УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА
ELECTRIC HEATING TEMPERATURE CONTROL DEVICE

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.