Меню

Схема трехфазного регулирования мощности



Трехфазный симисторный (тиристорный) регулятор мощности на микроконтроллере

Представляю Вашему вниманию трехфазный регулятор мощности на микроконтроллере.

Устройство регулирует мощность в активной нагрузке включенной треугольником, либо звездой , без использования нулевого проводника. Предназначено для использования с печами сопротивлений, водогрейными котлами, трехфазными ТЭНами и даже лампами накаливания, при соблюдении условия симметричной нагрузки в фазах. Два режима работы – регулирование с использованием алгоритма Брезенхема, и фазовый метод регулирования. Устройство задумывалось как максимально простое, и доступное в повторении. Управление от кнопок либо потенциометром, светодиодный индикатор режимов работы (не обязательно), светодиод , показывающий состояние устройства.

Внимание! Присутствуют опасное для жизни напряжение! Для опытных пользователей!

Схема устройства для удобства разделена на функциональные блоки. Это дает возможность вносить дальнейшие изменения и улучшения в конструкцию, без кардинальной переработки всей схемы. Ниже будет описан каждый блок в отдельности.

Силовая схема

Авторский вариант был построен на мощных оптотиристорных модулях МТОТО 80 — 12. Каждый модуль содержит два встречно — параллельных восьмидесятиамперных оптотиристора. Используется три модуля, по одному в каждую фазу. Управляющие импульсы приходят одновременно на оба силовых ключа, но откроется только тот, к которому приложено напряжение в прямой полярности. Модули заменимы на тиристорные или симисторные сборки, либо отдельные тиристоры и симисторы. Модульные сборки удобнее в монтаже, имеют изолированную подложку, и упрощают гальваническую развязку схемы управления. При использовании отдельных тиристоров или симисторов, потребуется ставить дополнительные импульсные трансформаторы, либо оптроны. Так же потребуется подобрать токоограничивающие резисторы оптронов (R32 –R34)под имеющиеся у вас экземпляры. Микроконтроллер формирует управляющие импульсы, которые усиливаются составными транзисторами Т7-Т9. Импульсы модулированы высокой частотой , для уменьшения тока через оптроны , так же это дает возможность использования малогабаритных импульсных трансформаторов (далее ТИ). Питание оптронов либо ТИ осуществляется нестабилизированным напряжением 15в.

Обязательны к установке RC цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ 0,1мкф 600в. Модули установлены на радиатор, при работе греются. Нагрузка трехфазный нихромовый нагреватель, максимальный ток 60А. За два года эксплуатации отказов не было.

На схеме не показан, но должен быть установлен, автоматический выключатель под рассчитанную нагрузку, так же желательно установить отдельный автоматический выключатель на фазы блока синхронизации. Устройство подключается к сети 3х380 вольт с соблюдением чередования фаз А-В-С, при неправильном чередовании устройство работать не будет. Нулевой провод нужен для подключения трансформатора блока питания, если его первичная обмотка выполнена на 220 вольт. При использовании трансформатора на 380 вольт, нулевой проводник не нужен.

Защитное заземление корпуса устройства выполнять обязательно!

Схема источника питания

Схема источника питания

В пояснении не нуждается, используется два напряжения – нестабилизированное 15 вольт и стабилизированное 5 вольт, потребление в авторском варианте составляло до 300мА, в большей степени зависит от светодиодного индикатора и используемых силовых элементов. Можно использовать любые доступные детали, особых требований нет.

Схема блока синхронизации

Схема блока синхронизации

Содержит три одинаковых канала. Каждый канал подключен между двух фаз, т.е. каналы включены треугольником. В момент равенства фазных напряжений (точка пересечения синусоид ) формируется импульс, используемый для синхронизации в МК. Детали не критичны, но нужно придерживаться номиналов, для более точной синхронизации.Если есть двухлучевой осциллограф, желательно ,подбором резисторов R33 ,R40 ,R47, подогнать момент формирования импульса к точке пересечения синусоид. Но это не обязательное условие. Используемые оптроны АОТ 101 можно заменить любыми аналогичными, и доступными, единственное требование к ним — высокое пробивное напряжение, так как именно оптроны гальваническую развязку блока управления от сети. Можно найти более простую схему детектора нуля, и собирать ее, но с учетом подключения на межфазное 380 В. Очень желательно использовать предохранители , как показано в схеме, так же желательно использовать отдельный автоматический выключатель на этот блок.

