Меню

Схема регулятора температуры для печи сопротивления

Простой терморегулятор своими руками

Огромное количество электрических приборов, используемых в быту и промышленности, основывают свою работу на определении уровня температуры окружающей среды. Измерительный элемент в них представляет собой датчик температуры, срабатывающий при нагревании или охлаждении до установленного уровня. Их можно приобрести в большинстве магазинов, ими комплектуются духовки, контроллеры и прочие устройства, но гораздо интереснее изготовить терморегулятор своими руками.

Далее мы рассмотрим принцип действия и варианты изготовления такой самоделки.

Немного теории

Любой терморегулятор конструктивно включает в себя три основных блока:

  • измерительный;
  • логический;
  • исполнительный.

Теоретически температурный датчик можно представить набором из четырех сопротивлений, среди которых три резистора будут представлены элементами с постоянными электрическими параметрами, а четвертый переменным. Они собираются в схему измерительного полуплеча, приведенную на рисунке 1 ниже:

На схеме показан принцип соединения резисторов для получения температурного датчика. Как видите, сопротивление R2 является переменным и меняет физическую величину в соответствии с изменениями температуры окружающей среды. При подаче одного и того напряжения питания в терморегуляторе, при изменении сопротивления в плече будет возрастать ток в цепи.

На основании изменений происходит анализ температурных колебаний в результате которого рабочий орган вызывает срабатывание терморегулятора и последующее отключение или включение оборудования.

Для измерения сопротивления резисторов в качестве логического элемента
устанавливается микросхема, работающая в режиме компаратора. Ее задача сравнить
электрические сигналы в двух плечах. Пример схемы регулятора температуры
приведен на рисунке:

Здесь блок микросхемы U1A принимает сигналы от измерителя температуры на входы 2 и 3. При достижении температуры срабатывания, в плечах начнет протекать разный ток, и компаратор выдаст на управляющий элемент электронного терморегулятора сигнал о включении.

При остывании датчика термометра ток в плечах терморегулятора уравняется, и электронный блок выдаст управляющий сигнал на отключение. Приведенная электронная схема работает в двух устойчивых состояниях – отключенном и включенном, чередование рабочих режимов происходит в соответствии с заданной логикой.

Эта схема терморегулятора используется в работе куллера персонального компьютера, получая электроснабжение от блока питания, происходит сравнение тока в плечах. Когда блок питания перегреется, терморегулятор переведет транзистор в противоположное состояние и вентилятор запустится.

Такой принцип может применяться не только в вентиляторах, но и в ряде других устройств:

  • для контроля
    работы электрического отопления по температурным показаниям в помещении;
  • для установки
    уровня температуры в самодельном инкубаторе;
  • при
    подключении теплого пола для контроля его работы;
  • для установки
    температурного диапазона работы двигателя,
    с принудительным охлаждением или отключением системы при достижении
    граничного значения температуры;
  • для паяльных
    станций или ручных паяльников;
  • в системах
    охлаждения и холодильном оборудовании с логикой снижения температуры в
    определенных пределах;
  • в духовках,
    печах как бытового, так и промышленного назначения.

Сфера применения терморегулятора ничем не ограничена, везде, где вы хотите
получить контроль уровня температуры в автоматическом режиме с управлением
питания, такое устройство станет отличным помощником.

Обзор схем

В зависимости от типа элементов, входящих в состав терморегулятора,
различают механические и цифровые терморегуляторы. Работа первых основана на
срабатывании реле, вторые имеют электронный блок, управляющий процессами. Примеры
работы нескольких схем рассмотрим далее.

На приведенной схеме измерение происходит за счет резисторов R1 и R2, при температурных колебаниях переменный резистор R2 изменит величину падения напряжения. После чего через усилитель терморегулятора, представленный парой транзисторов, начнется протекание электротока через катушку реле K1.

