ТЕРМОРЕГУЛЯТОР С ФУНКЦИЯМИ ФАЗОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ПЕРЕХОДА ФАЗЫ ЧЕРЕЗ НОЛЬ Российский патент 2012 года по МПК G05D23/19 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к терморегулятору, позволяющему в зависимости от температуры, измеренной термодатчиком в области нагрузки, регулировать температуру нагрузки до заданного значения, в частности, к терморегулятору с функциями фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль, при осуществлении которых для регулировки подаваемого на нагрузку напряжения в соответствии с заданной контрольной температурой нагрузки вырабатывается сигнал фазового управления или управляющий сигнал при переходе через ноль.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как правило, обычные управляющие сигналы, снимаемые с выхода терморегуляторов для управления нагрузкой, представляют собой сигнал на выходе реле для управления реле, сигнал на выходе ТТР (твердотельного реле) для запуска ТТР, и выходной ток от 4 мА до 20 мА, выдаваемый в качестве токового сигнала, величина которого соответствует заданному контрольному значению в пределах назначенного диапазона.

Как показано на фиг.1, для обеспечения точной регулировки температуры тиристорный (SCR) фазорегулятор или тиристорный (SCR) контроллер 20 перехода фазы через ноль, расположенный вне терморегулятора 10, соединен с выходом, выдающим ток от 4 мА до 20 мА, что позволяет увеличивать/уменьшать нагрев нагрузки 40, например нагревателя, за счет увеличения/уменьшения напряжения, подаваемого на нагрузку от источника питания переменного тока, и, в зависимости от измеренной термодатчиком 30 температуры нагрузки 40, регулировать температуру нагрузки 40 до заданного значения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения

Поскольку регуляторы, такие как тиристорный (SCR) фазорегулятор и тиристорный (SCR) контроллер перехода фазы через ноль, являются дорогостоящими и достаточно габаритными, их использование сопряжено с различными проблемами, включая высокие издержки и сложность размещения.

Задачей настоящего изобретения является преодоление указанных недостатков известных терморегуляторов и создание терморегулятора с функциями фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль, обеспечивающего точную регулировку температуры, используя для этого вместо дорогостоящего тиристорного (SCR) фазорегулятора или тиристорного (SCR) контроллера перехода фазы через ноль недорогие малогабаритные компоненты с несложными функциями.

Техническое решение задачи

Для решения поставленных задач, согласно одному из вариантов изобретения предлагается терморегулятор с функциями фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль, позволяющими поддерживать предварительно выставленную заданную температуру нагрузки посредством фазового регулирования или контроля перехода через ноль напряжения, подаваемого на нагрузку, осуществляемых после измерения и анализа температуры нагрузки при помощи термодатчика, содержащий: модуль цепи синхронизации источника питания, выделяющий сигнал синхронизации из переменного напряжения; силовой модуль, в котором источник питания переменного тока соединен с первичной обмоткой трансформатора, а драйвер питания и компонент, вырабатывающий отпирающий симистор импульс, запитаны, соответственно, от вторичной обмотки; микропроцессор, вырабатывающий сигнал фазовой регулировки или управляющий сигнал при переходе фазы через ноль для анализа температуры нагрузки, измеренной термодатчиком, и регулировки этой температуры до заданного значения; а также драйвер симистора, подающий напряжение, полученное от компонента, вырабатывающего импульс отпирающего напряжения, в качестве отпирающего сигнала на управляющий электрод симистора, соединенного с нагрузкой, в зависимости от выданного микропроцессором сигнала фазовой регулировки или управляющего сигнала при переходе фазы через ноль.

Цепь синхронизации источника питания снабжена оптроном, обеспечивающим гальваническую развязку между источником питания переменного тока и микропроцессором.

Кроме того, драйвер силового симистора снабжен оптроном, обеспечивающим гальваническую развязку между микропроцессором и симистором со стороны нагрузки.

На вход микропроцессора установлен пользовательский блок управления для выбора между предусмотренными в микропроцессоре функциями фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль.

Предполагаемый полезный эффект

Использование сигнала фазовой регулировки или управляющего сигнала при переходе фазы через ноль, получаемых на выходе терморегулятора согласно одному из вариантов предлагаемого изобретения, позволяет осуществлять функцию фазового регулирования или функцию контроля перехода фазы через ноль не посредством дорогостоящего и габаритного тиристорного (SCR) фазорегулятора или тиристорного (SCR) контроллера перехода фазы через ноль, а используя выполняющее простые функции подключаемое напрямую недорогое малогабаритное ТТР (твердотельное реле) с произвольным включением, или симистор, благодаря чему возможно снизить стоимость терморегулятора и повысить удобство его использования, причем с оптимизацией занимаемого пространства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана известная из уровня техники схема регулировки температуры.

