СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G05F1/66 H02M5/22 

Предлагаемое изобретение относится к области электричества, а именно производству, преобразованию и распределению электрической энергии, и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов, содержащих электрические нагревательные элементы, в частности в промышленности переработки термопластичных, резинотехнических и других полимерных материалов для многоканального регулирования температуры зон обогрева экструдеров, вакуумформовочных и литьевых машин.

При производстве деталей из термопластичных материалов, например, при вакуумформовке, для обеспечения необходимой пластичности и качества продукции, материал (листы полистирола) предварительно подвергают нагреву до заданной температуры при помощи термонагревательных элементов (ТЭН), затем формуют. Для изменения и подбора температурного поля мощность подводимая к каждому ТЭНу, регулируется в широких пределах при помощи терморегуляторов.

Из технической литературы (например, А. Леонтьев, С. Лукин. Регулятор напряжения с фазоимпульсным управлением. Радио, 1992, № 9, с. 43) известен способ фазоимпульсного управления тиристорным регулятором, заключающийся в изменении во времени момента включения тиристорного ключа относительно момента перехода питающего напряжения через нуль. При изменении момента включения тиристора происходит изменение времени протекания тока через нагрузку, а тем самым изменение мощности за период питающего напряжения.

Недостатками этого способа являются:

- ток, подаваемый в нагрузку, может скачком изменяться от нуля до максимума в зависимости от прикладываемого в данный момент времени напряжения, что уменьшает надежность работы нагрузки;

- все регуляторы с фазоимпульсным регулированием являются источниками промышленных помех.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения по а.с. №1001429, МПК Н 02 Р 13/16, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа периодов питающего напряжения, в котором с целью расширения функциональных возможностей, устанавливают интервалы отключенного состояния нагрузки, неизменными и равными периоду питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки составляет количество периодов питающего напряжения в каждом периоде импульсного регулирования во всем диапазоне регулирования, причем количество периодов подключенного состояния нагрузки пропорционально уровню напряжения на нагрузке, а период импульсного регулирования на каждом интервале регулирования устанавливают не более 20 мс.

Однако этот способ имеет существенный недостаток. При многоканальном регулировании мощности переменного напряжения невозможно одновременное регулирование мощности сразу всех каналов. Например, уменьшение напряжения питающей сети приводит к понижению мощности на нагрузке каждого канала. Для поддержания заданной мощности на нагрузках необходимо в каждом канале регулирования одновременно увеличить количество целого числа периодов питающего напряжения, что затруднительно.

Из технической литературы (например, Золотарев С. "Регулятор мощности". Радио № 11, 1989г., с.66) известно устройство регулятора мощности с широтно-импульсным регулированием, в котором коммутация тринисторов (силовых ключей) происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль. В описанном устройстве в качестве регулирующего элемента используется переменный резистор. При перемещении движка переменного резистора из одного крайнего положения в другое изменяется соотношение скоростей зарядки и разрядки интегрирующего конденсатора, а следовательно, и числа импульсов сетевого напряжения, тем самым производится регулировка мощности в нагрузке от 0 до 100%.

Недостатками данного устройства являются:

- нестабильность работы регулятора в результате потери емкости конденсатора с течением времени;

- невозможность точной установки фиксированного уровня мощности;

- невозможность синхронного изменения уровня мощности сразу во всех каналах многоканального регулятора.

Известно также многоканальное устройство для регулирования температуры по а.с. №1164677, МПК G 05 D 23/19, содержащее датчик температуры, задатчики температуры, элементы памяти и нагреватели, число которых равно числу каналов, два нуль-органа, делитель напряжения, коммутатор, формирователь тактовых импульсов, делитель частоты, источник эталонного напряжения, первые входы каждого нуль-органа подключены через соответствующие контакты коммутатора к датчикам температуры, второй вход одного нуль-органа подключен к выходам задатчиков температуры, через соответствующие контакты коммутатора и через делители напряжения - к второму входу другого нуль-органа, выход источника эталонного напряжения подключен к входам задатчиков температуры, вход формирователя тактовых импульсов подключен к сети переменного тока, а выход через делитель частоты - к управляющему входу коммутатора, каждый элемент памяти содержит симистор, по два D-триггера и два тиристорных оптрона, у которых соединены между собой одни из одноименных входных электродов и разноименные выходные электроды, а один из выходных электродов подключен к управляющему электроду симистора, а другие выходные электроды соединены с одним из электродов симистора и одним из вводов сети переменного тока, другой электрод симистора связан с другим вводом сети переменного тока через соответствующий нагреватель, D-входы D-триггеров подсоединены к выходам первого и второго нуль-органов соответственно, а С-входы связаны между собой через соответствующие контакты коммутатора - с выходом формирователя тактовых импульсов

Недостатками этого устройства являются:

- невозможность синхронного регулирования уровня мощности во всех каналах многоканального регулятора;

- сложность схемы управления многоканальным регулятором;

- невозможность стабилизации температурного поля в процессе регулирования мощности.

Целью предлагаемого способа управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройства для его осуществления является расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что управление мощностью инерционных нагрузок обеспечивают подключением нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс.

На фиг.1 представлена временная диаграмма работы генератора импульсного регулирования.

На фиг.2 представлена временная диаграмма, поясняющая предлагаемый способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения при интервале отключенного состояния нагрузки для всех каналов, равном 9 периодам генератора импульсного регулирования.

