المنت تسمه ای
طرز کار المنت‌های سیلیکون کارباید
دی
مشخصات المنت سیلیکون کارباید:
1.1 ساخت
سیلیکون کارباید یک نوع ماده‌ی سرامیکی است که رسانایی الکتریکی نسبتاً بالایی در مقایسه با سایر سرامیک‌ها دارد. این المنت‌ها با فشار یا اکستروژن و سپس تف‌جوشی تولید می‌شوند.
المنت‌های گرمایشی معمولی از میله و لوله‌هایی با قطری در حدود 5/0 تا 3 اینچ و طول 1 تا 10 فوت ساخته می‌شوند. انتهای این المنت‌ها جهت اتصالات الکتریکی از جنس فلز بوده و هر دو سر اتصال الكتريكي اين المنت در يك سر المنت با دو سوراخ مارپیچی با فاصله کمی از سر دیگر پيش بيني شده است و تقریباً به شکل یک سنجاق موی تابیده به نظر می‌رسد. المنت تسمه ای
1.2 مشخصات الکتریکی
مقاومت این المنت‌ها برحسب دما و زمان متغیر است. ماهیت این تغییرات بستگی به گرید خاص متریال و سازنده‌ی آن دارد. مقاومت اکثر المنت‌ها در زمان سرد بودن متریال بالا است و با افزایش دما کاهش می‌یابد و به دمای کمینه بین 1000 درجه‌ی فارنهایت و 2000 فارنهایت می‌رسد و سپس مجددا همگام با افزایش دما افزایش می‌یابد. در صورتی که متریال در دمای بالا نگهداری شود، مقاومت آن با افزایش عمر بالا می‌رود.
تغییر مقاومت می‌تواند با نسبت 3 یا 4 به 1 در هر دو پدیده‌ی مرتبط با زمان و مرتبط با دما روی دهد و مجموعاً نسبت 10:1 به دست خواهد آمد.
نرخ فرسودگی از جو محیط پیرامونی تاثیر می‌گیرد و به میزان زیادی به دمای عملیات نیز بستگی دارد (و نتیجتاً به میزان اتلاف توان نیز بستگی خواهد داشت). عمر اکثر المنت‌ها با توجه به توان بیشینه در دما و اتمسفرهای گوناگون تعیین خواهد شد.المنت تسمه ای
-
الزامات کنترل
سیستم کنترل هیترهای سیلیکونی درحالت ایده‌آل بایستی الزامات زیر را برآورده سازد:
کنترل تغییرات گسترده‌ی مقاومت
حفظ دائمی اتلاف توان در سطح کمینه‌ی مشخص
چهار روش مختلف ذیلاً شرح داده شده است:
2.1 کنتاکتور و مبدل با سر وسط چندگانه
این یکی از روش‌های سنتی برای کنترل هیترهای سیلیکون کارباید است. درج آن در اینجا صرفاً جهت مقایسه با روش‌های SCR است.
در این سیستم، توان توسط کنتاکتور وصل می‌شود و ولتاژ مورد اعمال شده برای هیتر به‌طور دستی بوسیله‌ی مبدل‌هایی با سروسط چندگانه، امپرمترها و ولتمترها تنظیم می‌شود. اندازه‌گیری و تنظیم مکرر و منظم جریان و ولتاژ ضروری است (به‌طور دستی با تغییر اتصالات مبدل). با این روش می‌توان تغییر مقاومت به دلیل فرسودگی را جبران کرد اما برای تغییر مقاومت با دما عملی نیست.المنت تسمه ای
2.2 کنترل ولتاژ با حد جریان ثابت (شکل 2)
