НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК H05B1/02 F24D13/00 

Изобретение относится к электроотоплению помещений различного назначения и может быть использовано как в основной системе отопления, так и в составе двухкомпонентной системы комбинированного отопления.

Известна система электроотопления, включающая датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, электроотопительные приборы и блок автоматики [1]. Указанная система имеет завышенный расход электроэнергии, низкую надежность и не обеспечивает необходимую электробезопасность.

Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является нагревательная установка, включающая нагреватели, подключенные к сети через тиристорный регулятор мощности, компаратор, подключенный к датчику температуры, блок синхронизации, блок уставок и коммутатор [2].

Существенным недостатком этого известного решения являются высокий уровень электрических помех, низкая эффективность использования оборудования, а также не вполне обеспеченные электробезопасность и надежность установки.

Кроме того, использование установки для электроотопления различного количества помещений требует изготовления электроотопительных приборов на свое строго определенное напряжение для каждого конкретного случая, что значительно ограничивает возможность ее использования.

Указанные недостатки снижают эффективность установки в целом и ограничивают возможности ее использования для электроотопления помещений.

Целью изобретения является повышение эффективности установки и расширение возможностей ее использования для электроотопления неограниченного числа помещений путем устранения отмеченных недостатков.

Сущность изобретения заключается в том, что нагревательная установка, включающая нагреватели, подключенные к сети через тиристорный регулятор мощности, компаратор, подключенный к датчику температуры, блоки синхронизации, блок уставок и коммутатор, снабжена последовательно соединенными: модулями защитного отключения, один из которых соединен непосредственно с сетью и с входом тиристорного регулятора мощности, выход которого подключен к входу модулей защитного отключения каждого помещения и соединен с программируемым таймером; резисторами и блоками контроля каждого помещения, выход одного из которых соединен с входом коммутатора, подключенного к первому модулю защитного отключения, при этом выход коммутатора подключен через резистор к заземляющей шине, и дополнительным коммутатором каждого помещения, входы которого соединены с выходами модуля защитного отключения и блока контроля каждого помещения, а выход - через резистор каждого помещения с заземляющей шиной, причем блоки синхронизации каждого помещения подключены непосредственно к нагревателям и к модулям защитного отключения каждого помещения; логическим элементом И каждого помещения, выходы которого подключены к соответствующему блоку синхронизации, а входы - к блоку контроля каждого помещения, к ограничителю температуры и к компаратору, соединенному с блоком уставок.

Блок контроля нагревательной установки может содержать кольцевой распределитель импульсов, схему сравнения, логические элементы и счетчик импульсов, при этом кольцевой распределитель импульсов подключен входом к объединенным выходу генератора импульсов и к одному из входов логических элементов И, другой вход которых соединен с выходами кольцевого распределителя, а выходом блока является выход схемы сравнения, соединенной с выходами блока задания числа и выходами счетчика импульсов, вход которого подключен к выходу логического элемента И.

По сравнению с прототипом изобретение содержит новые признаки, заключающиеся в том, что нагревательная установка снабжена последовательно соединенными: модулями защитного отключения, один из которых соединен непосредственно с сетью и с входом тиристорного регулятора мощности, выход которого подключен к входу модулей защитного отключения каждого помещения и соединен с программируемым таймером; резисторами и блоками контроля каждого помещения, выход одного из которых соединен с входом коммутатора, подключенного к первому модулю защитного отключения, при этом выход коммутатора подключен через резистор к заземляющей шине, и дополнительным коммутатором каждого помещения, входы которого соединены с выходами модуля защитного отключения и блока контроля каждого помещения, а выход - через резистор каждого помещения с заземляющей шиной, причем блоки синхронизации каждого помещения подключены непосредственно к нагревателям и к модулям защитного отключения каждого помещения; логическим элементом И каждого помещения, выходы которого подключены к соответствующему блоку синхронизации, а входы - к блоку контроля каждого помещения, к ограничителю температуры и к компаратору, соединенному с блоком уставок.

Блок контроля нагревательной установки может содержать кольцевой распределитель импульсов, генератор импульсов, схему сравнения, логические элементы И и счетчик импульсов, при этом кольцевой распределитель импульсов подключен входом к объединенному выходу генератора импульсов и к одному из входов логических элементов, другой вход которых соединен с выходами кольцевого распределителя, а выходом блока является выход схемы сравнения, соединенной с выходом блока задания числа и выходами счетчика импульсов, вход которого подключен к выходу логического элемента И.

На фиг. 1 изображена общая схема нагревательной установки; на фиг. 2 - схема блока контроля (вариант выполнения).