На фиг.2 показана схема терморегулятора согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 показаны основные формы сигналов, соответствующих контролю перехода фазы через ноль согласно настоящему изобретению.

На фиг.4 показаны основные формы сигналов, соответствующих фазовому регулированию согласно настоящему изобретению.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее схема и функционирование одного из вариантов осуществления настоящего изобретения описаны более подробно, со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Настоящее изобретение позволяет снизить стоимость терморегулятора 1 и повысить удобство его использования, причем с оптимизацией занимаемого пространства, благодаря тому, что к функциям микропроцессора 100 терморегулятора 1 добавлены функции фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль, чем обеспечена возможность для пользователя непосредственно выбирать указанные функции управления, а также возможность замены дорогостоящих и габаритных устройств, таких как традиционные тиристорный (SCR) фазорегулятор или тиристорный (SCR) контроллер перехода фазы через ноль, на выполняющие простые функции недорогое малогабаритное ТТР (твердотельное реле) с произвольным включением или симистор.

На фиг.2 показана схема одного из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Термодатчик 30, измеряющий температуру нагрузки, соединен с одним из входов микропроцессора 100, осуществляющего общее управление функционированием терморегулятора 1, через входную цепь усилителя 120. Входная цепь усилителя 120 выполнена с возможностью усиления сигнала температуры, измеренной термодатчиком 30, до значения, достаточного для использования в микропроцессоре 100. Кроме того, блок дисплея 130 соединен с одним из выходов микропроцессора 100 для обеспечения пользователя возможностью удобного наблюдения текущей температуры нагрузки и регулировки заданной температуры нагрузки.

Кроме того, микропроцессор 100 запрограммирован на управление фазовым регулированием или контролем перехода фазы через ноль напряжения, подаваемого на нагрузку по управляющему сигналу, синхронизированному с переменным напряжением после вычисления мощности выходного управляющего сигнала путем сравнения текущей температуры нагрузки, измеренной термодатчиком 30, с заданной контрольной температурой, предварительно выставленной пользователем, чем, как будет описано ниже, обеспечивается регулировка температуры нагрузки 40 до заданного значения.

В частности, для регулировки напряжения, подаваемого на нагрузку, между микропроцессором 100 и источником питания переменного тока установлен модуль 140 цепи синхронизации источника питания, соединенный с одним из входов микропроцессора. В модуле 140 цепи синхронизации источника питания имеется оптрон PC1, содержащий светоизлучающий диод, соединенный с источником питания переменного тока, и светоприемный транзистор, соединенный с микропроцессором 100, а также резисторы R1, R2 и R3, причем указанные светоизлучающий диод и светоприемный транзистор дополнены конденсатором C1 таким образом, что с подачей напряжения на светоизлучающий диод включается светоприемный транзистор, который подает сигнал, синхронизированный с напряжением сети, на микропроцессор 100. Поскольку сигнал синхронизации, поданный на вход микропроцессора 100 с модуля 140 цепи синхронизации источника питания, вырабатывается оптроном PC1, нарушение функционирования из-за шумов источника питания предотвращено благодаря гальванической развязке, обеспечивающей изоляцию от источника питания переменного тока.

Кроме того, нагрузка 40, в частности управляющий электрод симистора 180, обеспечивающий коммутацию переменного напряжения, подаваемого на нагрузку 40, соединена с одним из выходов микропроцессора 100 через драйвер 150 симистора. В предпочтительном варианте, для предотвращения нарушения функционирования вследствие шумов, драйвер 150 симистора также снабжен гальванической развязкой посредством оптрона PC2. То есть светоизлучающий диод оптрона PC2 соединен с микропроцессором 100 через сопротивление R4, при этом светоприемный транзистор соединен с симистором 180 через сопротивление R5.

