ПОРТАТИВНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОРТАТИВНЫМ ИНДУКЦИОННЫМ ОБОГРЕВАТЕЛЕМ Российский патент 2024 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к электротехническим устройствам, обеспечивающим обогрев помещений, нагрев оборудования.

Наиболее близким по технической сущности является индукционный нагреватель (патент RU 197581, опубл. 15.05.2020 Бюл. № 14), содержащий расположенные в корпусе выпрямитель, инвертор, трансформатор, узел крепления сменных индукторов, крепежные элементы, индуктор, дополнительно содержит автогенераторную полумостовую схему с резонансными конденсаторами в первичной обмотке трансформатора. Недостатком данного технического решения является отсутствие цифрового управления источника питания и корректировки задающего ШИМ - сигнала на силовые транзисторы, отсутствие отслеживания управления температурных режимов, отсутствие защиты от перепадов напряжения и коротких замыканий.

Существующие на рынке обогревательные системы потребляют большое количество электроэнергии.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка индукционного обогревателя с низким энергопотреблением с цифровым управлением.

Техническим результатом является низкое энергопотребление, высокая эффективность нагрева, высокий КПД относительно затраченной энергии, достижимое благодаря программно - цифровому управлению.

Заявленный технический результат достигается тем, что портативный индукционный обогреватель состоит из основной плиты, состоящая из передней и задней частей, ответной пластины индуктора, расположенной на задней части основной плиты, катушки индуктора, защитной панели, закрывающей катушку индуктора, и блока управления, при этом блок управления состоит из силовой части импульсного блока питания, включающая сетевой фильтр, инвертор, силовые трансформаторы, выходной трансформатор и сглаживающий выходной фильтр, датчиков температуры, расположенных на основной плите обогревателя, преобразователя пятивольтовой шины питания микроконтроллера, обеспечивающего снижение входного значения выходного напряжения с 40 В до 5 В при сохранении значения силы тока 3 А, микроконтроллера, силового модуля индуктора, представляющего собой тактовый генератор резонанса между двумя транзисторами и состоящий из IGBT-ключей и трансформаторов, Wi-Fi модуля.

Также заявленный результат достигается тем, что способ управления портативным индукционным обогревателем, включающим основную плиту, состоящую из передней и задней частей, ответную пластину индуктора, расположенную на задней части основной плиты, катушку индуктора, защитную панель, закрывающую катушку индуктора, и блок управления, состоящий из силовой части импульсного блока питания, включающей сетевой фильтр, инвертор, силовые трансформаторы, выходной трансформатор и сглаживающий выходной фильтр, датчиков температуры, расположенных на основной плите обогревателя, преобразователя пятивольтовой шины питания микроконтроллера, обеспечивающего снижение входного значения выходного напряжения с 40 В до 5 В при сохранении значения силы тока 3 А, микроконтроллера, силового модуля индуктора, представляющего собой тактовый генератор резонанса между двумя транзисторами и состоящий из IGBT-ключей и трансформаторов, Wi-Fi модуля, включающий этапы, на которых подается питание на сетевой фильтр, где осуществляется выравнивание до постоянного тока, с последующим доведением до высокой частоты, микроконтроллер отслеживает входное напряжение по шунту и выходное напряжение по шунту, микроконтроллер опрашивает датчики температуры, микроконтроллер задаёт частоту и скважность ШИМ управления выходного напряжения блока питания на основании произведенных расчетов, полученных с датчиков и разнице мониторинга потенциалов, микроконтроллер отслеживает частоту, скважность и амплитуду на входе и выходе IGBT-ключей и вносит коррективы работы, меняя частоту, скважность и амплитуду управления IGBT-ключей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которой изображены:

на фиг.1 - общая схема устройства

на фиг.2 - общий вид задней части основной плиты

на фиг.3 - общий вид передней части основной плиты

на фиг.4 - вид сверху на основную плиту

на фиг.5 - изображена принципиальная электрическая схема, поясняющая работу устройства,

на фиг.6 - основная схема работы силовой части импульсного блока.

Работа портативного индукционного обогревателя обеспечивается программно - аппаратным комплексом, который отслеживает входное напряжение, генерирует нужный управляющий сигнал для IGBT-транзистора, который в свою очередь управляет индуктивной катушкой. В следствии чего производится контролируемый нагрев части отопительного прибора.

Портативный индукционный обогреватель состоит из основной плиты 1, ответной пластины индуктора 2, катушки индуктора 3, защитной панели 4 и блока управления. Обогреватель работает от сети с напряжением от 220В с защитой от перепадов напряжения от 110В до 280В. Все элементы соединены между собой крепежными элементами, в основном болтами.

