СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА Российский патент 2014 года по МПК G05D23/00 

Изобретение относится к области электротехники, электроники и автоматического регулирования температуры.

Известны устройства регулирования температуры при работе промышленных и бытовых объектов, например регулятор температуры нагревательного устройства, описанный в патенте РФ №93161, заявл. 09.11.2009 г., МПК G05D 23/00, который содержит логическое устройство с управляющим элементом, датчики температуры, дистанционное устройство управления. Основным недостатком этого регулятора температуры является низкий уровень управляемой мощности нагревателей, низкая точность регулирования температуры.

Повысить управляемую мощность нагревателя позволяет «Станция управления контуром электрообогрева» (св. РФ №26856, заявл. 09.07.2002 г., МПК G05D 23/00), принятая за прототип, включающая автоматический выключатель, коммутатор электрообогрева (КЭ), микроконтроллер, модуль управления и контроля (МУК), измеритель тока (ИТ), а также датчики температуры (ДТ), отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена независимым расцепителем (HP) и датчиками предельной температуры (ДПТ), соединенными между собой последовательно, число которых более 3, в качестве КЭ она содержит пару бесконтактных симисторов (С), в качестве ИТ - трансформаторы; причем количество ДТ от 1 до 9, а МУК состоит из схемы управления С, мегомметра, схемы контроля величины тока, схемы управления HP по нештатным ситуациям и схемы контроля ДПТ.

Недостатками приведенного устройства являются:

- использование симисторов, работающих в широтно-импульсном режиме, в качестве коммутирующих элементов, что приводит к искажению формы синусоидального сигнала;

- при работе на мощный нагреватель в таком устройстве будет возникать перекос фаз в питающей сети вследствие коммутации только двух фаз из трех с помощью симисторов;

- возникновение больших токов при прямом подключении нагревателя большой мощности к питающей сети.

Известный объект не может быть использован для управления нагревательными элементами большой мощности, поскольку в мощном нагревателе при ступенчатом изменении питающего напряжения вследствие симисторного регулирования будут возникать большие броски тока, что приведет к низкой точности регулирования.

Предложена система регулирования температуры электронагрева, включающая в себя промышленный контроллер в качестве управляющего устройства; мультивибратор, подключенный к его выходу; линейку мощных полевых транзисторов, управляемых с помощью мультивибратора, в качестве коммутирующих элементов; термопару, подключенную ко входу контроллера через нормирующий преобразователь, в качестве датчика температуры; блоки питания контроллера и мультивибратора; трехфазный понижающий трансформатор, обеспечивающий питание силовой части системы через диодный выпрямитель; блок конденсаторов, сглаживающий напряжение на выходе выпрямителя. Данная система отличается тем, что в нее введен понижающий трансформатор и управление производится по его вторичной обмотке, а также в качестве коммутирующих элементов выбрана линейка полевых транзисторов, работающих в импульсном режиме, тем самым обеспечивающих минимальные потери мощности. В систему введена гальваническая развязка, отделяющая силовую часть от информационной, что обеспечивает защиту контроллера.

Предлагаемое устройство позволит исключить возможность перекоса фаз в питающей сети за счет использования трехфазного трансформатора. Помимо этого, переход к управлению постоянным током и введение конденсаторов в качестве сглаживающих фильтров исключит броски тока на нагревательном элементе в отличие от симисторного регулирования. Также использование полевых транзисторов, работающих в импульсном режиме, в качестве управляемых ключей даст экономию электроэнергии за счет уменьшения рассеиваемой ими мощности. Система может быть легко расширена за счет подключения к контроллеру дополнительных датчиков и исполнительных устройств, а также легко интегрирована в общую систему автоматизации предприятия в силу наличия в промышленном котроллере унифицированных интерфейсов связи.

Для пояснения описываемого устройства на фиг.1 приведена его принципиальная схема. Обозначения на схеме:

С1-С3 - конденсаторы (сглаживающий фильтр);

С4 - конденсатор 1 нФ;

R1 - резистор 10 кОм;

R2-R9, R11-R19 - резисторы 10 Ом;

R10 - резистор 100 кОм;

Rн - нагревательный элемент;

Т1-Т16 - линейка мощных полевых транзисторов;

Tr1 - трехфазный трансформатор;

VD1-VD6 - выпрямительные диоды;

VU1 - оптопара;

DD1 - микросхема таймера;

DD2, DD4 - блоки питания контроллера и мультивибратора;

DD3 - промышленный контроллер;

DD5 - нормирующий преобразователь.

Предложенное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии контроллер выдает сигнал выключения мультивибратора, полевые транзисторы закрыты, нагреватель отключен. Затем, в соответствии с алгоритмом регулирования, контроллер, получая с датчика температуры (термопары) через нормирующий преобразователь информацию о текущем значении температуры, подает сигнал включения на мультивибратор, который выдает на затворы полевых транзисторов импульсные сигналы с определенной скважностью, тем самым открывая их и включая нагреватель. На примере двухпозиционного алгоритма регулирования работа устройства будет выглядеть следующим образом. Если текущая температура меньше заданного значения, то контроллер включает мультивибратор, а он в свою очередь - нагреватель. Как только текущая температура стала больше заданной, контроллер отключает мультивибратор и нагреватель, процесс повторяется.

Описанная система реализована в качестве опытного образца.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет:

- исключить возможность перекоса фаз в питающей сети;

- исключить броски тока;

- повысить точность регулирования;

- повысить энергоэффективность за счет снижения потерь мощности.

Изобретение относится к области электротехники, электроники, автоматического регулирования и может быть использовано для подключения и регулирования работы промышленных и бытовых нагревательных устройств. Технический результат - исключение возможности перекоса фаз в питающей сети; исключение бросков тока; повышение точности регулирования; повышение энергоэффективности за счет снижения потерь мощности. Система регулирования температуры электронагрева включает в себя промышленный контроллер в качестве управляющего устройства; мультивибратор, подключенный к его выходу; линейку мощных полевых транзисторов, управляемых через мультивибратор с дискретного выхода контроллера и работающих в импульсном режиме в качестве коммутирующих элементов; термопару, подключенную ко входу контроллера через нормирующий преобразователь, в качестве датчика температуры; блоки питания контроллера и мультивибратора; трехфазный понижающий трансформатор, обеспечивающий питание силовой части системы через диодный выпрямитель; блок конденсаторов, сглаживающий напряжение на выходе выпрямителя. 1 ил.

Система регулирования температуры электронагрева, состоящая из коммутатора электронагрева, промышленного контроллера, датчика температуры (термопары), отличающаяся тем, что в нее введен трехфазный трансформатор с первичными обмотками, питаемыми от трехфазной сети, средние точки вторичных обмоток, соединенные между собой и с «корпусом», а в каждую линию их выходных цепей включены диоды, катоды которых соединены с положительными обкладками блока электролитических конденсаторов, сопротивлением нагрузки и стоками линейки мощных полевых транзисторов, их истоки связаны с «корпусом», а затворы соединены через низкоомные резисторы с выходом (3) интегрального таймера, собранного по схеме ждущего мультивибратора с RC-времязадающей цепью, питаемого от первого источника постоянного тока, включенного в одну из фаз трехфазной сети, а входная цепь мультивибратора соединена через элемент гальванической развязки с коллектором ее транзистора, входная цепь гальванической развязки подключена к дискретному входу контроллера, к аналоговому входу которого через нормирующий преобразователь подключен датчик температуры (термопара), питание нормирующего преобразователя, контроллера и оптрона гальванической развязки осуществляется от второго источника постоянного тока, включенного в одну из фаз трехфазной сети.