Блок управления и индикации

Это основной блок. Микроконтроллер ATmega8 выдает импульсы управления на тиристоры, и обеспечивает индикацию режимов работы. Работает от внутреннего генератора, тактовая 8 МГц. Фьюзы приведены ниже на картинке. Семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом, на три знака. Управляется через три анодных ключа Т1-Т3 , сегменты переключаются сдвиговым регистром. Можно не устанавливать индикатор, регистр и связанные с ними элементы, если не требуется настройки работы. Можно установить любой доступный тип индикаторов, но потребуется подбор токоограничивающих резисторов в цепи сегментов. Светодиод HL1 показывает основные состояния устройства.

Пуск и остановка осуществляется переключателем SB1. Замкнутое состояние – Пуск, разомкнутое -Стоп. Регулировка мощности либо от кнопок Up ,Down, либо от задатчика R6, выбор осуществляется через меню. Дроссель L любой малогабаритный, нужен для лучшей фильтрации опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Емкости С5 , С6 требуется установить, как можно ближе к выводам питания МК и регистра, в моем варианте они были напаяны на ножки поверх микросхем. В условиях больших токов и сильных помех они необходимы для надежной работы устройства.

Работа регулятора мощности

Читайте также:  Расчет мощности медицинской организации

В зависимости от выбранной прошивки будет осуществляется регулирование либо фазоимпульсным методом, либо методом пропуска периодов так называемый алгоритм Брезенхема.

При фазоимпульсном регулировании напряжение на нагрузке плавно изменяется практически от нуля, до максимума, путем изменения угла открытия тиристоров. Импульс выдается два раза за период, одновременно на оба тиристора, но открыт будет только тот , к которому приложено напряжение в прямой полярности.

На малых напряжениях ( большой угол открытия) возможно перерегулирование , связанное с неточностью попадания импульса синхронизации в момент пересечения синусоид. Для исключения этого эффекта по умолчанию нижняя граница задана значением 10. Через меню , при необходимости можно изменить ее в диапазоне от 0 до 99. На практике этого ни разу не требовалось, но тут все зависит от конкретной задачи. Данный метод подходит для регулировки светового потока ламп накаливания, при условии их одинаковой мощности в каждой фазе.

Так же важно, чтобы чередование фаз сети было правильным А-В-С. Для проверки можно при включении устройства провести тест на правильное чередование фаз. Для этого необходимо при включении устройства , когда на индикаторе отображаются символы — 0 — держать нажатой кнопку menu , если фазировка правильная индикатор отобразит символы AbC ,если нет ACb, и требуется перебросить местами две любые фазы.

Если отпустить кнопку menu устройство перейдет в основной режим работы.

При использовании регулирования методом пропуска периодов, не требуется фазировка и тест в прошивку не введен. В этом случае тиристоры открываются одновременно , можно представить их как простой пускатель коммутирующий все три фазы сразу. Чем больше нужна мощность на нагрузке , тем большее количество раз в единицу времени , тиристоры будут в проводящем состоянии. Данный метод не подходит для ламп накаливания.

В настройке устройство не нуждается.

При включении происходит считывание настроек из энергонезависимой памяти МК, если в памяти нет значений, либо они некорректны, устанавливаются значения по умолчанию. Далее МК проверяет наличие импульсов синхронизации и состояние переключателя SB1. Если SB1 в разомкнутом состоянии импульсы управления не выдаются , на индикатор выводится сообщение OFF , светодиод HL1 мигает с высокой частотой. Если замкнуть SB1 на индикаторе высветится текущее задание мощности, будут формироваться импульсы управления , светодиод HL1 светится постоянно. Если при пуске либо во время работы пропадут управляющие импульсы более чем на 10 секунд, индикатор отобразит цифры 380 , светодиод будет моргать с низкой частотой, импульсы управления тиристорами снимутся. При появлении импульсов синхронизации , устройство вернется к работе. Так было сделано в связи с плохой сетью в месте эксплуатации устройства, частыми перебоями и перекосами фаз.

Меню содержит четыре подменю, переключаемых кнопкой menu , если кнопка не нажата некоторое время, отображается текущий установленный уровень мощности условно от 0 до 100. Уровень мощности изменяется кнопками Up или Down, либо , если разрешено(по умолчанию) ,потенциометром.

Длительное нажатие кнопки menu переключает подменю.

Подменю 1 на индикаторе отображается Грˉ это верхняя граница регулирования мощности, при нажатии кнопок Up или Down, будет показано текущее значение , его возможно изменять в большую или меньшую сторону, в пределах границ. По умолчанию значение 99.

