ОБОГРЕВАТЕЛЬ
HEATER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области силовой преобразовательной техники, и может быть использовано в устройствах, преобразующих электрическую энергию в тепловую.
Известны обогреватели, в которых используются термовыключатели на основе биметаллических пластин [1, 2]. Основными недостатками данных устройств являются относительно низкая надежность, невысокая точность поддерживаемой температуры, широкая зона гистерезиса.
Известны обогреватели, в которых величина тока через нагревательный элемент регулируется симистором, а контроль осуществляется внешним устройством на основе микропроцессора [1, 2]. Эти обогреватели имеют следующие недостатки.
1. Относительно низкая надежность, так как отказ всего одного элемента способен привести к превышению предельно допустимой температуры.
2. Низкое значение максимальной температуры радиатора, всего 90, а не 135 градусов Цельсия.
3. К радиатору подводится дорогостоящий термостойкий кабель, состоящий не только из силовых, но и ряда информационных проводников.
4. Высокая себестоимость и сложность изготовления.
Прототип [3] имеет относительно низкую надежность, так как отказ всего одного элемента  способен привести к превышению предельно допустимой температуры.
Цель изобретения - повышение надежности и уменьшение потерь электрической энергии в режиме «ожидания».
Указанная цель достигается тем, что:
1. Обогреватель, питающий кабель которого, состоящий из трех проводников, подводится к защитному корпусу, внутри которого находится первая схема управления, а из защитного корпуса выходит соединительный кабель, состоящий из четырех проводников, два из которых связаны с напряжением сети, один с заземлением, и один с цифровым выходом первой схемы управления, с другого конца кабеля, проводники, связанные с напряжением сети, подключены через первый и второй ключевые элементы к нагревательному элементу, проводник заземления подключен к радиатору, а проводник, связанный с цифровым выходом первой схемы управления, подключен к первому входу второй схемы управления, у которой первый выход подключен к входу первого ключевого элемента, второй вход через первую схему гальванической развязки связан с первым выходом третьей схемы управления, а второй выход второй схемы управления, через вторую схему гальванической развязки, подключен к входу третьей схемы управления, своим вторым выходом связанную с входом второго ключевого элемента.
2. Обогреватель по п. 1, вторая и третья схемы управления которого включают в себя устройства, вырабатывающие короткие импульсы в начале каждого полупериода напряжения сети.
3. Обогреватель по п. 1, схема гальванической развязки которого состоит из генератора коротких импульсов, подключенного к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого, через выпрямитель с времязадающими цепями, подключена к компаратору.
На фиг. 1 показана функциональная схема обогревателя.
Обогреватель, питающий кабель 1 которого, состоящий из трех проводников, подводится к защитному корпусу 2, внутри которого находится первая схема управления 5, а из защитного корпуса 2 выходит соединительный кабель 3, состоящий из четырех проводников, два из которых связаны с напряжением сети: один с заземлением и один с цифровым выходом первой схемы управления 5, с другого конца кабеля, проводники, связанные с напряжением сети, подключены через первый 10 и второй 12 ключевые элементы к нагревательному элементу 11, проводник заземления подключен к радиатору 4, а проводник, связанный с цифровым выходом первой схемы управления 5, подключен к первому входу второй схемы управления 6, у которой первый выход подключен к входу первого ключевого элемента 10, второй вход, через первую схему гальванической развязки 7 связан с первым выходом третьей схемы управления 9, а второй выход второй схемы управления 6, через вторую схему гальванической развязки 8, подключен к входу третьей схемы управления 9, своим вторым выходом связанную с входом второго ключевого элемента 12.
Работает обогреватель следующим образом.
Если температура окружающей среды выше заданного, относительно низкого значения, первая схема управления 5 вырабатывает сигнал, который, проходя через вторую схему управления 6, поддерживает первый ключевой элемент 10 в закрытом состоянии. Этот же сигнал с первой схемы управления 5, проходя через вторую схему управления 6, второй элемент гальванической развязки 8 и третью схему управления 9, поддерживает второй ключевой элемент 12 в закрытом состоянии.
Если температура окружающей среды ниже заданного значения, первая схема управления 5 вырабатывает сигнал, который позволяет второй 6 и третьей 9 схемам управления открывать ключевые элементы 10 и 12, соответственно.
Если температура радиатора 4 ниже заданного, относительно высокого значения, схемы управления 6 и 9 поддерживают ключевые элементы 10 и 12 в открытом состоянии, соответственно. Температура радиатора 4 повышается, и, достигнув запрограммированного в схемах управления 6 и 9 значений, срабатывает сначала одна из схем управления 6 или 9, затем вторая, хотя настроены обе приблизительно на одинаковую температуру. Это объясняется тем, что невозможно абсолютно точно выставить температуры срабатывания. Только при условии срабатывания обеих схем управления, и 6, и 9, произойдет одновременное выключение ключевых элементов 10 и 12 и температура радиатора начинает понижаться. Зона гистерезиса определяется параметрами схем управления и особенностями конструкции.
В случае отказа любого одного элемента обогревателя, например ключевого элемента 10, третья схема управления 9 будет стабилизировать температуру радиатора 4 и не позволит температуре радиатора превысить максимально допустимую величину.
В элементе гальванической развязки 7 нет принципиальной необходимости, его задача заключается в обеспечении работоспособности второй схемы управления 6, если в ней отказал датчик температуры и синхронного включения и выключения ключевых элементов.
В случае использования в качестве силовых ключей симисторов, для снижения средних значений токов потребления второй и третьей схем управления, целесообразно во вторую и третью схемы управления установить устройства, вырабатывающие короткие импульсы в начале каждого полупериода напряжения сети, которые разрешают подавать напряжения на управляющие выводы симисторов. Это позволяет уменьшить мощность и объем источников питания второй и третьей схем управления.
При использовании в качестве силовых ключей полевых транзисторов, радиатор должен быть рассчитан так, чтобы его температура во всех возможных условиях эксплуатации не превысила предельно допустимую температуру, при подаче на него четверти от максимально возможной мощности.
Крайне непросто найти оптроны, работающие при температуре 135 градусов Цельсия. Поэтому, в частности, предлагается использовать схемы гальванической развязки, состоящие из генератора коротких импульсов, подключенного к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого, через выпрямитель с времязадающими цепями, подключена к компаратору. Кроме повышения рабочей температуры предлагаемая структура канала передачи цифровой информации имеет важное преимущество, заключающееся в том, что ток потребления уменьшается, практически, на порядок, по сравнению с оптроном.
Предлагаемый обогреватель имеет более высокую надежность по сравнению с прототипом, так как отказ любого одного элемента обогревателя не приводит к превышению максимально допустимой температуры.
Объем и масса предлагаемого обогревателя значительно меньше, чем у аналогов, так как отдача радиатором тепловой энергии при температуре 135 градусов происходит эффективнее, чем при 90 градусах Цельсия.
Кроме того, можно видеть, что предлагаемый обогреватель имеет более низкую стоимость по сравнению с аналогами, даже сделанными на основе биметаллических пластин [4].
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. http://www.rizur.ru/cat_osha.htm.
2. http://www.neotechnology.ru/products/view/1428.
3. Патент РФ №151977.
4. http://www.chipfind.ru/search/?part=1NT01L-6870.