Основная плита 1 состоит из двух частей: передней и задней. Задняя часть имеет выемку (углубление) для размещения в ней ответной пластины индуктора, а передняя часть выполнена с ребрами.

Ответная пластина индуктора 2 выполнена из стали 60Х.

Катушка индуктора 3 выполнена из медной витой пары.

Защитная панель 4 закрывает катушку индуктора.

Блок управления состоит из силовой части импульсного блока питания (силовой трансформатор) 5, датчиков температуры 6, преобразователя 7, микроконтроллера 8, силового модуля индуктора 9, индуктора 10, Wi-Fi модуля 11.

Силовая часть импульсного блока питания включает трансформаторы, конденсаторы, резисторы, диодные мосты, предохранители, транзисторы. На входе понижающего трансформатора TV1 установлен предохранитель 5А, на входе 12 понижающего трансформатора TV1 установлен терморезистор 10 Ом, между входами 12 и 13 понижающего трансформатора TV1 установлен конденсатор С1, на выходе понижающего трансформатора TV1 между выходами 14 и 15 установлен конденсатор С2. Выходы 14 и 15 понижающего трансформатора TV1 соединены со входами 18 и 19 диодного моста DM1. Входы диодного моста 18 и 19 подключены к понижающему преобразователю 7. Выход 16 диодного моста DM1 соединен со стоком транзистора VT1, выход 17 диодного моста DM1 соединен с истоком транзистора VT2. Между выходами 16 и 17 моста DM1 подключены конденсаторы С3 и С4. Конденсатор С6 подключен одной стороной между конденсаторами С3 и С4, второй стороной на входе трансформатора/стабилизатора TV2. Затвор транзистора VT1 через резистор R2 подключен ко входу 22 задающего трансформатора TV3. Затвор транзистора VT2 подключен через резистор R3 на выходе 24 задающего трансформатора/стабилизатора TV3. Выход 25 трансформатора/стабилизатора TV3 подключен между выходом 17 диодного моста DM1 и истоком транзистора VT2. Конденсатор С7 подключен через резистор R4 между входами 26 и 27 трансформатора TV2. Выход 28 трансформатора TV2 через стабилитрон VD1 подключен к дросселю L1 и L2. Выход 30 трансформатора TV2 через стабилитрон VD2 подключен между стабилитроном VD1 и дросселем L1. Выход 29 трансформатора TV2 подключен к шунтовому резистору R5. Конденсатор С8 одной стороной подключен к выходу 29 трансформатора/стабилизатора TV2, второй стороной между дросселями L1 и L2. Конденсатор С9 одной стороной подключен к выходу 29 трансформатора/стабилизатора TV2, второй стороной к выходу дросселя L2. Конденсатор С5 подключен одной стороной к выходу 17 диодного моста DM1, другой стороной к общей массе. Вход 20 трансформатора TV3 через шунтовый резистор R1 подключен к выходу GDT1 микроконтроллера 8. Выход 21 трансформатора TV3 подключен к входу GDT2 микроконтроллера 8.

Силовая часть импульсного блока питания преобразует 220 В переменного тока в постоянный ток от 12В до 30В в зависимости от условий нагрева индуктора и температуры нагревателя. Основная схема работы силовой части импульсного блока представлена на фиг.6, где 34 - сетевой фильтр, 35 - выпрямитель, 36 - инвертор, 37 - выходной фильтр, 8 - микроконтроллер, обеспечивающий управление инвертором.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи. Сетевой фильтр, включающий трансформатор TV1, диодный мост DM1, конденсаторы C1 и C2, пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи. Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром, он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Инвертор, включающий конденсаторы С3, С4, С5, резистор R1, трансформатор TV3, резисторы R2, R3, транзисторы VT1, VT2, конденсаторы C6, C7, резистор R4, стабилитроны VD1, VD2, дроссели L1, L2, конденсаторы C8, C9, из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы. Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор TV2, который видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного трансформатора/выпрямителя TV3. Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр, включающий стабилитроны VD1, VD2, дроссели L1, L2, конденсаторы C8, C9. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины. Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи (микроконтроллер STM32F411 обеспечивает отслеживание уровней GDT и шунт выходного напряжения) реализованной в блоке управления инвертора, она компенсирует все просадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок. Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, который в свою очередь защищает от скачков напряжения и короткого замыкания. Набор конденсаторов развязки С1, С2 сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи (внутри модуля STM32F411 (внутри микроконтроллера)) обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Основу фильтра составляет трансформатор TV2 выполненный двумя обмотками на одном сердечнике. Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля, в то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети. Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Между потенциалами земли с нулем и фазой установлены конденсаторы, которые при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 Вольт на корпус прибора. Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 Вольт.