Подменю 2 на индикаторе Гр_ это нижняя граница регулирования мощности, все аналогично , значение по умолчанию 10.

Подменю 3 показывает используется ли задание от потенциометра 1 – да 0- нет. На индикаторе 3-1 либо 3-0, выбор нажатием кнопок Up или Down. По умолчанию – используется(1).

Подменю 4 на индикаторе ЗАП , при нажатии любой из кнопок Up или Down, произойдет запись текущих значений в энергонезависимую память МК. При записи произойдет однократное мигание надписи ЗАП. Будут записаны границы регулирования, разрешен ли потенциометр и текущее значение мощности, если оно устанавливается кнопками, а потенциометр не используется.

Следующее нажатие menu , переключит в основное меню, будет отображено значение мощности. Так же длительное не нажатие кнопок переключит меню на основное.

Можно не использовать семисегментный светодиодный индикатор ,если не требуется ничего изменять, в этом случае все будет работать, регулироваться от 10 до 99 при помощи потенциометра. Состояние устройства покажет светодиод HL1 . Собственно индикатор был нужен на этапе отладки и для последующей модернизации. В планах построить на этой базе регулятор для индуктивной нагрузки , и сделать устройство плавного пуска асинхронного двигателя.

Печатная плата разрабатывалась для блока синхронизации и для блока управления, но в итоге из за переработок блок управления был сделан навесным способом, на макетной плате, Печатная плата»как есть» в архиве, разводка семисегментного индикатора выполнена под имеющийся у меня индикатор, при необходимости можно программно сменить соответствующие сегментам вывода. Часть деталей ( RC цепи , резисторы и диоды силовой схемы, элементы блока питания, кнопки, потенциометр и светодиоды) монтировались так же навесным способом.

В архиве представлена плата блока управления и блока синхронизации, в формате sprint layout, и схемы в формате Splan 7, там же два варианта прошивки под фазоимпульсное управление и управление пропуском периодов. МК шился программатором «пять проводков» под управлением программы Uniprof , скачать ее можно на сайте автора http://avr.nikolaew.org/

Читайте также:  Формула расчета платы за мощность

фьюзы представлены ниже.

Фьюзы даны для установки в этой программе , при использовании другой — Помните, что включенный FUSE — это FUSE без галочки!

Печатные платы не оптимальны , и скорее всего , при повторении придется доработать их под имеющиеся в наличии детали, и конкретную конфигурацию и расположение элементов ( кнопок , потенциометра, индикатора, диодов и оптронов). Так же обратите внимание на контактные площадки, если сверлить отверстия диаметром 0,5-0,7 мм затруднительно, то перед печатью нужно увеличить размер контактных площадок. Главное требование для блока синхронизации — учитывайте , что напряжение высокое и может быть пробой по поверхности текстолита, и по поверхности деталей,поэтому желательно использовать выводные детали с большим расстоянием между выводами. По этой же причине мосты набраны из отдельных диодов. Не нужно экономить место и текстолит ! напряжение в отдельных точках платы синхронизации может достигать 600 вольт ! Плату после изготовления нужно покрывать электроизоляционным лаком, желательно в два — три слоя, чтобы исключить пробой по пыли.

Видео представлено при работе в режиме фазоимпульсного регулирования, на осциллографе сигнал с трансформаторов тока ,включенных в две фазы, нагрузка три лампы накаливания по 1 КВт. На видео макет устройства используемый для отладки.

Литература

  • В.М. Яров . «Источники питания электрических печей сопротивления» учебное пособие 1982г.
  • А.В.Евстифеев «Микроконтроллеры AVR семейства Mega, руководство пользовтеля » 2007г.

Источник

Регулирование мощности электротепловых аппаратов

При приготовлении кулинарных изделий в тепловых аппаратах возникает необходимость регулирования мощности электронагревателей обусловленной технологическим процессом. Кроме того, регулирование мощности позволяет экономить значительное количество электрической энергии затрачиваемой на тепловую обработку.

Количество теплоты, выделяемой электронагревателями, определяется по формуле:

Q = Pּτ = , (4.62)

где P – мощность нагревателей;

τ – время нагрева.

Из этого выражения видно, что количество выделяемой электронагревателями теплоты можно регулировать изменением подаваемого напряжения U, общего сопротивления R, а также за счет продолжительности их включения τ.

