Устройство для регулирования температуры Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 

lien Uo II

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее источник сетевого напряжения., широтно-импульсный преобразователь, а также. ,подключенные к его первому входу измepительный блок и к его выходу ЙО-Г/ К - - |3 SSR lHOitikA ключевой элемент, отличающ а е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, -оно .содержит включенные последовательно выпрямитель, интегратор, нуль-орган, первый формирователь импульсов, Триггер )Л делитель частоты, входом подключенный к второму входу широтно-импульсного преобразователя, а также второй формирователь импуль- сов, входом соединенный с входом выпрямителя и выходом источника сетевого напряжения, первым выходом с вторым входом триггера, вторым jвыходом - с третьим входом .широтноимпульсного преобразователя, причем i первый вход триггера связан с вто:рым входом интегратора. (Л

Фиг J

to ч|

Изобретение относится к автомат ческому управлению и может быть ис пользовано в широтно-импульсных си темах регулирования температуры, а также для автоматического регулиро вания мощности других объектов. Известно устройство для регулирования температуры, использующее способ широтно-импульсного регулирования температуры ClJ.Недостатком этого устройства яв ляется низкая точность регулировани вследствие зависимости выходной мощ ности и регулируемой температуры от колебаний.напряжения сети. При изменении напряжения сети на -t 15% выходная мощность такогЪ устройства изменяется на 32% от номинального значения. Известно устройство для регулирования температуры, осуществляющее широтно-импульсное регулирование температуры, причем выходная мощность этого устройства и регулируемая температура не зависят от колебаний напряжения сети 2 3, Однако это устройство, и в частности его задающий блок, является аналоговым, что затрудняет исполь.зование еро в автоматизированных системах управления. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство- для регулирования температуры, содержащее измерительный блок, подключенный к входу широтноимпульсного преобразователя, выход которого подключен через блок управ ления к входу ключевого элемента, и контур регулирования по отклонению напряжения сети, содержащий источник опорного напряжения, преобразователь напряжения, второй широтно-импудьсный преобразователь, второй блок управления, элемент сравнения, схему И и второй ключево элемент. Это устройство осуществляе регулирование широтнр-импульсным сп собом, причем период работы устройства синхронизирован по заданному числу полупериодов напряжения сети, длительность включения нагревателя в течение одного периода работы устройства пропорциональна величине рассогласования заданной ирегулируемой температуры, а длитель ность включения нагревателя в каждом полупериоде сетевого напряжения зависит от амплитуды напряжения сети так, что эффективное значение напряжения на нагревателе в течение каждого полупериода сети остается неизменным, СЗ, Недостатком этого устройства является использование фазового регулирования, при котором переключение силового ключевого элемента в каждом полупериоде сетевого- напряжения происходит в моменты, не совпадающие с моментами перехода напряжения сети через ноль, что приводит к появлению помех. Помехи вызывают сбои цифровых узлов устройства, мощные помехи, возникающие при коммутации мощных токовых сигналов (до 100 А и-более) приводят к отказу цифровых элементов устройства, и то и другое снижает надежность системы регулирования. Цель изобретения - повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования температуры, содержащее источник сетевого- напряжения, широтно-импульсный преобразователь, а также подключенные к его первому входу измерительный блок и к его выходу - ключевой элемент, введены включенные последовательно выпрямитель, интегратор, нуль-орган, первый формирователь импульсов, триггер и делитель частоты, входом подключенный к второму входу широтноимпульсного преобразователя, а также второй формирователь импульсов, входом соединенный с входом выпрямителя и выходом источника сетевого напряжения, первым выходом - с вторым входом триггера, вторым выходом - с третьим входом широтноимпульсного преобразователя, причем первый вход триггера связан с вторым входом интегратора. Исключение влияния колебаний напряжения сети на выходную мощность устройства осуществляется благодаря тому, что период работы устройства является функцией напряжения сети. Повышение надежности устройства достигается за счет того, что в каждом периоде работы устройства, синхронизированном сетью, нагреватель включен в течение целого числа полупериодов сетевого напряжения, а изменение длительности и периода выходного широтно-импульсного сигнала происходит дискретно, также на целое число полупериодов напряжения сети. -При этом переключения силового ключевого элемента происходят при напряжении сети, равном нулю, что исключает появление помех. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для регулирования температуры; на фиг.2 - временные диагра1Ф1ы, поясняющие формирование импульсов цикла; на фиг.З - пример реализации интегратора, нуль-органа и первого формирователя импульсов. Устройство для регулирования температуры состоит из измерительного блока 1, широтно-импульсного преобразователя 2, ключевого элемента 3, выпрямителя 4, интегратора 5, нуль-органа 6, первого формирователя 7 импульсов, триггера 8, делителя 9 частоты и второго формирователя 10 импульсов. Широтно-импульсный преобразователь 2 может быть построен, например, как реверсивный счетчик, последовательный выход которого подключен к R-входу RS-тригера, на S-вход которого поступают импульсы цикла.

Выпрямитель 4 может быть реалиsoBaHj например, как выпрямитель низкой частоты с RC-фильтром на выходе

Пример реализации интегратора 5, нуль-органа б и первого формирователя 7 импульсов приведен на фиг.З.

В качестве триггера 8 может быть использован D-триггер.

Делитель 9 частоты может быть выполнен как вычитающий счетчик с обратной связью. Коэффициент деления п делителя 9 частоты может быть задан с помощью числа, записываемого в него по параллельному входу.

