ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ СО ВСТРОЕННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
EXPLOSION-PROOF ELECTRIC HEATER WITH INBUILT ELECTRONIC CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике, теплотехнике, а именно к конструкции электронагревателей взрывозащищенных, и может быть использовано при изготовлении электронагревателей, предназначенных для нагрева твердых, жидких, газообразных веществ (сред, продуктов). Встроенная во взрывозащищенный электронагреватель электронная система управления позволяет обеспечить необходимую температуру как нагревательных элементов электронагревателя, так и нагреваемой среды (продукта) как при нормальных, так и при аварийных режимах работы, например, при запыленности, загрязнении нагревательных элементов; при неправильной установке электронагревателя; при эксплуатация электронагревателя в условиях, отличных от нормально-допустимых; при аварийном повышении температуры нагреваемой среды (продукта); при аварийном снижении уровня нагреваемой среды (продукта) с оголением поверхности нагревательных элементов; при неисправности внешних регуляторов температуры и т.п. Также электронная система управления позволяет получать управляющие сигналы от внешних систем управления и отправлять информационные сигналы о текущих режимах работы, температурах и неисправностях.
Известно нагревательное устройство с электронной системой управления (Патент РФ №93161 на полезную модель «Регулятор температуры нагревательного устройства»). Оно содержит нагревательные элементы и указанную систему управления, которая состоит из логического устройства, соединенного с управляющим элементом, который включает или выключает нагревательное устройство, датчики температуры, данные с которых поступают на логическое устройство, а также устройство для подключения нагревательных устройств, связанное с управляющим элементом. Указанная система управления включает дистанционное устройство управления, связанное с логическим устройством и позволяющее устанавливать требуемый диапазон температур или время работы регулятора. Логическое устройство позволяет отслеживать энергопотребление от нагревательных устройств.
Недостатком указанного известного нагревателя является то, что его система управления является внешним самостоятельным изделием и не является неотъемлемой частью нагревательного устройства, что не позволяет использовать его как автономное, единое изделие. Также в известном нагревателе не контролируется температура поверхности нагревательных элементов, что не обеспечивает безопасную эксплуатацию во взрывоопасных и пожароопасных зонах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электронагреватель взрывозащищенный, состоящий из плоских нагревательных элементов, кожуха и блока управления, содержащего самовозвратный терморегулятор и невозвратный термопредохранитель (Патент РФ №92281 на полезную модель). Недостатком данной конструкции является:
- низкое быстродействие терморегулирования, что не обеспечит гарантированную защиту электронагревателя от перегрева;
- низкая надежность термовыключателей, используемых в терморегуляторе;
- невозможность изменения температуры уставки;
- при использовании в качестве силовых коммутирующих элементов - реле происходит быстрый износ контактов, но даже при использовании в качестве силовых коммутирующих элементов полупроводников при коммутации больших мощностей выделяется значительное количество тепла и температура блока управления может стать недопустимо высокой, что приведет к выходу его из строя.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении надежности электронагревателя, безопасности при эксплуатации во взрывоопасных зонах, повышенного ресурса его работы, повышенной точности поддержания и регулирования температуры нагревательных элементов и нагреваемой среды, удобства эксплуатации и монтажа.
Указанный технический результат достигается предлагаемым взрывозащищенным электронагревателем со встроенной электронной системой управления, включающим, по меньшей мере, один нагревательный элемент, жестко зафиксированный с одного или с обоих торцов в фиксирующем узле, соединительную коробку, соединенную с указанным фиксирующим узлом, и электронную систему управления, причем, согласно изобретению, электронная система управления состоит из регулятора мощности, из электрически соединенного с ним регулятора температуры и из датчика температуры, установленного внутри нагревательного элемента и электрически соединенного с регулятором температуры, при этом регулятор мощности и регулятор температуры размещены в отдельных корпусах, жестко соединенных с фиксирующим узлом или с соединительной коробкой и одновременно установленных по отношению друг к другу и к нагревательным элементам с зазором, исходя из условия обеспечения исключения влияния тепла, выделяемого регулятором мощности и нагревательными элементами, на работу регулятора температуры, причем регулятор мощности содержит силовые полупроводниковые коммутационные элементы, расположенные на внутренних стенках корпуса, а корпус регулятора мощности выполнен оребренным.