Далее, модуль 140 цепи синхронизации источника питания, обеспечивающий выделение сигнала синхронизации из напряжения источника питания переменного тока, соединен, как описано выше, с источником питания переменного тока, причем с указанным модулем соединен силовой модуль 160, вырабатывающий напряжение для терморегулятора 1. Силовой модуль 160 содержит драйвер питания, вырабатывающий пусковое напряжение Vcc, подаваемое на каждый модуль терморегулятора 1 путем понижения переменного напряжения в силовом трансформаторе T1, а также компонент, вырабатывающий отпирающий импульс, подаваемый на управляющий электрод симистора 180.

Драйвер питания выравнивает и прикладывает разность потенциалов, сниженную до предварительно заданного уровня вторичной обмоткой силового трансформатора T1, на диод D1 и конденсатор C2, причем аналогичным образом компонент, вырабатывающий отпирающий импульс, выравнивает и прикладывает разность потенциалов, сниженную до предварительно заданного уровня другой вторичной обмоткой силового трансформатора T1, на диод D2 и конденсатор C3. Разность потенциалов, снятая с компонента, вырабатывающего отпирающий импульс, приложена к управляющему электроду симистора 180 через драйвер 150 симистора.

Для того чтобы пользователь имел возможность выбирать между предусмотренными в микропроцессоре функциями фазового управления и контроля перехода фазы через ноль, с входом микропроцессора 100 соединен пользовательский блок 170 управления.

Несмотря на то, что в этом варианте осуществления в качестве примера устройства, обеспечивающего коммутацию напряжения, подаваемого на нагрузку 40, выбран симистор 180, настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом, и специалистам в данной области очевидно, что в объеме настоящего изобретения возможно применение и других коммутирующих устройств или компонентов, аналогичных указанным.

На фиг.3 показаны основные формы сигналов, соответствующих контролю перехода фазы через ноль как одной из функций управления согласно настоящему изобретению.

Согласно одному из вариантов изобретения, контроль перехода фазы через ноль предусматривает, что в качестве цикла управления выбран предварительно заданный период частоты сети, причем продолжительность этого периода предварительно задана посредством включения/выключения пропорционально значению мощности выходного управляющего сигнала. На фиг.3 изображены формы отпирающего сигнала, полученного с выхода драйвера 150 симистора, и напряжение, подаваемое на нагрузку 40 через симистор 180, когда в качестве циклов управления выбраны десять полупериодов, и, в частности, формы сигнала на выходе симистора 180 при мощности выходного управляющего сигнала нагрузки 40, составляющей 10%, 40%, 80% и 100%.

Например, при значении мощности выходного управляющего сигнала 10% микропроцессор 100 выдает и направляет в оптрон PC2 управляющий сигнал с циклом, при котором в нагрузку поступает только один из десяти полупериодов переменного напряжения. Соответственно, светоприемный транзистор оптрона PC2 включается на один цикл, разность потенциалов, выравненная диодом D2 и конденсатором C3, через включенный светоприемный транзистор прикладывается в качестве отпирающего сигнала на управляющий электрод симистора 180, при этом симистор 180 включается таким образом, что к нагрузке 40 прикладывается разность потенциалов, соответствующая только одному из десяти полупериодов, поступающих от источника питания переменного тока.

Аналогичным образом, при значении мощности выходного управляющего сигнала 40% в нагрузку 40 от источника питания переменного тока поступают только четыре из десяти полупериодов, при значении мощности выходного управляющего сигнала 80% в нагрузку 40 от источника питания переменного тока поступают только восемь из десяти полупериодов, и при значении мощности выходного управляющего сигнала 100% в нагрузку 40 поступают все десять полупериодов.

Микропроцессор 100 выполнен с возможностью подавать напряжение, синхронизированное с частотой сети, на нагрузку 40 посредством выдачи управляющего сигнала, синхронизированного с частотой сети, на драйвер 150 симистора, используя при этом сигнал синхронизации, выделенный из напряжения источника питания переменного тока при помощи модуля 140 цепи синхронизации источника питания.

На фиг.4 показаны основные формы сигналов, соответствующих фазовому регулированию как одной из функций управления согласно настоящему изобретению.

Как показано на фиг.4, в режиме фазового регулирования согласно настоящему изобретению напряжение подается на нагрузку 40 только в течение временного интервала, пропорционального значению мощности выходного управляющего сигнала в полупериодах частоты сети, причем в качестве цикла управления используется полупериод частоты сети.

То есть при значении мощности выходного управляющего сигнала 20% в нагрузку 40 поступает только 20% полупериодов напряжения источника питания переменного тока, при значении мощности выходного управляющего сигнала 50% в нагрузку 40 поступает только 50% полупериодов напряжения источника питания переменного тока, и при значении мощности выходного управляющего сигнала на выходе 100% в нагрузку 40 поступают все полупериоды напряжения источника питания переменного тока.