Датчики температуры 6 установлены в трёх местах нагревателя на основной плите на равном расстоянии друг от друга в верхней, средней и нижней частях. Расстояние между датчиками определяется ровно пропорционально размерам обогревателя. Датчики температуры соединены с микроконтроллером. Микроконтроллер благодаря датчикам температуры отслеживает равномерность нагрева и разности температур для внесения коррективов выходного напряжения блока питания. Используются в основном датчики температуры DS18B20, диапазон: - 55…125°C, точность: 0,5°C, с периодом выдачи результата (750 мс при точности 12 бит) и (94 мс при точности 9 бит). Термотермистор Т1 подключен одной стороной ко входу аналогового-цифрового преобразователя АЦП 31 микроконтроллера 8, второй стороной к общей массе. Термотермистор Т2 подключен одной стороной ко входу АЦП 32 микроконтроллера 8, второй стороной к общей массе. Термотермистор Т3 подключен одной стороной ко входу АЦП 33 микроконтроллера 8, второй стороной к общей массе.

Преобразователем 7 является преобразователь пятивольтовой шины питания микроконтроллера. С его помощью входное значение выходного напряжения снижается от 40 В до 5 В, при этом сохраняется одно значение тока в 3 А. Преобразователь выходом -5V подключен к микроконтроллеру 8 к -5V, а выходом +5V подключен к микроконтроллеру 8 к +5V.

В качестве микроконтроллера 8 используется микроконтроллер STM32F411, который осуществляет все алгоритмы технического процесса. Выход шунт1 микроконтроллера 8 соединён с выходом шунтового резистора R5. Выход U_exit микроконтроллера подключен к выходу дросселя L2. Выход RESET микроконтроллера подключен ко входу RESET Wi-Fi модуля 11. Выход протокольного двустороннего канала I2C микроконтроллера подключен ко входу двустороннего канала Wi-Fi модуля. Выход 3.3V микроконтроллера 8 подключен ко входу 3.3V Wi-Fi модуля. Выход шунт2 микроконтроллера 8 подключен к соединению резистора R6, стабилитрона VD3, диода D1 силового модуля индуктора 9.

В алгоритм работы микроконтроллера входит отслеживание и корректировка задающего сигнала ШИМ R1 по обратной связи GDT, отслеживание малейшего отклонения потенциала инвертора R5, отслеживание разницы температур с датчиков Т1, Т2, Т3, с последующим отслеживанием и корректировкой работы на входе тактового генератора R6, D1, VD3. Микроконтроллер является материнским интерфейсом для модуля ESP8266 (Wi-Fi модуля 11), который подключен по шине данных I2C. Плата микроконтроллера STM32F411 имеет встроенный понижающий блок питания, который выдает 3,3В для питания модуля ESP8266.

Силовой модуль индуктора (задающий генератор индукционного нагревателя) 9 представляет собой тактовый генератор резонанса между транзисторов VT3 и VT4 и состоит из IGBT-ключей и трансформаторов. Под управлением микроконтроллера 8 тактовый генератор задает тактовую частоту на транзисторы VT3 и VT4 от 150 до 400 Гц. Набор ёмкостей служит для увеличения добротности дросселей L3 и L4. Дроссель L4 подключен одной стороной к выходу дросселя L2. Дроссель L3 подключен к выходу дросселя L2. Резистор R6 подключен к выходу дросселя L2. Резистор R7 подключен к выходу дросселя L2. Выходы дросселей L4 и L3 параллельно подключены к конденсаторам С10, С11, С12, С13, С14, С15 для улучшения добротности индукционной катушки. Индукционная катушка одной стороной подключена к выходу дросселя L3, другой стороной к выходу дросселя L4. Диод D1 подключен к выходу дросселя L4 и к стоку транзистора VT4. Диод D2 подключен одной стороной к резистору R7, стабилитрону VD4, резистору R9, затвору транзистора VT4; другой стороной подключен к стоку транзистора VT3. Диод D1 подключен к стабилитрону VD3, резистору R8 и к затвору транзистора VT3; другой стороной подключен к дросселю L4 и стоку транзистора VT4. К общей массе подключены выходы следующих элементов: стабилитрон VD3, резистор R8, транзистор VT3, стабилитрон VD4, резистор R9, транзистор VT4.

Индуктор 10 предназначен для нагрева отопительного прибора. В качестве индуктора используется безмагнитная индукционная катушка планшетного типа. Катушка индуктора подключена к дросселям L3 и L4.

