УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА Российский патент 2017 года по МПК G05D23/22 

Изобретение относится к области электротехники, электроники, автоматического регулирования температуры и может быть использовано для управления температурными режимами промышленных и бытовых нагревательных устройств, использующих электронагрев.

Известна «Станция управления контуром электрообогрева» (патент на полезную модель РФ №26856, заявл. 09.07.2002, МПК G05D 23/00), 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.

Известен «Регулятор температуры нагревательного устройства» (патент на изобретение РФ №93161, заявл. 09.11.2009, МПК G05D 23/00), содержащий логическое устройство с управляющим элементом, датчики температуры, дистанционное устройство управления.

Основным недостатком этого регулятора температуры является низкий уровень управляемой мощности нагревателей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является «Система регулирования температуры электронагрева» (патент на изобретение РФ №2514129, заявл. 09.01.2013, МПК G05D 23/00), принятая за прототип, содержащая промышленный контроллер в качестве управляющего устройства; мультивибратор, подключенный к его выходу; линейку (группу) мощных полевых транзисторов, управляемых через мультивибратор с дискретного выхода контроллера и работающих в импульсном режиме, в качестве коммутирующих элементов; термопару, подключенную к 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.

Недостатками этого устройства являются:

- использование неполного периода управления моментами коммутации мощных полевых транзисторов в импульсном режиме работы снижает выходную мощность устройства;

- управление мощными полевыми транзисторами непосредственно с мультивибратора накладывает ограничение на количество мощных полевых транзисторов, входящих в группу коммутирующих элементов, что снижает максимально возможную величину пропускаемого через резистивный нагревательный элемент тока.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение временного диапазона рабочих токов групп полевых транзисторов и увеличение управляемой мощности электронагрева.

Это достигается тем, что устройство регулирования температуры электронагрева содержит две параллельно включенные группы мощных полевых транзисторов, причем затворы первой и второй групп мощных полевых транзисторов соединены через токоограничивающие резисторы с выходами инвертирующего и неинвертирующего драйверов соответственно, выход мультивибратора подключен к информационным входам инвертирующего и неинвертирующего драйверов, разрешающие входы которых подсоединены к выходу промышленного контроллера, входы последнего связаны через нормирующий преобразователь с выходом термопары, при этом нормирующий преобразователь, инвертирующий и неинвертирующий драйверы, промышленный контроллер и мультивибратор связаны шиной питания с положительной клеммой источника питания постоянного тока, общая клемма которого соединена с общей клеммой нормирующего преобразователя, с общими выводами инвертирующего и неинвертирующего драйверов и с общими выводами промышленного контроллера и мультивибратора, а вход источника питания постоянного тока подключен к фазе трехфазной сети переменного тока, три фазы которой соединены посредством трехфазного трансформатора через диодные выпрямители и батарею электролитических конденсаторов ее положительным выводом с одной из клемм резистивного нагревателя, а его вторая клемма связана со стоками обеих групп мощных полевых транзисторов, истоки которых совместно с общими клеммами инвертирующего и неинвертирующего драйверов, отрицательным выводом батареи электролитических конденсаторов и средними точками вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены между собой и с корпусом устройства.

Предлагаемое устройство позволит расширить временной диапазон рабочих токов и увеличить управляемую мощность электронагрева за счет добавления второй группы мощных полевых транзисторов, работающей противофазно первой, и дополнительного использования управляющих инвертирующего и неивертирующего драйверов полевых транзисторов, позволяющих организовать полный период управления моментами коммутации групп полевых транзисторов, а также за счет пропорционального количественного увеличения мощных полевых транзисторов при параллельном включении в каждой группе, ограниченного лишь нагрузочной способностью используемых драйверов полевых транзисторов, что позволит подвести к резистивному нагревателю всю поступающую от трехфазной сети переменного тока энергию.

Для пояснения описываемого устройства на фиг. 1 приведена схема устройства регулирования температуры электронагрева.