با این روش می‌توان درجاتی از مقایسه خودکار برای تغییر مقاومت بار فراهم کرد. یکسوسازهای کنترل شده سیلیکونی (SCRs) در حالت «زاویه‌ی فاز» فعال می‌شوند، و دو لوپ کنترل داخلی وجود دارند: کنترل ولتاژ و حد جریان. لوپ کنترل ولتاژ به‌منظور نگهداشتن میانگین مربع ولتاژ اعمال شده به بار نسبت به سیگنال کنترل است. لوپ کنترل جریان ممکن است بر لوپ کنترل ولتاژ پیشی بگیرد و کار آن جلوگیری از تجاوز مقدار RMS جریان از سطح ثابت است (فارغ از سیگنال کنترل). به لوپ کنترل جریان «حد جریان آستانه» نیز می‌گویند.المنت تسمه ای
2.3 کنترل ولتاژ با حد جریان متناسب (شکل 3)
یکسوسازهای کنترل‌شده‌ی سیلیکونی (SCRs) در حالت «زاویه‌ی فاز» فعال می‌شوند و دو لوپ کنترل داخلی وجود دارد: کنترل ولتاژ و کنترل جریان. لوپ کنترل ولتاژ برای نگهداشتن میانگین مربع ولتاژ اعمال شده به باز در سطح متناظر با سیگنال کنترل طراحی می‌شود. لوپ کنترل جریان برای حفظ مقدار RMS در سطح متناظر با سیگنال کنترل طراحی می‌شود. انتقال از کنترل ولتاژ کنترل جریان در مقدار معینی از مقاومت بار روی می‌دهد، که با تنظیم پتاسیل‌سنج «حد جریان» تعیین می‌گردد. به این کنترل، «انتقال V/I» یا «حد جریان خطی» گفته می‌شود. این مورد از نکات مهم در زمان خرید المنت گرمایشی است. المنت تسمه ای
2.4 کنترل توان حقیقی با حد جریان (شکل 4)
یکسوسازهای کنترل‌شده‌ی سیلیکونی (SCRs) در حالت «زاویه‌ی فاز» فعال می‌شوند. دو لوپ کنترل داخلی وجود دارد. لوپ کنترل داخلی برای نگهداشتن میانگین توان (ولتاژ x آمپر) تامین شده برای بار در سطح متناظر با سیگنال کنترل طراحی می‌شود. لوپ جریان می‌توان بر لوپ کنترل توان پیشی گیرد و کار آن این است که از تجاوز مقدار RMS جریان از سطح ثابت از پیش تعیین شده جلوگیری کند (فارغ سیگنال کنترل).المنت تسمه ای
-
انتخاب روش کنترل:
انتخاب روش مورد استفاده به چندین عامل بستگی دارد و البته نیازمند متوازن‌سازی عملکرد و هزینه خواهد بود.المنت تسمه ای
3.1 روش «کنتاکتور و مبدل» چندان توصیه نمی‌شود
هزینه‌ی اولیه مبدل با سروسط چندگانه و سیم‌بندی بالا است و نگهداری تنظیمات صحیح دستی نیازمند زمان، تلاش و مهارت قابل توجهی می‌باشد. این روش فقط تغییر مقاومت ناشی از فرسودگی را جبران می‌کند و بنابراین سیستم بایستی به‌گونه‌ای طراحی شود که در هنگام قرارگیری مقاومت در سطح بیشینه حرارت کافی فراهم نماید بدون آنکه در مقاومت کمینه بر المنت‌ها غلبه کند. تنظیمات نادرست (به دلیل خطای انسانی یا بی‌احتیاطی) می‌تواند باعث شود که اتلاف توان هیترها بیش از حد مجاز یا بیشینه یا کمتر از حد نیاز باشد و منجر به کوتاه شدن عمر المنت شده و یا فراهم نمودن دمای مورد نیاز مقدور نگردد.المنت تسمه ای
3.2 کنترل ولتاژ با حد جریان
گرچه «کنترل ولتاژ با حد جریان» ظاهراً ساده‌ترین روش است اما در طراحی سیستم و برخی انتخاب‌ها بایستی دقت زیادی کرد.