Нагревательный элемент выполнен в виде металлической оболочки с установленным в ней, по меньшей мере, одним нагревательным пакетом, который состоит из размещенного внутри электроизоляционного материала нагревательного проводника с выводами, выведенными в соединительную коробку и электрически соединенными с регулятором мощности.
При наличии в нем нагревательных элементов числом более одного они установлены с зазором друг к другу.
В качестве фиксирующего узла он содержит кожух или фланец.
В качестве датчика температуры, установленного внутри нагревательного элемента, он содержит датчик в виде термосопротивления или термопары.
Электронная система управления дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик температуры нагреваемой среды, электрически соединенный с регулятором температуры.
Датчик температуры нагреваемой среды размещен в защитной оболочке, жестко соединенной с фиксирующим узлом.
Оребренный корпус регулятора мощности выполнен из литого замкнутого профиля с ребрами или путем жесткого присоединения снаружи к корпусу алюминиевых радиаторов.
Регулятор мощности содержит цепь защиты от перегрева, защищающую его электрические и электронные элементы.
Регулятор мощности содержит элементы защиты от перенапряжений и импульсных помех, защищающие электронные элементы от воздействия сетевых перенапряжений и импульсных помех.
Пространство внутри корпуса регулятора мощности вместе с электрическими и электронными элементами залито компаундом.
Пространство внутри корпуса регулятора температуры вместе с электрическими и электронными элементами залито компаундом.
Регулятор температуры выполнен с возможностью в зависимости от температуры датчиков и уставок по определенному закону регулирования температуры, например, «ПИД» или «двухпозиционный», формировать управляющий сигнал и выдавать его по методу регулирования мощности, например «ШИМ» или «равномерное распределение мощности», на цепи управления регулятора мощности.
Регулятор температуры выполнен с возможностью приема внешних управляющих сигналов и передачи информационных сигналов.
Регулятор температуры имеет светодиодную индикацию режимов работы.
Корпус регулятора температуры установлен под корпусом регулятора мощности или сбоку от него.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого взрывозащищенного электронагревателя со встроенной электронной системой управления и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Благодаря наличию определенной конструкции взрывозащищенного электронагревателя и его конструктивным связям между его узлами обеспечивается надежная работа последнего даже в аварийной ситуации во взрывоопасных условиях.
Наличие в конструкции электронной системы управления предлагаемого электронагревателя регулятора мощности позволяет плавно регулировать электрическую мощность, подаваемую на нагревательные элементы. Использование в регуляторе мощности силовых полупроводниковых коммутационных элементов позволяет повысить надежность электронагревателя и точность регулирования за счет практически неограниченного количества и частоты коммутаций.
Выполнение корпуса регулятора мощности из, например, алюминиевого сплава с оребренной наружной поверхностью или, например, из стали с прикреплением к наружной поверхности алюминиевых радиаторов, а также размещение силовых полупроводниковых коммутационных элементов на внутренних стенках корпуса позволяет эффективно отводить и рассеивать большое количество тепла, выделяемого в процессе их работы.
Наличие в регуляторе мощности цепи защиты от перегрева позволяет исключить перегрев силовых полупроводниковых коммутационных элементов при ненормальных режимах эксплуатации, например при температуре окружающей среды выше максимально допустимой, запыленности наружной поверхности корпуса и (или) ребер, накрытие корпуса какими-либо материалами. Цепь защиты от перегрева выполнена на электрических и/или электронных элементах, которые дополнительно размыкают цепь управления силовых полупроводниковых коммутационных элементов при температуре выше максимально допустимой, как следствие, прекращается выделение ими тепла. Наличие в регуляторе мощности цепи защиты от перенапряжений и импульсных помех защищает электронные элементы электронной системы управления от выхода из строя. В целом это обеспечивает надежность работы, безопасность при эксплуатации во взрывоопасных зонах и повышает ресурс работы электронагревателя.
Наличие в конструкции электронагревателя регулятора температуры, выполненного, например, в виде электронного микропроцессорного устройства с возможностью регулирования температуры по «ПИД» (пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования) или «двухпозиционному» закону регулирования и электрически связанного с ним малогабаритного датчика температуры, установленного внутри нагревательного элемента, позволяет с высокой точностью фиксировать изменение температуры нагревательных элементов и своевременно корректировать мощность, например, по методам «ШИМ», «равномерное распределение мощности», подаваемую на них через регулятор мощности. Это позволяет повысить надежность и безопасность работы электронагревателя предлагаемой конструкции как в нормальных, так и в аварийных условиях, в том числе и во взрывоопасных зонах.