Когда величина тока в соленоиде создаст магнитный поток достаточной силы, сердечник притянется и переключит контакты в другое положение. Недостатком такого терморегулятора является наличие магнитопроводящих частей, которые из-за гистерезиса вносят дополнительную поправку на температуру помимо измерительного органа.

Данный терморегулятор, в отличии от механического термостата, не использует подключение реле, поэтому является более точным. Его применение оправдано в тех ситуациях, когда несколько градусов могут сыграть весомую роль, к примеру, при контроле температуры нагрева двигателя или в инкубаторе.

Здесь изменение температурного режима фиксируется резистором R5, благодаря которому терморегулятор изменяет электрические параметры работы. Для сравнения и усиления разницы поступающего с полуплеч электрического параметра применяется микросхема К140УД7.

Для контроля нагрузки в схеме устанавливается тиристор VS1, в данном
примере терморегулятора ограничение составляет 150Вт, но при желании может
подбираться и другой параметр. Но следует учитывать, что эксплуатация тиристора
в качестве ключа приводит к его нагреванию, поэтому с увеличением мощности
необходимо установить радиатор для лучшей теплоотдачи.

Создаем простой терморегулятор

При ремонте бытовой электротехники вы могли сталкиваться с ситуацией, когда со строя выходил терморегулятор. Хоть это и небольшая микросхема, устанавливаемая для контроля величины нагрева или охлаждения чего-либо.

Читайте также:  Регулятор давления масла n20

Увы, стоимость такого элемента заводского изготовления довольно высока, поэтому куда выгоднее собрать терморегулятор самому. Схема достаточно простого самодельного терморегулятора приведена на рисунке ниже.

Для его изготовления вам понадобится:

  • понижающий трансформатор с 220 на 12 В;
  • шесть диодов (в рассматриваемом примере используются IN4007);
  • конденсаторы на 47 мкФ, 1 мФ и 2 мФ;
  • микросхема для стабилизатора на 5В;
  • транзистор (в рассматриваемом примере это КТ814А);
  • стабилитрон с регулируемым параметром (TL431);
  • резистивные элементы на 4,7; 160, 150 и 910 кОм;
  • резистор с изменяемым сопротивлением на 150 кОм;
  • термозависимый резистор 50 кОм;
  • светодиод;
  • электромагнитное реле 100 мА с питающим напряжением 12В (в рассматриваемом примере используется автомобильный вариант);
  • кнопка и корпус.

Процесс изготовления состоит из таких этапов:

  • При помощи
    паяльника соберите вышеперечисленные детали на печатную плату, как показано на
    схеме выше.
  • После этого
    выведите измерительный орган для терморегулятора на открытое пространство,
    чтобы установить в нужную локацию.

Источник

Регулятор температуры электропечи сопротивления

Регулятор температуры электропечи сопротивления, содержащий задатчик температуры 7, соединенный выходом с суммирующим входом элемента сравнения 6, подключенного выходом через регулирующее устройство 5 с информационным входом регулятора напряжения 2. Выход регулятора напряжения 2 соединен с нагревателями электропечи сопротивления 1, снабженной датчиком температуры 8, связанным выходом с вычитающим входом элемента сравнения 6, причем силовой вход регулятора напряжения 2 подключен к источнику питания переменного тока 3, Между источником питания 3 и силовым входом регулятора 2 дополнительно введен датчик тока 4, подключенный через пороговый элемент 10 к первому входу сумматора 9, соединенного своим выходом с вычитающим входом элемента сравнения 6, причем второй вход сумматора соединен с выходом датчика температуры 8.

Кроме того, датчик тока 4 выполнен в виде трансформаторов тока 11 с первичными обмотками, включенными между источником питания 3 и силовым входом регулятора напряжения 2, и вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю 12, связанному своим выходом с входом порогового элемента 10.

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления температурным режимом электрической печи сопротивления.

