Controllore di potenza nei forni per il mantenimento dell’alluminio nel processo di pressofusione

• Controllo di Potenza di un carico trifase di riscaldatori in Carburo di Silicio (SiC), impiegando il primario di trasformatore.
• Allarmi e diagnostica in real time del Controllore di Potenza e del riscaldatore.
• Controllo di Potenza accurato per realizzare un sistema di controllo del forno robusto e performante

La pressofusione a bassa pressione (LPDC) è un processo di fusione di leghe di alluminio con magnesio e altre leghe a basso punto di fusione. La fusione di alluminio o di altre leghe con un peso di 2-150 kg è un processo comune nella realizzazione di ruote per autoveicoli, blocchi collettore per automotive, fusioni per componenti nel settore aerospaziale e alloggiamento di motori elettrici.

Rispetto ad altri procedimenti a stampo permanente, la LPDC è caratterizzata da bassi livelli di scarto ed elevate proprietà meccaniche, metallurgiche e tecnologiche.

La lega di alluminio fusa (tipicamente nell’intervallo di 700°C e 740°C, 1300°F) viene versata in un forno pressurizzato di contenimento, situato sotto la tavola dello stampo. Un tubo di
alimentazione, chiamato montante o tubo gambo, scorre dal forno al fondo dello stampo mentre la superficie del bagno di metallo nel crogiolo viene pressata da un’aria secca a pressione relativamente bassa (tipicamente nell’intervallo 0,1-1 bar) al fine di superare la
differenza di pressione metallica tra lo stampo e la superficie di la lega liquida (Figura 1).

Per mantenere la temperatura del metallo fuso intorno ai 700-740°C, nei crogioli, si impiega il riscaldatore al carburo di silicio (SiC). Il materiale dell’elemento SiC è fragile a bassa temperatura, il che significa che un amperaggio eccessivo potrebbe causare forze elettromagnetiche sufficientemente grandi da fratturare l’elemento.

A causa della non-linearità del valore resistivo del riscaldatore SiC con il variare della temperatura, il controllore di potenza deve essere intelligente e concepito per operare in quelle condizioni.

Curva di resistenza del riscaldatore SiC

Il valore di resistenza diminuisce di circa 3-4 volte da 20°C a 600-800°C, quindi aumenta 2 volte fino a 1600°C (Figura 2). Inoltre, la resistenza aumenta con l’invecchiamento e il rapporto può raggiungere 10:1.

Tensione di lavoro del riscaldatore SiC70-200 Vac

Si impiega un trasformatore 380/480 Vac: 70/200 Vac.

Manutenzione predittiva

Diagnostica in tempo reale del riscaldatore e del controllore di potenza, per prevenire danni quali: corto circuiti, identificazione di riscaldatori degradati e conseguenti fermi impianto.

Funzionalità del prodotto GPC

• Controllo corrente da 30 a 600 A max 690 Vac 1-2-3 fasi.
• Modalità di controllo configurabile degli SCR, per adattarsi alle diverse curve di resistenza dei riscaldatori, inclusi il limite di corrente e il feedback di potenza.
• Controllo su due o tre fasi del carico trifase.
• Connettività: tutti i bus di campo Ethernet più comunemente usati.
• Segnale di ingresso: manuale, 0-10V / 4-20mA, e tramite bus di campo.
• Configurazione del controllore di potenza tramite PC e/o terminale portatile.

Manutenzione predittiva e diagnostica

• Monitoraggio continuo della temperatura dei terminali di alimentazione del controller tramite 12 termistori integrati.
• Allarme di interruzione del riscaldatore e strategia di controllo personalizzata della potenza, nel caso di interruzione parziale del carico.
• Monitoraggio della tensione e della frequenza di linea, di corrente, d’impedenza e di potenza di carico.

Il Controllore di Potenza GPC è adatto a pilotare il primario del trasformatore che attraverso il secondario alimenta il carico trifase dei resistori SiC.

Funzione di controllo: retroazione corrente e potenza

Per mantenere costante la potenza trasferita al riscaldatore e anche per proteggere il riscaldatore dall’eccessivo flusso di corrente, durante il periodo iniziale, viene implementato l’avvio graduale con limite di corrente. Con il feedback relativo alla potenza e al valore resistivo dovuto al loro invecchiamento si è in grado di adeguare la corrente e la tensione al carico in base alla curva tipica del resistore. (Figura 3)

Controllo primario trasformatore

Per evitare la “corrente di spunto” nel trasformatore che inizialmente può essere 6 – 10 volte la corrente di carico nominale, è presente una funzione di trigger dedicata. La funzione inserisce un ritardo di trigger sul primo ciclo al fine di consentire l’esaurimento del magnetismo residuo.

Manutenzione predittiva

Un problema come il collegamento di cavi allentati può avere gravi conseguenze nel tempo. Se non adeguatamente controllato, il calore aumenta nel punto in cui le connessioni con i cavi di potenza non sono correttamente strette e potrebbero iniziare a fondere o a generare scintille che potrebbero trasformarsi in fiamme. La lettura dei valori di temperatura delle connessioni di potenza, disponibile con il GPC, consente di evidenziare eventuali condizioni di anomalia.

Autoapprendimento set point di allarme rottura carico

• Il limite di allarme HB dipende dal tipo di collegamento del carico e dalla modalità di accensione. Inoltre, queste soglie possono essere diverse per ciascuna fase controllata.
• È disponibile una funzione di autoapprendimento per l’impostazione automatica dei limiti di allarme, con configurazione semplice, rapida e sicura.
• GPC avvia automaticamente una procedura di lettura della corrente con un elenco del valore % di potenza erogata e imposta automaticamente la soglia adatta.

Configurazione ottimale

Il controllo di due fasi per carico trifase (Figura 4) offre vantaggi in termini di costi rispetto al controllo a tre fasi. Inoltre, consente di risparmiare spazio nell’armadio elettrico e riduce il calore generato dai tiristori.