閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)教學設備的設計與應用

鮑 勇

(佛山市南海技師學院，廣東 佛山528000)

模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)是機電、自動化、電氣等專業(yè)的主要專業(yè)課，在實際的教學過程中很少有設備將以上技術(shù)綜合在一起提高學生的綜合應用能力和工程實踐能力。本文所設計的閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)教學設備，不僅可用于相關(guān)專業(yè)的教學，同時閉環(huán)加熱系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應用。

1 系統(tǒng)的總體設計方案

閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)是由單閉環(huán)晶閘管調(diào)壓/調(diào)溫電路、溫度表頭、電源控制線路、加熱絲等組成，其中晶閘管直流調(diào)壓/調(diào)溫電路，可作為直流加熱絲可調(diào)電源，也可作為可調(diào)直流電源使用。其主電路采用三相全控橋式整流電路，使用交流電流互感器檢測負載電流。由整流變壓器、給定環(huán)節(jié)、給定積分放大器、集成脈沖觸發(fā)器、電流截止負反饋、電壓負反饋、濾波型調(diào)壓器、電壓隔離電路、過電流保護電路、缺相保護電路、繼電電路組成自動穩(wěn)壓的調(diào)溫系統(tǒng)，并設有保護報警電路。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2 溫度調(diào)節(jié)、反饋和保護環(huán)節(jié)設計與調(diào)試

本系統(tǒng)中溫度調(diào)節(jié)采用電壓給定的方式(溫度調(diào)節(jié)信號UG)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖移相，從而調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角控制晶閘管的導通角來控制輸出電壓的大小，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。溫度調(diào)節(jié)設置了開環(huán)和閉環(huán)控制，通過開環(huán)調(diào)試模式調(diào)整觸發(fā)電路初始狀態(tài)，閉環(huán)控制方式實現(xiàn)恒溫控制。溫度設定是通過電位器調(diào)節(jié)電壓的方式作為溫度調(diào)節(jié)信號，通過給定積分電路和反饋信號綜合后送入積分放大電路進行放大產(chǎn)生控制信號，控制信號控制移相電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號。溫度反饋采用溫度傳感器PT100檢測溫度，傳感器檢測的溫度信號送到智能溫控表頭進行顯示，同時溫控表頭發(fā)出溫度反饋的電壓信號(溫度反饋信號UTEMP)送到系統(tǒng)的反饋電路與給定電壓綜合后，產(chǎn)生的綜合控制信號調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖，控制輸出電壓的大小，達到對溫度的控制。溫度反饋信號的調(diào)節(jié)是通過電位器W18來實現(xiàn)，先斷開溫度反饋測量，溫度變送表頭輸出電壓，然后接入溫度反饋調(diào)節(jié)電位器W18使溫度變送表頭輸出電壓與溫度反饋信號(UTEMP)相等，本系統(tǒng)中溫度反饋電壓變化范圍是:0～10 V。溫度調(diào)節(jié)和反饋電路如圖2所示。本系統(tǒng)的功能保護主要有:過熱保護、缺相保護、缺水保護和過流保護。當出現(xiàn)過熱、缺相、缺水和過流時產(chǎn)生保護信號使系統(tǒng)輸出電壓突降為0。

3 閉環(huán)加熱系統(tǒng)觸發(fā)脈沖控制環(huán)節(jié)設計與調(diào)試

本加熱系統(tǒng)采用三相全控橋式整流電路作為加熱絲的供電電源，所以采用3片移相觸發(fā)器(KC04)構(gòu)成觸發(fā)電路，輸出TG1～TG6六路隔離雙窄脈沖，作為可控硅的觸發(fā)信號，來控制可控硅的導通角實現(xiàn)對加熱電源的控制?？煽毓璧挠|發(fā)信號電路是由KC04、電阻和電容構(gòu)成的振蕩電路實現(xiàn)，如圖3(觸發(fā)電路部分電路圖)所示。移相觸發(fā)器KC04芯片能夠輸出兩路相位差180°的移相脈沖。圖3中的可調(diào)電阻W22用于調(diào)節(jié)三相觸發(fā)電路中KC04的鋸齒波的斜率，開環(huán)運行時，如果給定信號(UG)為0，調(diào)節(jié)W22使KC04的4引腳對地電壓為6.3 V，理論分析給定信號(UG)變化1 V可使觸發(fā)脈沖移相20°。當觸發(fā)電路控制電壓信號(UK)為0時，使系統(tǒng)的輸出電壓為0，對應的控制角定義為初始相位角。三相全控橋的同步脈沖電壓信號為UTA～UTC，必須保證相序與三相電源相序一致。因為三相全控橋式整流電路采用了雙窄脈沖的觸發(fā)電路形式，所以輔助補脈沖應該在主脈沖發(fā)出后相位差60°出現(xiàn)?？刂菩盘?UK)控制KC04輸出脈沖的移相，KC04通過P1、P2產(chǎn)生兩個相差180°的雙窄脈沖信號，脈沖信號通過三極管QT12進行功率放大后送入脈沖隔離變壓器，最終產(chǎn)生三相全控橋的觸發(fā)控制信號。

圖1 閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)框圖

圖2 溫度給定調(diào)節(jié)與反饋電路

圖3 觸發(fā)電路原理圖

4 閉環(huán)加熱系統(tǒng)主電路的設計與調(diào)試

加熱系統(tǒng)的主電路采用三相全控整流電路，電路由六個晶閘管、晶閘管阻容保護電路和直流輸出阻容保護電路組成，如圖3所示。三相全控橋式整流電路的晶閘管通過觸發(fā)脈沖(TG1～TG6)控制晶閘管TQ1～TQ6按順序?qū)?，將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電。電路在工作的過程中可能會出現(xiàn)過電壓、過電流等情況，如果沒有保護電路可能會損壞器件，所以要加入必要的保護電路。本系統(tǒng)中過電流的保護是通過電流互感器將過電流信號反饋到脈沖控制信號處，如圖2所示，通過調(diào)節(jié)控制電壓的方式達到過電流保護的作用。對于晶閘管的過電壓保護采用阻容保護電路，晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制?？紤]到直流側(cè)電路突然切斷后電抗器釋放的能量產(chǎn)生高電壓，會造成直流側(cè)過電壓，因此直流側(cè)采用阻容保護電路來抑制過電壓。

5 結(jié)束語

本文就閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的總體設計和部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)設計，完成了關(guān)鍵部分的硬件設計與分析，在設計和實現(xiàn)的過程中綜合考慮了各項技術(shù)的應用，充分體現(xiàn)了閉環(huán)系統(tǒng)的控制方式，同時綜合考慮了各種功能和器件的保護，對機電類教學和工程實踐有一定的借鑒意義。