Для понимания существа вопроса следует пояснить, что основная проблема безопасной и надежной работы электронагревателя во взрывоопасных зонах связана с перегревом нагревательных элементов до температур выше критических. Такой перегрев случается при снижении уровня нагреваемой жидкости ниже уровня нагревательных элементов или при остановке обдува при нагреве принудительно движущихся воздушных масс. Учитывая, что нагреваемые жидкости и газовые среды являются воспламеняющимися, при этом может возникнуть вероятность взрыва. Вот почему наличие встроенной системы управления особенно для нагревателей жидкостей и движущихся воздушных масс позволяет практически гарантированно исключить такую аварию.
Использование в качестве датчика температуры термосопротивления или термопары в сочетании с его расположением (внутри нагревательного элемента в наиболее нагретой зоне, как правило, в верхней его части) обеспечивает малоинерционное, высокоточное измерение температуры нагревательного элемента.
Выполнение регулятора температуры с возможностью приема внешних управляющих сигналов и передачи информационных сигналов позволяет внешним автоматическим и автоматизированным системам изменять режимы работы нагревателя, температуру уставок, получать информацию о температуре нагревательных элементов и нагреваемой среды, контролировать работоспособность нагревателя и т.п. А также выполнение его со световой индикацией режимов работы и/или отображением величин измеряемых и контролируемых параметров позволяет повысить его информативность и удобство при эксплуатации.
Размещение регулятора мощности и регулятора температуры в отдельных корпусах, установленных с зазором по отношению друг к другу и к нагревательным элементам, выполнено исходя из условия минимизации влияния тепла, выделяемого регулятором мощности и нагревательными элементами, на работу регулятора температуры. Такое размещение повышает надежность и стабильность работы электронагревателя в целом, т.к. при выполнении указанного условия высокая температура регулятора мощности и нагревательных элементов не сможет повредить электронные элементы регулятора температуры.
Соединение корпусов регулятора мощности и регулятора температуры с фиксирующим узлом или с соединительной коробкой обеспечивает целостность конструкции электронагревателя и определяет его автономность, как следствие, упрощается монтаж и эксплуатация нагревателя.
Наличие во встроенной электронной системе управления датчика температуры нагреваемой среды, электрически соединенного с регулятором температуры, позволяет поддерживать температуру нагреваемой среды (продукта) в заданных пределах, т.е. обеспечивает стабильность работы электронагревателя. А размещение указанного датчика в защитной (например, в трубчатой) оболочке, жестко соединенной с фиксирующим узлом, позволяет исключить его повреждение.
Благодаря тому, что пространство внутри корпуса регулятора мощности и корпуса регулятора температуры вместе с электрическими и электронными элементами залито компаундом, обеспечивается защита указанных регуляторов от внешнего воздействия и исключается искрообразование при нештатной ситуации, а также обеспечивается создание эксплуатационно надежной конструкции этих регуляторов с высокой степенью защиты от вредного воздействия, исключающей вероятность замыкания.
Наличие в электронагревателе соединительной коробки, залитой компаундом, с соблюдением требований, предъявляемых к взрывозащищенному электрооборудованию, через которую выводы нагревательного элемента соединены с регулятором мощности, позволяет защитить эти выводы от вредного влияния внешней окружающей среды, а также гарантирует исключение замыкания и искрообразования, что обеспечивает безопасную работу электронагревателя во взрывоопасной среде.
Электронная система управления, встроенная в предлагаемый взрывозащищенный электронагреватель, отличается от других известных систем управления тем, что, во-первых, указанная система встроена в электронагреватель, т.е. является его неотъемлемой частью; во-вторых, узлы, входящие в ее структуру, являются взрывозащищенными.
Предлагаемый взрывозащищенный электронагреватель со встроенной электронной системой управления иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид электронагревателя; на фиг.2 - структурная схема узлов электронагревателя.