WI-FI модуль 11 служит для соединения с любым гаджетом: телефоном, планшетом, станцией наподобие станции Алисы, Маруси, или любой другой контрольной панелью. Предпочтительно используется микроконтроллер ESP8266.

Общение микроконтроллера и Wi-Fi модуля по скоростному протоколу I2C осуществляется следующим образом: шина I2C синхронная, состоит из двух линий (данных (SDA)-(Serial DAta) и тактирования (SCL)-(Serial CLock)). Есть ведущий (master) (Головное устройство, задающее инструкции работы для slave) и ведомые (slave) (Ведомое устройство, принимающее инструкции от master). Инициатором обмена всегда выступает ведущий, обмен между двумя ведомыми невозможен. Всего на одной двухпроводной шине может быть до 127 устройств. Такты на линии SCL генерирует master. Линией SDA могут управлять как мастер, так и ведомый, в зависимости от направления передачи. Единицей обмена информации является пакет, обрамленный уникальными условиями на шине, именуемыми стартовым и стоповым условиями. Мастер в начале каждого пакета передает один байт, где указывает адрес ведомого и направление передачи последующих данных. Данные передаются 8-битными пакетами. После каждого пакета передается один бит подтверждения приема (контрольная сумма) приемной стороной.

Устройство работает по следующему алгоритму:

- подается питание на сетевой фильтр, где осуществляется выравнивание до постоянного тока, с последующим доведением до высокой частоты,

- микроконтроллер отслеживает входное напряжение по шунту и выходное напряжение по шунту,

- микроконтроллер опрашивает датчики температуры до 120 раз в минуту (все датчики одновременно), выводит среднее арифметическое значение;

- микроконтроллер задаёт частоту и скважность ШИМ управления выходного напряжения блока питания на основании произведенных расчетов, полученных с датчиков и разнице мониторинга потенциалов (получают значения в целых числах с каждого датчика индивидуально и на основе полученных данных выводится алгоритм к следующим действиям),

- микроконтроллер отслеживает частоту, скважность и амплитуду на входе и выходе IGBT-ключей и вносит коррективы работы, меняя частоту, скважность и амплитуду управления IGBT-ключей.

Устройство имеет ряд предохранительных функций:

- Защита от скачков и перепадов напряжения входной сети;

- Защита от короткого замыкания на индукторе;

- Защита от короткого замыкания на выходе блока питания;

- Защита от перегрева индуктора;

- Защита от перегрева IGBT ключей.

Разработанный обогреватель потребляет от 310 до 240 Вт, при этом устройство нагревается до 110°С, работая без сбоев.

Устройство работает следующим образом. Входящие 220 вольт выравнивается до постоянного тока. Далее доводятся («разгоняются») до высокой частоты, при этом микроконтроллер в реальном времени отслеживает входное напряжение по шунту и выходное напряжение по шунту, снимает показатели температуры с датчиков. Когда температура поднимается, данные на втором шунте (шунт 2 на фиг.5) начинают меняться, если есть короткое замыкание, то на шунте появляются сильные помехи и микроконтроллер выключает ШИМ-генератор и питание перестает идти. Стартовый ток является большим для того, чтобы максимально быстро нагреть устройство, потом устанавливается ток поддержания. Основная экономия заключается в том, что вначале использования устройство нагревается очень быстро, а поддержание температуры не требуется большого количества энергии. Микроконтроллер также обеспечивает отслеживание неисправностей. Если есть просадка по напряжению микроконтроллер вносит корректировки в задающий ШИМ сигнал для высокочастотного блока питания. Если есть короткие замыкания, то появляются шумы, микроконтроллер выключает ШИМ генератор, т.е. пропадает генерация сигнала, пропадает питание, и устройство выключается. Когда есть короткие замыкания или большая просадка с 220 вольт, то микроконтроллер увеличивает частоту ШИМ сигнала, чтобы вырабатываемое выходное напряжение всегда было стабильным.

Таким образом, преимуществами изобретения являются:

- кратное сниженное энергопотребление, достигаемое за счёт того, что конструкция не имеет короткозамкнутого нагревательного элемента. Здесь используется индуктивная катушка и нагрев осуществляется токами ФУКО (это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока, и нагрев происходит из-за колебания молекул). Цифровые сигналы используются для отслеживания и анализа конкретных данных, путем отслеживания и корректировки их отдельных значений, этих значений может быть бесконечное число и цифровые сигналы принимаются и анализируются один за другим в режиме реального времени, что сводит к нулю мелкие огрехи управления силовыми ключами IGBT. Используя изобретение при отоплении помещения примерной площадью 15-20 м2 расходуется 250-270 Вт электроэнергии;

- высокий КПД - до 98%;

- компактность;

- инертность к перепадам напряжения, нестабильность напряжения на работе устройства не отражается, так как микроконтроллер отслеживает просадки напряжение от 110В до 280В и вносит коррективы работы;

- инерционность устройства нулевая, вся тепловая энергия тратится на повышение температуры отапливаемого помещения;

- универсальность эксплуатации, т.к. может использоваться в схемах отопления жилых и не жилых помещений;

- надежность, так как силовой блок устройства сделан из экологичных и долговечных материалов (дюраль Д16Т, сталь 4).

