала включения/выключения и периода времени.

Модуль контроллера мощности SCR минимизирует отставание и опережение в контролируемом процессе.

СРОК СЛУЖБЫ НАГРЕВАТЕЛЯ
Способность контроллера мощности SCR обеспечивать более точное управление термоэлемента продлевает срок службы. При уменьшении количества включений/выключений нагревательного элемента, тратится меньше времени на переход между горячим (расширение) и холодным (сжатие) состояниями. Это обеспечивает относительно равномерную температуру нагревательного элемента во время работы и продлевает срок службы.

Способность контроллера мощности SCR обеспечивать более точное управление термоэлементом увеличивает срок службы.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ
Способность SCR обеспечивать точное управление приводит к повышению общей эффективности оборудования (OEE) для пользователя. Кроме того, повышенная устойчивость технологического управления и увеличенный срок службы нагревателя повышают отдачу по инвестициям (ROI). Повышенная устойчивость управления приводит к меньшей вариативности процесса, что помогает оптимизировать технологический цикл и снизить общую стоимость цикла. Кроме того, увеличенный срок службы нагревателя позволяет обрабатывать больше циклов с одним и тем же оборудованием, что снижает эксплуатационные затраты (COO).

СТОЙКОСТЬ К ШУМУ И ПЕРЕХОДНЫМ ТОКАМ
Промышленное качество электроэнергии не всегда идеально. Провалы в линии напряжения, помехи от другого оборудования и ситуации пиковой нагрузки могут привести к ложному срабатыванию, сбросу и изменению выходной мощности.

Усовершенствованные модули контроллеров мощности SCR включают цифровые и аналоговые технологии для подавления последствий низкого качества линии, включая программное обеспечение и аналоговые фильтры, оптическую изоляцию между секциями управления и питания, а также настраиваемые сигналы напряжения и тока. Электромеханические контакторы и твердотельные реле не учитывают низкого качества линии питания.

На рисунке 8 показан стабильный выходной сигнал от SCR, несмотря на низкое качество входящей линии.

АКТИВНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
SCR контролирует работу, используя трансформаторы напряжения и тока, чтобы измерить текущее состояние в режиме реального времени. Эта информация используется для управления процессом через напряжение, ток или мощность.

Технологические значения процесса могут контролироваться путем взаимодействия с внешними устройствами с использованием либо аналогового выхода, либо через интерфейс связи полевой шины.

ДИАГНОСТИКА И ВЫЯВЛЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ
SCR самостоятельно контролирует и отключает выходную мощность в случае сбоя. Обычно также имеются светодиоды для индикации неисправности.

Электромеханические контакторы могут выходить из строя в одном из двух режимов: неисправность может быть функцией сварных контактов (выходная мощность замкнута на включение) или функцией разомкнутых контактов (выходная мощность отключена). Контакты более подвержены выходу из строя в разомкнутом состоянии. Твердотельные контакты реле, как правило, выходят из строя от короткого замыкания при включении, что может привести к перегреву нагревательных элементов и связанного оборудования.

Каталог тиристорных регуляторов линейки Thyro (откроется в новом окне)

ОПТИМИЗИРОВАННОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ
Несколько модулей контроллеров мощности SCR могут быть скоординированы для оптимизации потребления энергии. Это снижает пиковую нагрузку по сравнению с несколькими модулями контроллеров мощности SCR, работающими одновременно без координации.

По сравнению с несогласованной работой контакторов и твердотельных реле способность координировать и оптимизировать энергопотребление модулей контроллеров мощности SCR снижает общие эксплуатационные расходы.

На рисунке 11, страница 9, показана основная потребляемая мощность при нагрузке без координации с потребляемой мощностью. Обратите внимание на то, что координация энергопотребления снижает общую потребляемую мощность. Thyro-Power Manager обеспечивает статически последовательную оптимизацию нескольких SCR. Работа dASM обеспечивает динамическую оптимизацию нескольких модулей управления питанием SCR с целью снижения нагрузки на сеть.

Способность координировать и оптимизировать энергопотребление модулей контроллеров мощности SCR снижает общие эксплуатационные расходы.

КОММУНИКАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Усовершенствованные модули контроллеров мощности SCR могут связываться с другими устройствами (компьютерами, ПЛК), используя дополнительные протоколы полевой шины. Эта коммуникационная возможность позволяет обеспечить тесную интеграцию в общую схему технологического управления пользователя.