Предлагаемый взрывозащищенный электронагреватель со встроенной электронной системой управления содержит нагревательный элемент 1, который может быть выполнен, например, в виде металлической оболочки с установленным в ней, по меньшей мере, одним нагревательным пакетом, который состоит из размещенного внутри электроизоляционного материала нагревательного проводника с выводами, выведенными в соединительную коробку 3 и электрически соединенными с регулятором мощности 4, являющимся элементом электронной системы управления. Такой нагревательный элемент во взрывозащищенном электронагревателе может быть использован, например, в виде конструкции, описанной в полезной модели по патенту РФ №92281. Указанный нагревательный элемент 1 одним торцом или обоими закреплен в фиксирующем узле (на чертеже не показан), например, во фланце или кожухе. Электронагреватель также содержит электронную систему управления. При этом электронная система управления состоит из регулятора мощности 4, из электрически соединенного с ним регулятора 5 температуры и из датчика 6 температуры, установленного внутри нагревательного элемента 1 и электрически соединенного с регулятором 5 температуры. Причем в качестве датчика 6 температуры регулятор 5 температуры может содержать датчик в виде термосопротивления или термопары. При этом регулятор мощности 4 и регулятор 5 температуры размещены в отдельных корпусах 7 и 8 соответственно. Указанными корпусами 7 и 8 регулятор мощности 4 и регулятор 5 жестко соединены с фиксирующим узлом или с соединительной коробкой 3 и одновременно установлены друг по отношению к другу с зазором 9, исходя из условия обеспечения исключения влияния тепла, выделяемого регулятором мощности 4, на работу регулятора 5. Величина этого зазора, например, составляет 0,5 см для электронагревателя мощностью 5 кВт. Корпус 7 регулятора мощности 4 выполнен оребренным для обеспечения лучшего отвода тепла. Электронная система управления может дополнительно содержать датчик 10 температуры нагреваемой среды, электрически соединенный с регулятором 5 температуры, причем этот датчик для исключения повреждения размещают в защитной, например, трубчатой оболочке 11, жестко соединенной с фиксирующим узлом.
Элементами электронной системы управления, встроенной во взрывозащищенный электронагреватель, являются следующие.
Регулятор 5 температуры:
Электрические, электронные компоненты регулятора 5 температуры находятся в отдельном корпусе. Корпус регулятора со всеми электрическими, электронными компонентами терморегулятора заливается компаундом с соблюдением требований, предъявляемых к взрывозащищенному электрооборудованию. Корпус регулятора 5 жестко закреплен на корпусных частях электронагревателя или на соединительной коробке с необходимым зазором от нагретых частей электронагревателя и регулятора мощности 4 (для исключения чрезмерного нагрева).
Регулятор температуры выполнен в виде электронного микропроцессорного устройства с возможностью регулирования температуры по «ПИД» или «двухпозиционному» закону регулирования и выдачи управляющего сигнала и по методу регулирования мощности (например «ШИМ» или «Равномерное распределение мощности») на цепи управления регулятора мощности 4. Регулятор температуры 5 может иметь дополнительные функции: «плавное изменение температуры уставки», «защита холодного нагревателя», «регулирование температуры по шагам программы», «связь по интерфейсу RS-485». Текущий режим работы электронагревателя отображается с помощью разноцветных светодиодных индикаторов, электрически соединенных с регулятором температуры и расположенных на его корпусе.
В качестве регулятора температуры 5 может быть использован любой промышленный регулятор температуры с подходящими размерами и необходимыми основными и дополнительными функциями (например, измеритель-регулятор температуры «Термодат»). Для корпуса терморегулятора может быть использована любая металлическая коробка необходимых размеров.
Регулятор мощности 4:
Регулятор мощности подсоединен к источнику питания. Электрические, электронные компоненты регулятора мощности 4 находятся в отдельном корпусе. Корпус регулятора со всеми электрическими и электронными компонентами регулятора мощности заливается компаундом с соблюдением требований, предъявляемых к взрывозащищенному электрооборудованию. Корпус регулятора мощности может быть выполнен в виде замкнутого оребренного алюминиевого профиля с крышками или в виде металлической коробки с жестко прикрепленными оребренными алюминиевыми профилями (для увеличения площади теплоотдачи). Корпус регулятора мощности жестко закреплен на корпусных частях электронагревателя или на соединительной коробке с необходимым зазором от нагретых частей электронагревателя (для исключения чрезмерного нагрева) и с зазором от регулятора температуры над ним или сбоку от него (для исключения теплового влияния на регулятор температуры). Регулятор мощности состоит из силовых полупроводниковых коммутационных элементов (например, симисторы серии ВТ 139-600), расположенных на внутренних стенках корпуса для лучшей теплоотдачи, в разрыве цепи питания нагревательных элементов, элементов защиты от перенапряжений и импульсных помех в виде варисторов (например, варисторы серии MYG-14K), а также, например, цепи защиты от перегрева, защищающей его электронные и электрические элементы. Цепь защиты от перегрева может быть выполнена в виде самовозвратного термовыключателя (например, KSD 302), размыкающего при перегреве цепь управления силовых полупроводниковых коммутационных элементов.