شکل 5 این مشکلات را نشان می‌دهد. در این شکل، «خطوط بار» متناظر با مقاومت‌های بیشینه و کمینه‌ی المنت سیلیکون کارباید معمولی بر روی نمودار جریان در مقایسه با نمودار ولت‌ها نشان داده شده است که منحنی توان با توان مجاز بیشینه مشخص‌شده برای المنت تناظر دارد. برای جلوگیری از توان اضافی، توان عملیاتی همیشه باید پایین و در سمت چپ منحنی «حد توان هیتر» قرار گیرد. بنابراین، حد جریان بایستی بر روی مقادیری تنظیم شود که با حد توان در ولتاژ ورودی تناظر داشته باشد (که در نقطهی A در شکل 5 نشان داده شده است). اگر حد جریان و ولتاژ ورودی برای توان کامل (حد توان هیتر) در مقاومت بیشنه (نقطهی B در شکل 5) تنظیم شوند، در همه‌ی مقادیر دیگر مقاومت، توان دردسترس کمتر از حد توان خواهد بود و لذا برای رسیدن به دمای مورد نیاز به هیترهای بزرگتری نیاز خواهد بود.المنت تسمه ای
همین مسئله‌ی زمانی به وجود خواهد آمد که مقاومت کمینه به عنوان مقدار «توان کامل» انتخاب شود (نقطهی C در شکل 5). (البته، در این موارد، حد جریان غیرضروری خواهد بود.) بهترین راه‌حل (با استفاده از کنترل ولتاژ با حد جریان) متوازن کردن خواهد بود (نظیر A در شکل 5) که اندازه‌ی مورد نیاز هیتر را به حداقل می‌رساند و در عین حال توان کافی فراهم می‌آورد تا به دمای عملیاتی مورد نیاز برسد. نقطهی عملیاتی همیشه در ناحیه‌ای خواهد بود که با 0EAD در شکل 5 نشان داده شده است. A بایستی تا جای ممکن به دمای عملیاتی بیشینه نزدیک باشد (با این فرض که این دما مستلزم توان بیشینه است) اما مقاومت طی عمر المنت تغییر می‌کند! بنابراین نقطهی انتخاب شده باید نماینده‌ی مقاومت میانگین در دمای عملیاتی بیشینه در طول عمر مورد انتظار المنت باشد. ولتاژ ورودی دردسترس یا ولتاژ مبدل احتمالاً در عمل با نقطهی انتخاب‌شده همرویداد نخواهند بود (A در شکل 6) و بنابراین از نقطهی متفاوت نزدیک به A استفاده خواهد شد. این در Q در شکل 6 نشان داده شده است.المنت تسمه ای
3.3 انتخاب نوع حد جریان برای استفاده
هر کدام از حدهای جریان در سیستمی که در 3.2 توصیف شد قابل استفاده است، اما حد جریان متناسب بسیار بهتر از حد جریان ثابت است. چرایی این موضوع در پایین توضیح داده شده است.
حد جریان ثابت با هیترهایی که مقاومتشان با بالا رفتن دما افزایش می‌یابد خوب کار می‌کند، نظیر تنگستن، چون حد جریان تنها زمانی عمل می‌کند که دما پایین است و کنتر‌ل‌کننده نیازمند توان بیشینه است. چنین سیستمی باید به‌صورتی طراحی شود که تنظیم ولتاژ ورودی و حد جریان در نقطهی روی منحنی توان بیشینه که با مقاومت بیشینه متناظرند برهمکنش داشته باشند (نقطهی B در شکل 5).
زمانیکه مقاومت این هیترها پایین باشد، دما و نتیجتاً اتلاق حرارت نیز پایین خواهد بود، به‌طوریکه توان دردسترس (که توسط عمل محدودکنندگی جریان به کسری از حد توان کاهش یافته است) برای بالا بردن دما کفایت خواهد کرد. با افزایش دما، توان قابل‌دسترس افزایش می‌یابد و افزایش اتلاف حرارت را به این طریق جبران می‌کند. زمانیکه دما عملیاتی حاصل شود و کنترل‌کننده‌ی دما باعث کاهش تقاضای توان شود، دیگر از حد جریان استفاده نخواهد شد.المنت تسمه ای
زمانیکه ازحد جریان ثابت با المنت‌های سیلیکون کارباید استفاده شود (حداقل زمانیکه جدید است) احتمال دارد که در هنگام رسیدن بار به دمای عملیاتی، مقاومت به حد بیشینه نزدیک شود، به‌طوریکه حد جریان با نزدیک شدن دما به نقطهی تعیین شده عملیاتی شود. این بدان معنی است که در باند تناسبی در نقطهی انتقال از کنترل ولتاژ به کنترل جریان عدم‌پیوستگی وجود خواهد داشت و نقطهی انتقال با تغییر سیگنال تغییر خواهد کرد و در درون این ناحیه، سیگنال کنترل جریان هیچ اثری ندارد (تا زمانیکه نقطهی انتقال به نقطهی عملیاتی برسد). زمانیکه که نقطهی تعیین‌شده حاصل شود، این کار مطمئناً موجب «اورشوت» خواهد شد. کاهش مقاومت نیز موجب افزایش بهره‌ی لوپ می‌شود، به طوریکه اگر لوپ کنترل در زمان سرد بودن مقاومت تنظیم شود می‌تواند با بالا رفتن حرارت باعث ایجاد نوسان شود. متاسفانه، هرگونه افزایشی در باند تناسبی برای جبران این مسئله موجب افزایش اورشوت خواهد شد.المنت تسمه ای
بنابراین، حد جریان تناسبی بهتری از حد جریان ثابت است جون اقدام کنترلی صحیح در سرتاسر باند تناسبی حفظ می‌شود. با گذر مقاومت از مقدار بحرانی (که با 0Q نشان داده می‌شود) این عملیات به‌سادگی میان ولتاژ و کنترل جریان انتقال می‌یابد. هیچ ناپیوستگی در باند تناسبی وجود ندارد و تغییر در بهره‌ی لوپ به‌مراتب کمتر از حد جریان ثابت است.