Стандартные коммуникационные протоколы включают в себя следующие:

  • Ethernet/IP®
  • Modbus® TCP
  • Modbus® RTU
  • Profibus®
  • Profinet®
  • DeviceNet®
  • CANopen®

ПРЕИМУЩЕСТВА SCR
Контроллеры мощности SCR обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с контакторами и твердотельными реле и включают в себя:

  • Устранение радиопомех и гармоник
    • SCR включаются в точке пересечения нуля и позволяют устранить потенциальные радиопомехи и гармоники контакторов и твердотельных реле. Гармоники могут привести к повышению затрат на потребляемую мощность. Радиопомехи могут привести к нарушениям в работе других устройств.
  • Устранение искрений
    • SCR включаются в точке пересечения нуля и позволяют устранить потенциальные искрения механических контакторов. Искрения могут сократить срок службы контактов.
  • Точность технологического управления и увеличенный срок службы нагревателя
    • SCR обеспечивают более точное технологическое управление, что снижает энергопотребление и связанные с этим затраты на протяжении всего технологического цикла.
    • SCR позволяют продлить срок службы нагревательных элементов, что снижает общие эксплуатационные затраты на оборудование.
  • Продление срока службы
    • В SCR предусмотрены компоненты и защитные предохранители, предназначенные для продления срока службы, что снижает общие эксплуатационные затраты на оборудование по сравнению с контакторами и твердотельными реле.
    • Электромеханические контакторы и твердотельные реле имеют определенный срок службы для операций включения/выключения. Как правило, эти устройства или компоненты устройства должны заменяться чаще, чем аналогичный модуль контроллера мощности SCR.
  • Стойкость к шуму и переходным токам
    • SCR обычно имеют встроенные цифровые и аналоговые технологии для устранения последствий низкого качества линии электропередачи.
    • SCR предотвращают ложное срабатывание и имеют программные и аналоговые фильтры, а также оптическую изоляцию между силовой и управляющей секциями.
  • Активный технологический мониторинг
    • SCR обычно имеют встроенные трансформаторы напряжения и тока для контроля состояния устройства в режиме реального времени. Измеренные значения используются для управления технологическим процессом и диагностики.
    • SCR обычно настроены на обеспечение управления подключенной нагрузкой с использованием напряжения, тока или мощности.
  • Диагностика и выявление неисправностей
    • SCR, как правило, имеют встроенную диагностику для контроля ошибок в рабочем состоянии. Отключают выходную мощность при сбое и имеют аварийные сигналы напряжения и тока.
    • При сбое контактор может отключить или не отключить питание.
    • При сбое твердотельное реле обычно не отключает питание.
  • Коммуникационные возможности
    • SCR имеют встроенные коммуникационные возможности, которые позволяют подключаться к дополнительным протоколам связи полевой шины, обеспечивая интеграцию в схемы управления предприятием.
  • Оптимизация потребляемой мощности
    • Несколько SCR могут быть скоординированы и оптимизированы для снижения пикового энергопотребления. Это снижает затраты на электроэнергию по сравнению с контакторами и твердотельными реле, которые не могут согласовываться.

ВЫВОДЫ
Использование модулей контроллеров мощности SCR в сфере электрического теплового нагрева дает несколько преимуществ по сравнению с использованием электромеханических контакторов или твердотельных реле. В частности, преимущества включают в себя:

  • Устранение гармоник и радиопомех
  • Устранение возможного искрения между контактами
  • Повышенная точность технологического управления
  • Увеличение срока службы нагревателя
  • Стойкость к шуму и переходным токам
  • Активный технологический мониторинг

Данные преимущества могут привести к снижению стоимости эксплуатации и общих эксплуатационных расходов.

Дополнительные преимущества могут быть реализованы с помощью таких функций SCR, как диагностика, коммуникационные возможности и оптимизированное энергопотребление для нескольких SCR.

Скачать краткий вариант статьи с инфографикой

Для покупки контроллеров мощности SCR обращайтесь к Александру Петрущенкову по телефону +7 (495) 783-39-64, 8 800 777-48-96, по емейлу diagnost@diagnost.ru

Ультразвуковое решение для контроля уровня смазки SDT-LUBExpert Внимание! Международный форум «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ» 2019
Ультразвуковое решение для контроля уровня смазки SDT-LUBExpert
Внимание! Международный форум «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ» 2019
+7 (495) 783-39-64 | 8 800 777-48-96 | diagnost@diagnost.ru | 105187, г. Москва, Окружной проезд, дом 15, корп. 2
©1991-2019 OOO «Диагност». Продажа диагностических и измерительных приборов: тепловизоры, пирометры, дефектоскопы, толщиномеры, течеискатели, твердомеры, анализаторы металлов и сплавов, электроизмерительные приборы.