Устройство регулирования температуры электронагрева содержит трехфазный трансформатор 1, первичные обмотки которого подключены к трехфазной сети переменного тока 2, средние точки вторичных обмоток соединены между собой и с корпусом устройства, а к каждой из шести их выходных цепей анодами подключены диодные выпрямители 3, связанные катодами с положительным выводом батареи электролитических конденсаторов 4, отрицательный вывод которой подключен к корпусу устройства. Положительный вывод батареи электролитических конденсаторов 4 соединен с одной из клемм резистивного нагревателя 5, другой клеммой резистивный нагреватель подключен к стокам мощных полевых транзисторов, включенных параллельно и объединенных в первую 6 и вторую 7 группы полевых транзисторов. Истоки обеих групп полевых транзисторов 6 и 7 соединены через корпус устройства с клеммами PGND инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9. Первая группа полевых транзисторов 6 затворами соединена с выходами OUT инвертирующего драйвера 8, выполненного на микросхеме UC37321. Вторая группа полевых транзисторов 7 затворами соединена с выходами OUT неинвертирующего драйвера 9, выполненного на микросхеме UC37322. Инвертирующий драйвер 8 и неинвертирующий драйвер 9 выводами питания VDD одновременно с выводом питания VCC мультивибратора 10, выводами Vs +u PWR промышленного контроллера 12, клеммой питания 4 нормирующего преобразователя 13 запитаны от положительной клеммы +u источника питания постоянного тока 11. Инвертирующий драйвер 8 и неинвертирующий драйвер 9 информационными выводами IN соединены с выходом OUT мультивибратора 10, а своими разрешающими выводами ENBL они подключены к дискретному выводу DO0 промышленного контроллера 12. Общие выводы AGND инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9, клемма 6 нормирующего преобразователя 13, выводы GND промышленного контроллера 12 и мультивибратора 10 подключены к общей клемме GND источника питания постоянного тока 11. Мультивибратор 10 собран на микросхеме интегрального таймера NE555 с обвязывающими электронными компонентами, задающими частоту и скважность импульсов на выходе OUT. Промышленный контроллер 12 выводом Ethernet через локальную сеть подключен к персональному компьютеру, первым +AI0 и вторым -AI0 аналоговыми входами соединен с выходами 1 и 3 нормирующего преобразователя 13 соответственно, к входными клеммам 7 и 8 нормирующего преобразователя 13 подключена термопара 14.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При подаче напряжения от трехфазной сети переменного тока 2 записываются первичные обмотки трехфазного трансформатора 1, и далее со вторичных обмоток пониженное до требуемой амплитуды напряжение преобразуется посредством диодных выпрямителей 3 в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются батареей электролитических конденсаторов 4, и подводится к резистивному нагревателю 5. Также от трехфазной сети переменного тока 2 запитывается источник питания постоянного тока 11, с выхода которого постоянное напряжение питания подводится к промышленному контроллеру 12, нормирующему преобразователю 13, мультивибратору 10, инвертирующему драйверу 8 и неинвертирующему драйверу 9. С момента подачи напряжения питания мультивибратор 10 генерирует прямоугольные импульсы определенной скважности и частоты, задавая импульсный режим работы групп 6 и 7 полевых транзисторов, и организует подачу этих импульсов на информационные входы IN инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9, определяя этим очередность и моменты включения работающих противофазно групп 6 и 7 полевых транзисторов. Одновременно с этим промышленный контроллер 12, согласно алгоритму управления, выключает свой дискретный выход DO0, устанавливая запрещающий потенциал на управляющих выводах ENBL инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9, блокируя этим их выходы OUT и создавая на них напряжение низкого уровня, поступающее на затворы первой 6 и второй 7 групп полевых транзисторов соответственно. В свою очередь, напряжение низкого уровня затвор-исток групп 6 и 7 полевых транзисторов создает в их сток-истоковых переходах высокое сопротивление, закрывая их для прохождения электрического тока через полевые транзисторы, а, значит, и резистивный нагреватель 5, в результате чего процесс нагрева не происходит.

Для активации процесса нагрева промышленный контроллер 12, в соответствии с заданным алгоритмом управления, включает свой дискретный выход DO0, создавая разрешающий потенциал на управляющих выводах ENBL инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9 и активируя этим их выходы OUT. Одновременно на выходе OUT мультивибратора 10, на информационных входах IN инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9 возникают сгенерированные импульсы заданной скважности и частоты, определяющие моменты коммутации групп 6 и 7 полевых транзисторов. С выходов OUT инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9 импульсные напряжения высокого и низкого уровней подаются через токоограничивающие резисторы на затворы соответствующих групп 6 и 7 полевых транзисторов, управляя попеременным открыванием-закрыванием их каналов сток-исток. При подаче напряжения высокого уровня на затворы одной из групп 6 или 7 полевых транзисторов устанавливаются малые сопротивления каналов сток-исток полевых транзисторов, что способствует открыванию каналов и протеканию через них тока питания резистивного нагревателя 5, одновременно на затворы другой группы 7 или 6 полевых транзисторов подается напряжение низкого уровня, устанавливающее большие сопротивления каналов сток-исток полевых транзисторов соответствующей группы, что способствует закрыванию каналов сток-исток.