Второй формирователь 10 импульсов может быть построен как усилитель-ограничитель синусоидального напряжения, вырабатывающий короткие (например, 1 мс) импульсы частотой 50 Гц (на выходе 1) и 100 Гц (на выходе 2).

Устройство работает следующим образом.

При появлении импульса цикла на выходе делителя 9 частоты в.широтноимпульсный преобразователь 2 записывается код числа, пропорционального отклонению температуры в-рабо чем объеме от заданной, поступающий с выхода измерительного блока 1 на первый (суммирующий) вход широтно-импульсного преобразователя 2

Записанное в широтцо-импульсном преобразователе 2 число считывается до нуля импульсами частотой 100 Гц, поступающими с второго выхода формирователя 10 импульсов на третий. (вы итайЩий) вход широтноимпульс ного преобразователя 2.

На выходе щиротно-импульсного преобразователя 2 формируются импульсы, в течение которых через ключевой элемент 3 в нагрузку проходит .ток. Длительность тих импульсов изменяется пропорционально ве личине отклонения температуры в рабочем объеме от заданной с дискретностью изменения в один полупериод напряжения сети. Период выходных импульсов широтнр-импульсного преобразователя 2 равен периоду импульсов цикла.

Формирование импульсов цикла поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2.

На инвертирующий вход интегратора .5 поступает стабилизированное

напряжение и . На неинвертирующий вход интегратора 5 с выхода выпрямителя 4 поступает выпрямленное нестабилизированное напряжение сети KUp ,(где К - коэффициент пропорциональности; УП напряжение сети).

Интегратор 5, входное напряжение которого (,-KUj,, вырабатывает линейно возрастающее напряжение (фиг.2а), которое нуль- органом б сравнивается с пороговым напряжением Up. В момент равенства напряжений Ug, (t) и U,, с выхода нуль-органа б выдается импульс (фиг.26), запускающий.первый формирователь 7 импульсов, например ждущий мультивибратор, который вырабатывает импульсы (фиг.2в) длительностью не менее периода напряжения сети (0,02с). По заднему фронту выходного импульса первого формирователя 7 импульсов выходное напряжение интегратора 5 сбрасывается до значения KU (фиг.2а). Крутизна и начальное значение выходного напряжения интегратора 5 пропорциональны напряжению сети, а следовательно, и период ( Up) выходных импульсов нуль-рргана б и первого формирователя 7 импульсов является функцией напряжения сети.

Выходной сигнал первого формиро вателя 7 импульсов поступает на D-вход D-триггера 8, синхронизирр- ванного импульсами частотой 50 Гц (фиг.2д), -поступающими с первого выхода второго формирователя 10 импульсов на С-вход D-триггера 8.

С выхода D-триггера В импульсы (фиг.2е), период которых t (U , f) является.функцией напряжения сети

1и синхронизирован сетью, поступают на последовательный вход делителя 9 частоты. На выходе делителя 9 частоты формируются импульсы цикла, 5 период которых Тц п (и„,„) является функцией напряжения сети и синх 5онизирован сетью.

изменении напряжения сети на tl5% период Тц импульсов цикла изменяется так, что выходная мощность с тх5чностью до 2,25% остается по стоянной. Дейст:9ительно, как видно из фиг.1 и 2 выходное напряжение интегратора 5 .

5 ,-( -HI

где t - длительность выходных импульсов интегратора 5, равная периоду выходных импуль0 сов нуль-органа б;

f - постоянная времени интегратора 5 ;

Uji - напряжение питания (сети) ; К - коэффициент передачи напря5 жения питания.

и

сг

(2)

«

ZUH ..

где UH номинальное напряжение

сети ; - стабилизированное на.пряжение.

Подставляем значение выражение (1) и находим из него длительность выходных импульсов интегратора 5

импульсов цикла

п

(i Т nt txt

UcT-Xl n

где п - коэффициент деления делителя 9 частоты.

Средняя мощность нагревателя при широтно-импульсном регулировании выражается формулой

(4)

где t, - длительность выходного

широтно-импульсного Сигнала;

R - сопротивление нагревателя. Подставив выражения (2) и (3) в выражение (4), получим

- ti.tJH / п

Обозначим

тогда

)

(51

При номинальном напряжении сети И„ Uu.,выходная мощность

Р.. Си.

н

При изменении напряжения сети на величину U относительное изме, некие выходной

4Р .

и

н

н

При изменении напряжения сети на 15% и 0,15%,

|Р .)

-100% 2,25%.

н

Таким образом, устройство, осуществляя регулирование температуры (мощности) с высокой точностью, обла5 дает высокой надежностью благодаря использованию выпрямителя, интегратора, нуль-органа, триггера, делителя частоты, первого и второго формирователей импульсов, так как

0 компенсация изменений напряжения сети производится путем соответствующих изменений периода выходного широтно-импульсного сигнала, а все изменения периода и длительности

5 этого сигнала происходят дискретно, на величину, кратную целому числу полупериодов напряжения сети, вследствие чего силовой ключевой элемент переключается при напряжении

Q сети, равном нулю, исключает появление помех, а следовательно, повышает надежность системы регулирования. Кроме того, при использовании предлагаемого устройства появляется возможность цифрового регулирования периода Тм выходного сигнала пользователем (вручную и автоматически) , что позволяет применять устройство для регулирования температуры широкого класса объектов,

т.е. расширяет его эксплуатационные возможности.

Применение изобретения дает экономический эффект за счет отказа от специальных мер по защите от по5 мех (дополнительного экранирования цифровых узлов, фильтров, экранированных кабелей и т.п.), приводит к облегчению системы регулирования.

Фиг.г