На фиг.3 представлена временная диаграмма, поясняющая предлагаемый способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения при интервале отключенного состояния нагрузки для всех каналов, равном 5 периодам генератора импульсного регулирования.

На фиг.4 представлена временная диаграмма, поясняющая предлагаемый способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения при интервале отключенного состояния нагрузки для всех каналов, равном 0 периодам генератора импульсного регулирования.

На фиг.5 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления.

В качестве примера интервал подключенного состояния нагрузки выбран равным 10 периодам импульсного регулирования, причем для каждого канала регулирования количество периодов импульсного регулирования может быть различно и выбрано от 0 до 10, например, для i-го канала к=2, для i+1 канала к=7, для i+2 канала к=10 (см. фиг 2-4). Интервал отключенного состояния нагрузки одинаков для всех каналов и регулируется в широких пределах, например от 9 до 0, как на фиг.2-4.

Такой способ регулирования позволяет управлять мощностью инерционных нагрузок как индивидуально (каждый канал в отдельности в интервале подключенного состояния нагрузки), так и одновременно (все каналы в интервале отключенного состояния нагрузки). Это упрощает процесс регулирования мощностью нагрузок за счет возможности синхронного изменения уровня мощности во всех каналах многоканального регулятора и позволяет стабилизировать рабочие режимы независимо от внешних воздействий. Например, изменение питающего напряжения приведет к изменению мощности на нагрузке, что можно компенсировать путем изменения интервала отключенного состояния нагрузки.

Кроме того, повышение точности и стабильности процесса регулирования мощности в многоканальной нагрузке достигается за счет синхронизации интервалов включенного и отключенного состояния нагрузки от генератора импульсного регулирования, не синхронизированного с питающим напряжением, а также сохранения информации об уровне мощности каждого канала в цифровом виде между регулировками.

На фиг.5 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления.

Обозначения на схеме: генератор импульсного регулирования 1, формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2, задатчик интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3, формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4, многоканальный селектор подключенного состояния нагрузки 5, многоканальный силовой ключ 6, многоканальная нагрузка 7, табло индикации режима многоканальной нагрузки 8.

Устройство работает следующим образом.

Генератор импульсного регулирования 1 вырабатывает импульсы напряжения с периодом следования импульсов не менее 20 м/сек не синхронизированные с фазой питающей сети и амплитудой, достаточной для работы электронной схемы, которые подаются на формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 и формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4. Сигнал с выхода задатчика интервала отключенного состояния нагрузки 3 подается на другой вход формирователя интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2. При помощи задатчика производится выбор интервалов отключенного состояния нагрузки для всех n каналов. Формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 вырабатывает импульс, длительность которого при помощи задатчика интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3 может быть выбрана в пределах от 0 до m. Этот импульс подается на вход формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки 4 и в интервале отключенного состояния нагрузки блокирует выработку интервалов подключенного состояния нагрузки. Далее формирователь интервалов 4 вырабатывает интервалы подключенного состояния нагрузки, которые подаются на n-канальный селектор подключенного состояния нагрузки 5. При помощи n-канального селектора для каждого канала производится выбор одного из интервалов в диапазоне от 0 до k интервалов, которые подаются на n-канальный силовой ключ 6. С выхода n-канального силового ключа 6 в момент времени, когда напряжение переходит через нуль, сигнал подается в многоканальную нагрузку 7 и на табло индикации режима многоканальной нагрузки 8. При помощи табло индикации режима многоканальной нагрузки 8 производится контроль за работой всего устройства в целом, а также за состоянием каждой из нагрузок в отдельности.

Практическое использование предложенного способа и устройства обеспечивает повышение точности и стабильности процесса регулирования, а также существенное упрощение устройства, работающего по этому способу.

Предлагаемое техническое решение является промышленно-применимым, подтверждением является факт изготовления устройства на ФГУП “ПО “Завод имени Серго” и испытания его на вакуум-формовочной машине.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов, содержащих электрические нагревательные элементы, в частности в промышленности переработки термопластичных, резинотехнических и других полимерных материалов для многоканального регулирования температуры зон обогрева экструдеров, вакуумформовочных и литьевых машин. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей многоканального широтно-импульсного регулятора мощности. В способе управления широтно-импульсным регулятором и устройстве для его осуществления управление мощностью инерционных нагрузок обеспечивают подключением нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала многоканального регулятора пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления мощностью инерционных нагрузок для широтно-импульсного многоканального регулятора переменного напряжения, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала пропорционально уровню мощности на нагрузке, отличающийся тем, что устанавливают интервал отключенного состояния нагрузки одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс.2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки, входом подключенный к выходу генератора импульсного регулирования, а выходом к входам многоканального селектора интервалов подключенного состояния нагрузки, соединенного с многоканальным силовым ключом, выходом подключенным к нагрузке, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными задатчиком интервалов отключенного состояния нагрузки и формирователем интервалов отключенного состояния нагрузки всех каналов, входом подключенным к выходу генератора импульсного регулирования, а выходом ко второму входу формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки, снабжено табло индикации режима многоканальной нагрузки, входом, подключенным к выходам многоканального силового ключа.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что задатчик интервалов отключенного состояния нагрузки и многоканальный селектор подключенного состояния нагрузки выполнены на многопозиционных переключателях.