Нагревательная установка содержит первый модуль 1 защитного отключения, соединенный входом непосредственно с питающей сетью, одним выходом - с первым коммутатором 2, а другим выходом с первым входом тиристорного регулятора 3 мощности, подключенного вторым входом к программируемому таймеру 4, а выходом - к входам модулей 5 защитного отключения каждого помещения ("m" - число обогреваемых помещений). Модуль 5 защитного отключения в каждом помещении через соответствующие блоки 6 синхронизации соединен с нагревателями 7, которые через ограничители 8 температуры соединены с первым входом логических элементов 9 и с одним из входов блока 10 контроля каждого помещения, а второй вход логических элементов 9 подключен к выходу компаратора 11, соединенного с выходом блока 12 уставок и датчиком 13 температуры.

Количество нагревателей 7, блоков 6 синхронизации, логических элементов 9 и ограничителей 8 температуры одинаково.

Выход блока 10 контроля каждого помещения подключен к объединенным входам дополнительного коммутатора 14 каждого помещения и к одному из входов первого блока 15 контроля, который подключен через последовательно соединенные первый коммутатор 2 и первый резистор 16 с заземляющей шиной 17. При этом дополнительный коммутатор 14 каждого помещения соединен с модулем 5 защитного отключения и вторым резистором 18, подключенным к заземляющей шине 17.

В качестве нагревателей 7 могут быть использованы различные нагревательные кабели, ТЭНы, электрорадиаторы и другие электроотопительные устройства.

Кроме того, нагревательная установка может быть снабжена вентиляторами, направляющими жалюзи и т.п. приспособлениями, обеспечивающими более эффективное распределение тепла в обогреваемом помещении.

Блок контроля нагревательной установки может быть выполнен различным образом.

В предлагаемом варианте выполнения (см. фиг. 2) он содержит кольцевой распределитель 19 импульсов, подключенный входом к объединенным выходу генератора 20 импульсов и к одному из входов логических элементов И 21, другой вход которых соединен с выходами кольцевого распределителя 19, а третьи входы являются входами блока. Выходы логических элементов И 21 подключены к входам логического элемента И 22, соединенного выходом с входом счетчика 23 импульсов, вход обнуления которого соединен с последним выходом кольцевого распределителя 19. Выходом блока является выход схемы 24 сравнения, соединенной с выходами счетчика 23 импульсов и с выходами блока 25 задания числа.

Количество выходов кольцевого распределителя 19 импульсов должно быть больше, как минимум на один, наибольшего числа помещений или числа нагревательных приборов в помещении.

Нагревательная установка работает следующим образом.

Напряжение питающей сети подается на вход первого модуля 1 защитного отключения, который осуществляет контроль сопротивления изоляции проводов и приборов, подключенных к его выходу. Кроме того, модуль 1 защитного отключения обеспечивает электробезопасность пользователей нагревательной установки (в нашем случае настроен на ток утечки, не превышающей 50 мА). Напряжение сети с выхода модуля 1 защитного отключения поступает на первый вход тиристорного регулятора 3 мощности, на другой вход которого подаются сигналы с программируемого таймера 4. Тиристорный регулятор 3 мощности осуществляет управление уровнем мощности на нагрузке не ризо-импульсным методом, а используя способ широтно-импульсного регулирования мощности. Нагрузка периодически подключается к сети и отключается на определенные интервалы времени, при этом средний уровень мощности на нагрузке определяется количеством интервалов включенного и выключенного состояния нагрузки. Сумма интервалов включенного и выключенного состояний постоянна и в нашем случае составляет девять полупериодов сетевой частоты, а длительность каждого из интервалов кратна одному полупериоду. Такой способ регулирования обеспечивает низкий уровень электрических помех вследствие коммутации нагрузки при близком к нулю сетевом напряжении. Тиристорный регулятор мощности 3 имеет дистанционный вход управления, по которому от программируемого таймера 4 он может переходить с одного уровня мощности на другой, т.е. осуществлять прерывистый режим отопления.

Например, в производственных помещениях в рабочее время по сигналу от программируемого таймера 4 устанавливается высокий уровень (полная мощность), в нерабочее время низкий уровень (уменьшенная мощность с уровнем по желанию пользователей). Температура в помещении, конечно, будет более низкой, чем в рабочее время, но программируемый таймер 4 может по программе, например, за один час до начала рабочего времени переключить тиристорный регулятор 3 мощности на высокий уровень (полную мощность) с таким расчетом, чтобы к приходу людей в помещении была бы комфортная температура. Программирование таймера может производиться на сутки, неделю, месяц и т.д. Далее с тиристорного регулятора 3 напряжение поступает на вторые модули защитного отключения 5, установленные в обогреваемых помещениях 1...m.

Рассмотрим работу установки в одном помещении, в других она работает аналогично.