Известен регулятор температуры печи сопротивления содержащий задатчик температуры, соединенный выходом с суммирующим входом элемента сравнения, подключенного выходом через регулирующее устройство с информационным входом регулятора напряжения, выход которого соединен с нагревателями электропечи сопротивления, снабженной датчиком температуры, связанным выходом с вычитающим входом элемента сравнения (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: /Справочник/ Альтгаузен А.П. и др.; Под ред. А.П.Альтгаузена и др. — М.: Энергия, 1978, с.104-105).

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля за током, протекающим по нагревателю. Известно, что при изменении температуры в нагревателях, выполненных из тугоплавких металлов и их соединений, в широких пределах изменяется сопротивление (увеличивается с ростом температуры). Поэтому при включении «холодной» печи ток, протекающий через нагреватели, будет превышать номинальный, в ряде случаев в 10 раз и более. Это приводит к необходимости увеличивать установленную мощность регулятора напряжения, что увеличивает его стоимость. Кроме того, резкие колебания тока уменьшают срок службы нагревателей.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в снижении установленной мощности регулятора напряжения и повышении срока службы нагревателей электропечи сопротивления, путем введения канала ограничения тока.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее задатчик температуры, соединенный выходом с суммирующим входом элемента сравнения, подключенного выходом через регулирующее устройство с информационным входом регулятора напряжения, выход которого соединен с нагревателями электропечи сопротивления, снабженной датчиком температуры, связанным выходом с вычитающим входом элемента сравнения, силовой вход регулятора напряжения подключен к источнику питания переменного тока, согласно полезной модели, введены сумматор и датчик тока, включенный между источником питания и силовым входом регулятора напряжения, и подключенный через пороговый элемент к первому входу сумматора, соединенного своим выходом с вычитающим входом элемента сравнения, причем второй вход сумматора соединен с выходом датчика температуры.

Кроме того, датчик тока в предлагаемом устройстве может быть выполнен в виде трансформаторов тока с первичными обмотками, включенными между источником питания и силовым входом регулятора напряжения, и вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю, связанному своим выходом с входом порогового элемента.

На чертеже представлена функциональная схема регулятора температуры электропечи сопротивления.

Устройство для управления электропечью сопротивления 1 состоит из регулятора напряжения 2, подключенного силовым входом к источнику питания 3 через датчик тока 4. Информационный вход регулятора напряжения 2 через регулирующее устройство 5 подключен к выходу элемента сравнения 6, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика температуры 7. Электропечь сопротивления 1 снабжена датчиком температуры 8, выход которого соединен со вторым входом сумматора 9, подключенного первым входом к выходу порогового элемента 10, соединенного своим входом с выходом датчика тока 4. Выход сумматора 9 подключен к вычитающему входу элемента сравнения 6.

Читайте также:  Регулятор холостого хода ваз 21214 инжектор замена

Кроме того, в устройстве датчик тока 4 может быть выполнен в виде трансформаторов тока 11, первичные обмотки которых включены между источником питания 3 и силовым входом регулятора напряжения 2, а вторичные обмотки подключены к входу выпрямителя 12, выход которого соединен с входом порогового элемента 10.

Устройство работает следующим образом.

С помощью задатчика температуры 7 формируется (ручным или автоматическим способом) заданное значение регулируемой температуры 3. Данный сигнал 3 поступает на элемент сравнения 2, где сравнивается с сигналом пропорциональным температуре , измеряемой с объекта управления 1 (нагреватели электрической печи сопротивления) датчиком температуры 8. Регулирующее устройство 5 в зависимости от значения = 3— и знака его отклонения формирует регулирующее воздействие на исполнительное устройство (регулятор напряжения 2), которое непосредственно воздействует на объект управления 1.