Безусловно, наиболее эффективно регулировать количество выделяемой теплоты меняя напряжение, так как оно в квадрате. В этом случае незначительное изменение напряжения приведет к резкому изменению мощности нагревателей и, соответственно, количества теплоты. Однако в этом случае необходимо иметь либо трансформатор по мощности равный мощности аппарата либо включать в цепь нагревателей дополнительное сопротивление.

Оба эти способа с экономической точки зрения не приемлемы. Использование трансформатора не целесообразно, так как его стоимость обычно значительно больше стоимости аппарата. Введение же дополнительного сопротивления приведет к значительным потерям энергии на этом сопротивлении.

Наиболее простым способом регулирования нагрева является способ изменения мощности нагревателей за счет изменения общего сопротивления нескольких нагревательных элементов путем их различного соединения. При этом изменяется либо количество подключенных к сети нагревательных элементов, либо напряжение на каждом из них. Такое переключение обеспечивает ступенчатое изменение мощности нагревателей и может осуществляться вручную или автоматически.

Регулирование количества выделяемой нагревателями теплоты за счет изменения времени осуществляется путем периодического их включения и выключения в процессе тепловой обработки.

Регулирование мощности однофазных тепловых аппаратов

Большинство однофазных аппаратов с регулированием мощности имеют два или более нагревательных элементов. В случае если количество нагревательных элементов больше двух, то их соединяют параллельно в две секции. Обычно нагревательные элементы в аппарате имеют одинаковую мощность (сопротивление). При использовании двух нагревательных элементов (секций) регулирование мощности осуществляют за счет переключения секций, включаемых последовательно (слабый нагрев) или параллельно (сильный нагрев). Среднюю мощность нагрева получают включением одной секции (рис.4.17).

Если принять сопротивление одного нагревательного элемента (секции) за r , а полное сопротивление за R , то при последовательном включении двух нагревательных элементов (секций) общее сопротивление будет равно сумме сопротивлений соединенных последовательно

При среднем нагреве теплового аппарата включают одну секцию. В этом случае полное сопротивление составит

Наконец, при сильном нагреве сопротивления (секции) включают параллельно. В этом случае полное сопротивление будет равно сопротивлению одного нагревательного элемента деленному на количество нагревательных элементов соединенных в параллельную группу и составит

R сил = . (4.65)

Мощность нагревательных элементов P (Вт), определяемая как U 2 /r, для рассмотренных выше способов включения составит:

P слаб = = ; (4.66)

P ср = = ; (4.67)

P сил = = . (4.68)

Отношение мощностей нагревательных элементов

P слаб: P ср: P сил = : : = : 1 : 2 = 1 : 2 : 4. (4.69)

Включение и переключение секций производятся четырехпозиционным трехступенчатым кулачковым или пакетным переключателем. Одно положение соответствует выключенному состоянию схемы, а три остальных – рассмотренным ступеням регулирования мощности.

Регулирование мощности трехфазных тепловых аппаратов

По сравнению с однофазными аппаратами трехфазные обеспечивают более равномерную нагрузку питающей сети. При этом число секций нагревательных элементов, как правило, кратно трем.

При включении трех нагревательных элементов (секций) в симметричный треугольник или звезду (рис. 4 18) мощность определяют по формуле

P ∆ = , (4.70)

= ; (4.71)

где U ф – фазное напряжение, В;

U л = U ф – линейное напряжение, В.

Отношение мощностей P ∆ к составит

Читайте также:  Духовой шкаф электрический дарина мощность

P ∆ : = : = 3 : 1. (4.72)

Таким образом, переключением со звезды на треугольник можно увеличить мощности трех секций нагревательных элементов в соотношении 1 : 3. Сильный нагрев получается при соединении нагревательных элементов втреугольник, слабый – в звезду. Такое регулирование мощности возможно, если номинальное напряжение нагревателей соответствует линейному напряжению сети.

Если с тремя нагревателями требуется расширить соотношение мощностей, применяют другие способы соединения. Например, при необходимости получения соотношения мощностей 6 : 1 используют; на высшей ступени нагрева при напряжении 3N

220 В соединение в треугольник (рис. 3.18, а), а на низшей ступени нагрева последовательное соединение двух нагревателей на линейное напряжение. При напряжении 3N

380 В используют соединение в звезду (рис. 3.18, б), а на низшей ступени нагрева последовательное соединение двух нагревателей на фазное напряжение.

Мощность (P сил) при соединении трех нагревателей в треугольник определяется по формуле (4.70), а для соединения звездой (4.71). При последовательном соединении двух нагревателей (P слаб) определится как U /2r и U /2r соответственно. Соотношение ступеней мощностей при напряжении 3N

Р сил : Р слаб = : = 6 : 1,

и при напряжении 3N

Р сил : Р слаб = : = 6 : 1.