Для этого микропроцессор 100 выдает мощность выходного управляющего сигнала, значение которой рассчитано на основе сравнения измеренной температуры, полученной от термодатчика 30, с заданной температурой, предварительно выставленной пользователем, и определяет фазу переменного напряжения, подаваемого на нагрузку 40 по сигналу напряжения, полученному от модуля 140 цепи синхронизации источника питания, в результате чего вышеупомянутый управляющий сигнал на выходе синхронизирован с частотой сети. Управляющий сигнал на выходе представляет собой сигнал, сохраняющий включенное состояние в течение временного интервала, соответствующего, например, 10%…50%… или 100%, как на фиг.4 проиллюстрировано формой сигнала, соответствующего мощности выходного управляющего сигнала контроллера.

Переменное напряжение подается на нагрузку 40, при этом нагрузка 40 выполнена с возможностью поддерживать заданную температуру в течение времени, когда симистор 180 включен управляющим напряжением контроллера.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как отмечено выше, терморегулятор согласно одному из вариантов осуществления состоит из недорогих компонентов и способен посредством фазового регулирования или контроля перехода через ноль регулировать подаваемое на нагрузку напряжение.

Изобретение относится к терморегулятору, осуществляющему функции фазового регулирования и контроля перехода фазы через ноль. Технический результат заключается в повышении точности регулирования температуры. Он достигается тем, что терморегулятор, поддерживающий предварительно выставленную заданную температуру нагрузки посредством фазового регулирования или контроля перехода через ноль напряжения, подаваемого на нагрузку, осуществляемых после измерения и анализа температуры нагрузки при помощи термодатчика, содержит модуль цепи синхронизации источника питания, выделяющий сигнал синхронизации из переменного напряжения; силовой модуль, в котором источник питания переменного тока соединен с первичной обмоткой трансформатора, а драйвер питания и компонент, вырабатывающий отпирающий симистор импульс, запитаны, соответственно, от вторичной обмотки; микропроцессор, вырабатывающий сигнал регулировки фазы или управляющий сигнал при переходе фазы через ноль для анализа температуры нагрузки, измеренной термодатчиком, и регулировки указанной температуры до заданного значения; а также драйвер симистора, подающий напряжение, полученное от блока, вырабатывающего импульс отпирающего напряжения, в качестве отпирающего сигнала на управляющий электрод симистора, соединенного с нагрузкой, в зависимости от выданного микропроцессором сигнала регулировки фазы или управляющего сигнала при переходе фазы через ноль. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Терморегулятор с функциями фазового регулирования и контроля перехода через ноль, поддерживающий предварительно выставленную заданную температуру нагрузки посредством фазового регулирования или контроля перехода через ноль напряжения, подаваемого на нагрузку, осуществляемых после измерения и анализа температуры нагрузки при помощи термодатчика, содержащий:
модуль цепи синхронизации источника питания, выделяющий сигнал синхронизации из переменного напряжения;
силовой модуль, в котором источник питания переменного тока соединен с первичной обмоткой трансформатора, а драйвер питания и компонент, вырабатывающий отпирающий симистор импульс, запитаны соответственно от вторичной обмотки;
микропроцессор, вырабатывающий сигнал регулировки фазы или управляющий сигнал при переходе фазы через ноль для анализа температуры нагрузки, измеренной термодатчиком, и регулировки указанной температуры до заданного значения;
а также драйвер симистора, подающий напряжение, полученное от блока, вырабатывающего импульс отпирающего напряжения, в качестве отпирающего сигнала на управляющий электрод симистора, соединенного с нагрузкой, в зависимости от выданного микропроцессором сигнала регулировки фазы или управляющего сигнала при переходе фазы через ноль.

2. Терморегулятор по п.1, в котором цепь синхронизации источника питания снабжена оптроном, обеспечивающим гальваническую развязку между источником питания переменного тока и микропроцессором.

3. Терморегулятор по п.1 или 2, в котором драйвер силового симистора снабжен оптроном, обеспечивающим гальваническую развязку между микропроцессором и симистором со стороны нагрузки.

4. Терморегулятор по п.1, в котором выбор между предусмотренными в микропроцессоре функциями фазового регулирования или контроля перехода через ноль осуществляется при помощи пользовательского блока управления.