В сравнении с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает более плавный режим выхода объекта управления 1 на заданную температуру. Это обеспечивается за счет подачи дополнительной обратной связи по току, снимаемой с датчика тока 4, через сумматор 9, на элемент сравнения 6. Данная обратная связь работает только на начальном этапе разогрева объекта управления 1, когда ток I, протекающий по нагревателям, больше номинального Iном. При выходе печи на номинальную температуру, ток печи становится меньше номинального (I Iном) и обратная связь по току отключается пороговым элементом 10.

Предлагаемая структура регулятора температуры, при которой сигнал ограничения тока смешивается с сигналом обратной связи по температуре, вызвана тем обстоятельством, что в современных промышленных регуляторах температуры задатчик температуры 7, элемент сравнения 6 и регулирующее устройство 5 реализуются в виде функционально законченного устройства — программируемого контроллера. Поэтому ввести отрицательную обратную связь по току непосредственно в элемент сравнения 6 (как это обычно делается) невозможно. Введение в предлагаемом устройстве отрицательной обратной связи по току совместно с сигналом обратной связи по температуре позволяет преодолеть указанные трудности.

1. Регулятор температуры электропечи сопротивления, содержащий задатчик температуры, соединенный выходом с суммирующим входом элемента сравнения, подключенного выходом через регулирующее устройство с информационным входом регулятора напряжения, выход которого соединен с нагревателями электропечи сопротивления, снабженной датчиком температуры, связанным выходом с вычитающим входом элемента сравнения, причем силовой вход регулятора напряжения подключен к источнику питания переменного тока, отличающийся тем, что введен датчик тока, включенный между источником питания и силовым входом регулятора напряжения и подключенный через пороговый элемент к первому входу сумматора, соединенного своим выходом с вычитающим входом элемента сравнения, причем второй вход сумматора соединен с выходом датчика температуры.

2. Регулятор температуры по п.1, отличающийся тем, что датчик тока выполнен в виде трансформаторов тока с первичными обмотками, включенными между источником питания и силовым входом регулятора напряжения, и вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю, связанному своим выходом с входом порогового элемента.

Источник



Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печах

Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печахВ электрических печах сопротивления в подавляющем большинстве случаев применяется простейший вид регулирования температуры — двухпозиционное регулирование , при котором исполнительный элемент системы регулирования — контактор имеет лишь два крайних положения: «включено» и «выключено».

Во включенном состоянии температура печи растет, так как ее мощность всегда выбирается с запасом, и соответствующая ей установившаяся температура значительно превосходит ее рабочую температуру. В выключенном состоянии температура печи снижается по экспоненциальной кривой.

Для идеализированного случая, когда в системе регулятор — печь отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпозиционного регулятора показана на рис. 1, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней — соответствующее изменение ее мощности.

Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

Рис. 1. Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения t зад + ∆ t1 . В этот момент регулятор сработает, контактор отключит печь и ее мощность упадет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет уменьшаться по кривой 1-2 до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности. В этот момент произойдет новое включение печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу заключается в ее изменении по пилообразной кривой около заданного значения в пределах интервалов + ∆ t1 , — ∆ t1 определяемых зоной нечувствительности регулятора.

Средняя мощность печи зависит от соотношения интервалов времени ее включенного состояния и выключенного состояния. По мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания печи — положе, поэтому отношение периодов цикла будет уменьшаться, а следовательно, будет падать и средняя мощность Рср.

Читайте также:  Реле регулятор для оки

При двухпозиционном регулировании средняя мощность печи все время приводится в соответствие с мощностью, необходимой для поддержания постоянной температуры. Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана весьма малой и доведена до 0,1-0,2°С. Однако действительные колебания температуры печи могут быть во много раз большими из-за динамического запаздывания в системе регулятор — печь.

Основным источником этого запаздывания является инерция датчика — термопары, особенно если она снабжена двумя защитными чехлами, керамическим и металлическим. Чем больше это запаздывание, тем больше колебания температуры нагревателя превышают зону нечувствительности регулятора. Кроме того, амплитуды этих колебаний очень сильно зависят от избытка мощности печи. Чем больше мощность включения печи превышает среднюю мощность, тем больше эти колебания.