Для регулирования температуры электронагрева, значение которой измеряется термопарой 14 и посредством нормирующего преобразователя 13 подается в промышленный контроллер 12, достаточно включать или выключать в определенные промежутки времени, в соответствии с заданным алгоритмом, дискретный вывод DO0 промышленного контроллера 12, блокируя или активируя этим выходы OUT инвертирующего драйвера 8 и неинвертирующего драйвера 9, тем самым управляя коммутацией групп 6 и 7 полевых транзисторов соответственно, обеспечивающих работу резистивного нагревателя 5.

Таким образом, предложенное устройство позволит расширить временной диапазон рабочих токов и увеличить управляемую мощность электронагрева за счет добавления второй группы мощных полевых транзисторов и использования полного периода управления моментами коммутации групп полевых транзисторов, работающих противофазно в импульсном режиме, а также их пропорционального количественного увеличения при параллельном включении в каждой группе, при этом сигналы коммутации групп полевых транзисторов генерируются мультивибратором и поступают через инвертирующий и неинвертирующий драйверы на затворы соответствующих групп мощных полевых транзисторов.

Описанное устройство реализовано в качестве опытного образца.

Изобретение относится к области электротехники, электроники и автоматического регулирования температуры. Устройство регулирования температуры электронагрева содержит две параллельно включенные группы мощных полевых транзисторов. Затворы первой и второй групп мощных полевых транзисторов соединены через токоограничивающие резисторы с выходами инвертирующего и неинвертирующего драйверов соответственно. Выход мультивибратора подключен к информационным входам инвертирующего и неинвертирующего драйверов, разрешающие входы которых подсоединены к выходу промышленного контроллера, входы последнего связаны через нормирующий преобразователь с выходом термопары. Нормирующий преобразователь, инвертирующий и неинвертирующий драйверы, промышленный контроллер и мультивибратор связаны шиной питания с положительной клеммой источника питания постоянного тока, общая клемма которого соединена с общей клеммой нормирующего преобразователя, с общими выводами инвертирующего и неинвертирующего драйверов и с общими выводами промышленного контроллера и мультивибратора. Вход источника питания постоянного тока подключен к фазе трехфазной сети переменного тока, три фазы которой соединены посредством трехфазного трансформатора через диодные выпрямители и батарею электролитических конденсаторов ее положительным выводом с одной из клемм резистивного нагревателя. Его вторая клемма связана со стоками обеих групп мощных полевых транзисторов, истоки которых совместно с общими клеммами инвертирующего и неинвертирующего драйверов, отрицательным выводом батареи электролитических конденсаторов и средними точками вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены между собой и с корпусом устройства. В результате расширяется временной диапазон рабочих токов групп полевых транзисторов, увеличивается управляемая мощность электронагрева. 1 ил.

Устройство регулирования температуры электронагрева, состоящее из промышленного контроллера, мультивибратора, мощных полевых транзисторов, термопары, нормирующего преобразователя, источника питания постоянного тока, трехфазного трансформатора, диодных выпрямителей, батареи электролитических конденсаторов, отличающееся тем, что содержит две параллельно включенные группы мощных полевых транзисторов, причем затворы первой и второй групп мощных полевых транзисторов соединены через токоограничивающие резисторы с выходами инвертирующего и неинвертирующего драйверов соответственно, выход мультивибратора подключен к информационным входам инвертирующего и неинвертирующего драйверов, разрешающие входы которых подсоединены к выходу промышленного контроллера, входы последнего связаны через нормирующий преобразователь с выходом термопары, при этом нормирующий преобразователь, инвертирующий и неинвертирующий драйверы, промышленный контроллер и мультивибратор связаны шиной питания с положительной клеммой источника питания постоянного тока, общая клемма которого соединена с общей клеммой нормирующего преобразователя, с общими выводами инвертирующего и неинвертирующего драйверов и с общими выводами промышленного контроллера и мультивибратора, а вход источника питания постоянного тока подключен к фазе трехфазной сети переменного тока, три фазы которой соединены посредством трехфазного трансформатора через диодные выпрямители и батарею электролитических конденсаторов ее положительным выводом с одной из клемм резистивного нагревателя, а его вторая клемма связана со стоками обеих групп мощных полевых транзисторов, истоки которых совместно с общими клеммами инвертирующего и неинвертирующего драйверов, отрицательным выводом батареи электролитических конденсаторов и средними точками вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены между собой и с корпусом устройства.