Второй модуль защитного отключения 5 обеспечивает контроль изоляции проводов помещения и приборов, обеспечивает электробезопасность пользователей (в нашем случае настроен на ток утечки = 20 мА). С его выхода напряжение через блоки 6 синхронизации поступает на нагреватели 7. Нагревателей в помещении может быть n-ое количество, так же, как и блоков 6 синхронизации, логических элементов И 9 и ограничителей 8 температуры. Блок 6 синхронизации по команде с логического элемента И 9 включает и выключает нагреватели 7 при близком к нулю сетевом напряжении (для снижения уровня электрических помех). Каждый нагреватель 7 имеет ограничитель 8 температуры, реализованный на использовании биметаллических пластин либо на основе термодатчика и компаратора. При превышении допустимой температуры нагревателя 7 (авария) ограничитель 8 температуры срабатывает и выдает сигнал на логический элемент И 9, блок 6 синхронизации выключает нагреватель 7. Кроме того, на логический элемент И 9 на его другой вход приходит сигнал с компаратора 11, где сравниваются сигналы с блока уставок 12 и датчика 13 температуры. При температуре в помещении ниже уставки блока 12 уставок с выхода компаратора 11 приходит сигнал включения на логический элемент И 9, и наоборот.

Кроме того, каждое помещение имеет блок 10 контроля, на который приходят сигналы аварии со всех ограничителей 8 температуры. При срабатывании - поступлении аварийного сигнала, например, от половины (n/2) ограничителей 8 температуры блок 10 контроля выдает сигнал на второй коммутатор 14, который подключает резистор 18 к фазному напряжению модуля 5 защитного отключения (имитация тока утечки). Модуль защитного отключения 5 (так как резистор 18 другими выводом подключен к шине 17 "Земля") выключает напряжение во всем помещении, считая ситуацию в помещении аварийной (например, повышение напряжения больше допустимого). Сигналы аварии с блоков 10 контроля поступают также на блок 15 контроля, если аварийных сигналов будет, например, половина (m/2), то блок 15 контроля выдает сигнал на первый коммутатор 2, с помощью которого к разному напряжению модуля защитного отключения 1 подключается резистор 16 (имитация токов утечки, так как другим выводом резистор 16 подключен к шине 17 "Земля"). Модуль 1 защитного отключения выключает нагревательную установку, считая недопустимым ее эксплуатацию далее.

Блок контроля нагревательной установки работает следующим образом. Генератор 20 импульсов включает кольцевой распределитель 19 импульсов, который попеременно опрашивает с помощью логических элементов И 21 состояние входов Вх1 ... Вхn блока контроля. Логический элемент И 22 объединяет сигналы с выходов логических элементов И 21. Счетчик 23 считает количество импульсов на выходе логического элемента И 22. Каждый цикл счетчик импульсов 23 на (n + 1) такт обнуляется. Когда в одном цикле количество импульсов достигнет значения числа, установленного на блоке 25 задания числа, сработает схема 24 сравнения. Этот сигнал и является информацией на выключение.

Таким образом, изобретение обеспечивает снижение уровня электрических помех, повышение надежности и электробезопасности установки, расширение ее функциональных возможностей, а следовательно, и повышение эффективности в целом.

Как показали предварительные расчеты и эксперименты, снижение затрат электроэнергии составляет 10-30% в зависимости от режима работы.

Нагревательная установка включает нагреватели, подключенные к сети через тиристорный регулятор мощности, компаратор, подключенный к датчику температуры, блоки синхронизации, блок установок и коммутатор. Она снабжена также последовательно соединенными модулями защитного отключения, резисторами и блоками контроля, дополнительным коммутатором, логическим элементом И, при этом блок контроля включает кольцевой распределитель импульсов, генератор импульсов, схему сравнения и счетчик импульсов. Изобретение обеспечивает снижение уровня электрических помех, повышение надежности и электробезопасности установки. 2 ил.

Нагревательная установка, преимущественно для электроотопления помещений, содержащая тиристорный регулятор мощности, для каждого помещения по меньшей мере один нагреватель, компаратор, подключенный к датчику температуры одним из входов, другой вход которого соединен с блоком уставки, блок синхронизации, первый коммутатор, отличающаяся тем, что она снабжена модулем защитного отключения, соединенным входом непосредственно с сетью, первым выходом с первым входом тиристорного регулятора мощности и блоком контроля аварии, при этом выход первого коммутатора соединен через резистор с заземляющей шиной, первый вход - со вторым выходом модуля защитного отключения, а второй вход - с выходом блока контроля аварии, для каждого помещения введен модуль защитного отключения, дополнительный коммутатор с резистором, блок контроля аварии, и для каждого нагревателя ограничитель температуры и логический элемент И, при этом вход ограничителя температуры подключен к нагревателю, который соединен с модулем защитного отключения помещения через блок синхронизации, подключенный входом к выходу логического элемента И, соединенному первым входом с выходом компаратора, вторым входом - с выходом ограничителя температуры, который соединен также со входом блока контроля аварии помещения, соединенного выходом с первым входом дополнительного коммутатора и одним из входов блока контроля аварии, выход дополнительного коммутатора через соответствующий резистор соединен с заземляющей шиной, а его второй вход соединен с вторым выходом модуля защитного отключения помещения, соединенного входом с выходом тиристорного регулятора мощности, соединенного вторым входом с программируемым таймером.