Изобретение относится к электротехническим устройствам, обеспечивающим обогрев помещений, нагрев оборудования. Техническим результатом является низкое энергопотребление, высокая эффективность нагрева, высокий КПД относительно затраченной энергии, достигаемые благодаря программно-цифровому управлению. Портативный индукционный обогреватель состоит из основной плиты, состоящая из передней и задней частей, ответной пластины индуктора, расположенной на задней части основной плиты, катушки индуктора, защитной панели, закрывающей катушку индуктора, и блока управления, при этом блок управления состоит из силовой части импульсного блока питания, включающей сетевой фильтр, инвертор, силовые трансформаторы, выходной трансформатор и сглаживающий выходной фильтр, датчиков температуры, расположенных на основной плите обогревателя, преобразователя пятивольтовой шины питания микроконтроллера, обеспечивающего снижение входного значения выходного напряжения с 40 В до 5 В при сохранении значения силы тока 3 А, микроконтроллера, силового модуля индуктора, представляющего собой тактовый генератор резонанса между двумя транзисторами и состоящего из IGBT-ключей и трансформаторов, Wi-Fi модуля. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Портативный индукционный обогреватель, состоящий из основной плиты, ответной пластины индуктора, расположенной на основной плите, катушки индуктора, защитной панели, закрывающей катушку индуктора, и блока управления, при этом блок управления состоит из силовой части импульсного блока питания, включающей сетевой фильтр, инвертор, задающие трансформаторы, выходной трансформатор и сглаживающий выходной фильтр, датчиков температуры, расположенных на основной плите обогревателя, преобразователя пятивольтовой шины питания микроконтроллера, обеспечивающего снижение входного значения выходного напряжения с 40 В до 5 В при сохранении значения силы тока 3 А, микроконтроллера, силового модуля индуктора, представляющего собой тактовый генератор резонанса между двумя транзисторами и состоящего из IGBT-ключей и трансформаторов, Wi-Fi модуля, кроме того, один из выходов микроконтроллера соединен с выходом шунтового резистора, подключенного к выходу выходного трансформатора, второй выход микроконтроллера подключен ко входу силового модуля индуктора, датчики температуры соединены с соответствующими входами микроконтроллера, соответствующие выходы микроконтроллера через обмотки соответствующих задающих трансформаторов подключены ко входам управления соответствующих транзисторов инвертора.

2. Портативный индукционный обогреватель по п.1, отличающийся тем, что датчики температуры установлены в трех местах нагревателя на основной плите на равном расстоянии друг от друга, в верхней, средней и нижней частях.

3. Способ управления портативным индукционным обогревателем, включающим основную плиту, ответную пластину индуктора, расположенную на основной плите, катушку индуктора, защитную панель, закрывающую катушку индуктора, и блок управления, состоящий из силовой части импульсного блока питания, включающей сетевой фильтр, инвертор, задающие трансформаторы, выходной трансформатор и сглаживающий выходной фильтр, датчиков температуры, расположенных на основной плите обогревателя, преобразователя пятивольтовой шины питания микроконтроллера, обеспечивающего снижение входного значения выходного напряжения с 40 В до 5 В при сохранении значения силы тока 3 А, микроконтроллера, силового модуля индуктора, представляющего собой тактовый генератор резонанса между двумя транзисторами и состоящего из IGBT-ключей и трансформаторов, Wi-Fi модуля, включающий этапы, на которых подается питание на сетевой фильтр, где осуществляется выравнивание до постоянного тока с последующим доведением до высокой частоты, микроконтроллер отслеживает входное напряжение по шунту и выходное напряжение по шунту, микроконтроллер опрашивает датчики температуры, микроконтроллер задает частоту и скважность ШИМ управления выходного напряжения блока питания на основании произведенных расчетов, полученных с датчиков, и разницы мониторинга потенциалов, микроконтроллер отслеживает частоту, скважность и амплитуду на входе и выходе IGBT-ключей и вносит коррективы работы, меняя частоту, скважность и амплитуду управления IGBT-ключей.