بایستی توجه داشت که کنترل ولتاژ، چه با حد جریان ثابت و چه تناسبی، این نقطهی ضعف را دارد که اتلاف توان مجاز بیشینه تنها در یک مقدار مقاومت بار بدست آید (که در شکل 5 با 0A و در شکل 6 با 0Q نشان داده می‌شود). در هر مقدار مقاومت بار، توان بیشینه دردسترس بایستی پایین‌تر باشد تا اینکه هیتر مورد نیاز بزرگتر هیتری باشد که به‌طور ضمنی از حدودی توان مشخص‌شده برمی‌آید.المنت تسمه ای
3.4 «کنترل توان حقیقی با حد جریان»
کنترل توان حقیقی این توانایی را دارد که در همه‌ی مقادیر مقاومت بار به سطح توان مجاز بیشینه دست یابد. به این ترتیب، امکان استفاده از هیترهای کوچکتر در بسیاری از کاربردها فراهم می‌آید.
طبق شکل 7 تنظیمات ولتاژ ورودی و حد جریان را می‌توان در حدود دامنه‌ی مقاومت یا نزدیک به آن قرار داد و به این ترتیب امکان اتلاف توان کامل (یعنی توان مجاز بیشینه) اج در تمام مقادیر مقاومت را فراهم آورد. همچنین توجه داشته باشید که حد جریان برای عملیات عادی ضروری نیست؛ تنها کاری که می‌کند این است که از خطایی نظیر اتصالات ناصحیح در هنگام تغییر المنت جلوگیری می‌کند.
-
روال طراحی
برای بهینه‌سازی طراحی سیستم با استفاده از المنت‌های سیلیکون کارباید شاید تکرار محاسبات با المنت‌های متفاوت، ولتاژهای ورودی متفاوت و غیره ضروری باشد. بنابراین با فرایند تکرار می‌توان بهترین کاربرد را پیدا کرد. یوروترم (Eurotherm) با توسعه‌ی ابزارهای نرم‌افزاری به مهندسی در بهینه‌سازی سیستم‌های کنترل توان، محاسبه‌ی ولتاژ بالا بر روی مبدل‌ها و جریان اسمی ترسیتور توسعه داده است. در ضمیمه 1 جدول با مثال‌های طراحی برای کاربردهای مختلف آمده است.المنت تسمه ای
توجه:
المنت‌های متصل به‌صورت سری و یا موازی به یک اندازه موجب اتلاف توان نخواهند شد مگر آنکه مقاومت آنها یکسان باشد. بنابراین، جایگزینی این نوع المنت‌ها باید به‌صورت یک مجموعه انجام شود. فرسودگی و افزایش حرارت این المنت‌ها با سرعت یکسان نخواهد بود و بنابراین عمر مجموعه ممکن است به دلیل غلبه‌ی یکی از عناصر کاهش یابد. با فراهم نمودن کنترلر توان جداگانه برای المنت می‌توان از این مسئله اجتناب کرد. المنت تسمه ای
بدون دیدگاه