Чувствительность современных автоматических потенциометров очень высока и может удовлетворить любые требования. Инерция датчика, наоборот, велика. Так, стандартная термопара в фарфоровом наконечнике с защитным чехлом имеет запаздывание около 20-60 с. Поэтому в тех случаях, когда колебания температуры недопустимы, в качестве датчиков применяют незащищенные термоэлементы с открытым концом. Это, однако, не всегда возможно ввиду возможных механических повреждений датчика, а также попадания в приборы через термоэлемент токов утечки, вызывающих неправильную их работу.

Можно достичь уменьшения запаса мощности, если печь не включать и выключать, а переключать с одной ступени мощности на другую, причем высшая ступень должна быть лишь ненамного больше потребляемой печью мощности, а низшая — ненамного меньше. В этом случае кривые нагрева печи и ее остывания будут очень пологими и температура почти не будет выходить за пределы зоны нечувствительности прибора.

Для того чтобы осуществить такое переключение с одной ступени мощности на другую, необходимо иметь возможность плавно или ступенями регулировать мощность печи. Такое регулирование может быть осуществлено следующими способами:

1) переключение нагревателей печи, например, с «треугольника» на «звезду». Такое весьма грубое регулирование связано с нарушением равномерности температуры и применяется лишь в бытовых электронагревательных приборах,

2) включение последовательно с печью регулируемого активного или реактивного сопротивления. Этот способ связан с очень большими потерями энергии или снижением коэффициента мощности установки,

3) питание печи через регулировочный трансформатор или автотрансформатор с переключением печи на разные ступени напряжения. Здесь регулирование также ступенчатое и сравнительно грубое, так как регулируется питающее напряжение, а мощность печи пропорциональна квадрату этого напряжения. Кроме того, имеют место дополнительные потери (в трансформаторе) и снижение коэффициента мощности,

4) фазовое регулирование с помощью полупроводниковых приборов. В этом случае питание печи осуществляется через тиристоры, угол включения которых изменяется системой управления. Таким путем можно получить плавное регулирование мощности печи в широких пределах почти без дополнительных потерь, используя непрерывные методы регулирования — пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие поглощаемой печью мощности и мощности, выделяемой в печи.

Самый эффектный из всех из всех способов регулирования температурного режима в электрических печах — импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов .

Процесс импульсного регулирования мощности печи представлен на рис. 2. Периодичность работы тиристоров выбирают в зависимости от тепловой инерционности электрической печи сопротивления.

Тиристорный импульсный регулятор температуры электрической печи сопротивления

Рис. 2. Тиристорный импульсный регулятор температуры электрической печи сопротивления

Выделяют три основных способа импульсного регулирования:

— импульсное регулирование при частоте коммутации — f к = 2 f с (где f с — частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора называется фазоимпульсным или фазовым (кривые 1),

— импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации f к

— импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации f к f с (кривые 3).

Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечивая соответствие потребляемой печью и подводимой из сети мощностей.

Электрическая схема непрерывного регулятора температуры

Рис. 3. Электрическая схема непрерывного регулятора температуры

Основные элементы схемы: БТ — блок тиристров, состоит из 6 тиристоров, включенных по два встречно-параллельно в каждую фазу печи, БУТ — блок управления тиристорами, вырабатывает сигнал на управляющие электроды тиристоров, ПТК — прибор теплоконтроля, принимает сигнал от датчика температуры, обрабатывает и выдает рассогласование в БУТ, ПЭ — потенциометрический элемент, имеет движок, перемещаемый ЭД с механической передачей, в зависимости от сигнала ДТ, ДТ — датчик температуры (термопара), ИСН — источник стабилизированного напряжения постоянного тока, КЛ — контактор линейный, ВА1, ВА2 — выключатели автоматические, для защиты цепей от коротких замыканий.

Источник