Таким образом получают одинаковое соотношение мощностей при различных напряжениях (3N

Для получения соотношения 9 : 1 на сильной ступени мощности нагреватели включаются аналогично предыдущему, а на слабой ступени мощности включаются три нагревателя последовательно. Соответственно при последовательном соединении трех нагревателей (P слаб) определится как U /3r и U /3r.

Регулирования мощности с помощью бесконтактных коммутирующих и регулирующих полупроводниковых устройств (БКРПУ).

Интенсивное развитие полупроводниковой техники и промышленное освоение выпуска мощных тиристоров на различные значения тока и напряжения создают реальные возможности производства принципиально новых силовых БКРПУ.

Применение тиристоров в роли бесконтактных прерывателей позволяет создавать различные типы БКРПУ, способные выполнять функции автоматических и неавтоматических регуляторов мощности, недоступные контактному регулирующему электрооборудованию.

В бесконтактном полупроводниковом электрооборудовании на силовых тиристорах исключены недостатки контактного способа регулирования. Кроме того, оно имеет и ряд других более существенных преимуществ:

· быстродействие системы и хорошую управляемость;

· увеличение срока службы и повышение надежности;

· практически неограниченную частоту включений;

· возможность использования при частотах 1000 Гц и выше;

· возможность регулирования выходных параметров в широких пределах, в том числе и плавное изменение мощности;

· возможность использования однотипных устройств в сетях различного напряжения путем замены тиристоров аналогичными приборами другого класса;

· возможность работы в сложных климатических условиях.

Бесконтактные полупроводниковые устройства имеют исполнительные органы в виде управляемых полупроводниковых приборов – вентилей (тиристоров), соединенных в различных комбинациях. Основные варианты силовых схем БКРПУ, выполняющих в цепях переменного тока роль однофазных регулирующих устройств электронагревателей, приведены на рис. 4.19, трехфазных – на рис. 4.20.

Включение управляемых вентилей всех схем осуществляется соответствующим сигналом, подаваемым на управляющий электрод силовых тиристоров. Управляющие сигналы должны следовать с частотой напряжения питающей сети и обеспечивать надежное включение тиристоров каждый раз после прохождения током нулевого значения.

Наиболее распространенной однофазной схемой является схема, приведенная на рис. 4.19, а. В схеме на рис. 4.19, б два встречно включенных тиристора заменены одним симметричным.

В трехфазных сетях с нулевым проводом (рис. 4.20, а) тиристоры работают как однофазные, в сетях без нулевого провода (рис. 4.20, б) – включаются между линейными проводами.

Для регулирования подводимого к нагревателю напряжения и тока существуют два основных метода: фазное и широтно-импульсное регулирование.

Наибольшее распространение в промышленности, особенно в электронной, получило фазное регулирование, при котором сигнал на управляющий электрод тиристора подается в течение полупериода питающего напряжения. При этом смена открытого (включенного) изакрытого (выключенного) состояний БКРПУ происходит на протяжении одного полупериода питающего напряжения путем измененияугла управления, который при включении тиристоров отсчитывается от момента прохождения фазового напряжения через нуль, и угла выключения.

Однако это регулирование из-за сложности схем принудительной коммутации, их дороговизны и отсутствия полностью управляемых тиристоров на большие токи не нашло применения в тепловых аппаратах предприятий общественного питания.

При широтно-импульсном регулировании изменение напряжения и тока осуществляется путем изменения числа полупериодов для открытого и закрытого состояний тиристоров. Продолжительность открытого (τ откр) и закрытого (τ закр) состояний должна быть больше одного периода или кратна ему (рис. 4.21) .

Соответственно будет иметь место повторно кратковременный режим работы нагревателей. При этом режиме периоды нагрева чередуются с периодами пауз, во время которых ток не протекает по нагревателям. Такой режим характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ

ПВ = , (4.73)

где τ р – продолжительность периода нагрева;

τ о – продолжительность паузы.

В этом случае можно заменить циклическую мощность эквивалентной (P экв) постоянной, при которой выделяется то же количество теплоты

P экв = P ּПВ = P ּ , (4.74)

где P – мощность управляемого нагревателя или нагревателей.

Из приведенного уравнения (4.74) видно, что, меняя продолжительности периодов нагрева и паузы, можно регулировать эквивалентную мощность от 0 до 100%.

Источник