闭环加热控制系统教学设备的设计与应用

2014-05-11鲍勇

通信电源技术 2014年3期

鲍勇

(佛山市南海技师学院，广东佛山528000)

模拟电子技术、数字电子技术、自动控制技术、传感器技术和电力电子技术是机电、自动化、电气等专业的主要专业课，在实际的教学过程中很少有设备将以上技术综合在一起提高学生的综合应用能力和工程实践能力。本文所设计的闭环加热控制系统教学设备，不仅可用于相关专业的教学，同时闭环加热系统在工业领域也有广泛应用。

1 系统的总体设计方案

闭环加热控制系统是由单闭环晶闸管调压/调温电路、温度表头、电源控制线路、加热丝等组成，其中晶闸管直流调压/调温电路，可作为直流加热丝可调电源，也可作为可调直流电源使用。其主电路采用三相全控桥式整流电路，使用交流电流互感器检测负载电流。由整流变压器、给定环节、给定积分放大器、集成脉冲触发器、电流截止负反馈、电压负反馈、滤波型调压器、电压隔离电路、过电流保护电路、缺相保护电路、继电电路组成自动稳压的调温系统，并设有保护报警电路。系统的原理框图如图1所示。

2 温度调节、反馈和保护环节设计与调试

本系统中温度调节采用电压给定的方式(温度调节信号UG)调节触发脉冲移相，从而调节晶闸管的触发角控制晶闸管的导通角来控制输出电压的大小，达到调节温度的目的。温度调节设置了开环和闭环控制，通过开环调试模式调整触发电路初始状态，闭环控制方式实现恒温控制。温度设定是通过电位器调节电压的方式作为温度调节信号，通过给定积分电路和反馈信号综合后送入积分放大电路进行放大产生控制信号，控制信号控制移相电路产生触发脉冲信号。温度反馈采用温度传感器PT100检测温度，传感器检测的温度信号送到智能温控表头进行显示，同时温控表头发出温度反馈的电压信号(温度反馈信号UTEMP)送到系统的反馈电路与给定电压综合后，产生的综合控制信号调节触发脉冲，控制输出电压的大小，达到对温度的控制。温度反馈信号的调节是通过电位器W18来实现，先断开温度反馈测量，温度变送表头输出电压，然后接入温度反馈调节电位器W18使温度变送表头输出电压与温度反馈信号(UTEMP)相等，本系统中温度反馈电压变化范围是:0～10 V。温度调节和反馈电路如图2所示。本系统的功能保护主要有:过热保护、缺相保护、缺水保护和过流保护。当出现过热、缺相、缺水和过流时产生保护信号使系统输出电压突降为0。

3 闭环加热系统触发脉冲控制环节设计与调试

本加热系统采用三相全控桥式整流电路作为加热丝的供电电源，所以采用3片移相触发器(KC04)构成触发电路，输出TG1～TG6六路隔离双窄脉冲，作为可控硅的触发信号，来控制可控硅的导通角实现对加热电源的控制。可控硅的触发信号电路是由KC04、电阻和电容构成的振荡电路实现，如图3(触发电路部分电路图)所示。移相触发器KC04芯片能够输出两路相位差180°的移相脉冲。图3中的可调电阻W22用于调节三相触发电路中KC04的锯齿波的斜率，开环运行时，如果给定信号(UG)为0，调节W22使KC04的4引脚对地电压为6.3 V，理论分析给定信号(UG)变化1 V可使触发脉冲移相20°。当触发电路控制电压信号(UK)为0时，使系统的输出电压为0，对应的控制角定义为初始相位角。三相全控桥的同步脉冲电压信号为UTA～UTC，必须保证相序与三相电源相序一致。因为三相全控桥式整流电路采用了双窄脉冲的触发电路形式，所以辅助补脉冲应该在主脉冲发出后相位差60°出现。控制信号(UK)控制KC04输出脉冲的移相，KC04通过P1、P2产生两个相差180°的双窄脉冲信号，脉冲信号通过三极管QT12进行功率放大后送入脉冲隔离变压器，最终产生三相全控桥的触发控制信号。

图1 闭环加热控制系统框图

图2 温度给定调节与反馈电路

图3 触发电路原理图

4 闭环加热系统主电路的设计与调试

加热系统的主电路采用三相全控整流电路，电路由六个晶闸管、晶闸管阻容保护电路和直流输出阻容保护电路组成，如图3所示。三相全控桥式整流电路的晶闸管通过触发脉冲(TG1～TG6)控制晶闸管TQ1～TQ6按顺序导通，将三相交流电转换成直流电。电路在工作的过程中可能会出现过电压、过电流等情况，如果没有保护电路可能会损坏器件，所以要加入必要的保护电路。本系统中过电流的保护是通过电流互感器将过电流信号反馈到脉冲控制信号处，如图2所示，通过调节控制电压的方式达到过电流保护的作用。对于晶闸管的过电压保护采用阻容保护电路，晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。考虑到直流侧电路突然切断后电抗器释放的能量产生高电压，会造成直流侧过电压，因此直流侧采用阻容保护电路来抑制过电压。