Цепь защиты от перегрева может быть выполнена в виде самовозвратного термовыключателя (например, KSD 302), размыкающего при перегреве цепь управления силовых полупроводниковых коммутационных элементов.
Датчик 6 температуры нагревательных элементов:
Датчик температуры нагревательных элементов расположен внутри нагревательного элемента в самой горячей зоне, предпочтительно, в верхней части нагревательного элемента, и электрически соединен с регулятором температуры. В качестве датчика 6 может применяться термопара (например, ДТПК011-0,5) или термосопротивление.
Датчик 10 температуры нагреваемой среды:
Датчик температуры нагреваемой среды 10 расположен в конце защитной оболочки 11 (например, в конце трубы) и электрически соединен с регулятором температуры. Датчик температуры нагреваемой среды заливается в указанной жесткой оболочке компаундом с соблюдением требований, предъявляемых к взрывозащищенному электрооборудованию. В качестве датчика 10 может применяться термопара (например, ДТПК011-0,5) или термосопротивление (например, ЭЧМ) или термовыключатель.
В качестве компаунда для заливки электронных и электрических частей подойдет любой компаунд с необходимыми характеристиками, например, Этал-50Э.
Принцип работы предлагаемого взрывозащищенного электронагревателя со встроенной электронной системой управления.
При подаче напряжения электропитания на взрывозащищенный электронагреватель подается питание на силовые цепи регулятора мощности 4 и регулятор температуры 5. Регулятор температуры 5 измеряет электрические сигналы, получаемые с датчиков температуры 6 и 10. В зависимости от температуры датчиков и уставок по определенному закону регулирования температуры (например, «ПИД») формируется управляющий сигнал и выдается по методу регулирования мощности (например «ШИМ») на цепи управления регулятора мощности 4. Силовые коммутационные элементы регулятора мощности 4 в соответствии с управляющим сигналом подключают или отключают от электросети нагревательные элементы электронагревателя. При появлении импульсных помех и перенапряжений в питающей сети они гасятся, например, на защитных элементах (например, варисторах). При получении сигнала от внешних управляющих систем, например, через интерфейс RS-485, регулятор 5 температуры соответствующим образом на него реагирует, меняя режим работы нагревателя, температуры уставок, или возвращает информацию о своем состоянии. Текущий режим работы электронагревателя может отображаться с помощью разноцветной светодиодной индикации, например, красный - авария, зеленый - подается питание, желтый - нагрев.
Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем:
- предлагаемый взрывозащищенный электронагреватель, снабженный указанной встроенной электронной системой управления, является автономным (так как не требует наличия внешних удаленных регуляторов температуры),
- электронагреватель, снабженный данной встроенной электронной системой управления, является более безопасным и надежным (так как, во-первых, обеспечивается гарантированный и надежный контроль за изменением тепловых режимов нагревательных элементов при работе в нормальных и аварийных условиях; во-вторых, обеспечивается регулирование при этом тепловых характеристик и параметров мощности электронагревателя, появляется возможность вносить изменение в параметры уставки; в-третьих, исключается выход из строя электронных элементов регуляторов системы из-за перегрева; в-четвертых, исключается влияние человеческого фактора со стороны монтажного, ремонтного, обслуживающего, эксплуатационного персонала);
- электронная система управления указанной конструкции, встроенная в заявляемый взрывозащищенный электронагреватель, при наличии внешних регуляторов температуры, защитит нагреватель и нагреваемую среду от перегрева при неисправности указанного внешнего регулятора температуры или при неисправностях контрольных кабелей, что ведет к высокой эксплуатационной и технологической надежности предлагаемого электронагревателя.