鮑 勇

(佛山市南海技師學(xué)院，廣東 佛山528000)

模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)是機(jī)電、自動(dòng)化、電氣等專業(yè)的主要專業(yè)課，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中很少有設(shè)備將以上技術(shù)綜合在一起提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力。本文所設(shè)計(jì)的閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)教學(xué)設(shè)備，不僅可用于相關(guān)專業(yè)的教學(xué)，同時(shí)閉環(huán)加熱系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(cè)負(fù)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(fù)反饋、電壓負(fù)反饋、濾波型調(diào)壓器、電壓隔離電路、過(guò)電流保護(hù)電路、缺相保護(hù)電路、繼電電路組成自動(dòng)穩(wěn)壓的調(diào)溫系統(tǒng)，并設(shè)有保護(hù)報(bào)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(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)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(hào)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(dǎo)通角來(lái)控制輸出電壓的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。溫度調(diào)節(jié)設(shè)置了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，通過(guò)開(kāi)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(shí)現(xiàn)恒溫控制。溫度設(shè)定是通過(guò)電位器調(diào)節(jié)電壓的方式作為溫度調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)給定積分電路和反饋信號(hào)綜合后送入積分放大電路進(jìn)行放大產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)控制移相電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)。溫度反饋采用溫度傳感器PT100檢測(cè)溫度，傳感器檢測(cè)的溫度信號(hào)送到智能溫控表頭進(jìn)行顯示，同時(shí)溫控表頭發(fā)出溫度反饋的電壓信號(hào)(溫度反饋信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖，控制輸出電壓的大小，達(dá)到對(duì)溫度的控制。溫度反饋信號(hào)的調(diào)節(jié)是通過(guò)電位器W18來(lái)實(shí)現(xiàn)，先斷開(kāi)溫度反饋測(cè)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(hào)(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(hù)主要有:過(guò)熱保護(hù)、缺相保護(hù)、缺水保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱、缺相、缺水和過(guò)流時(shí)產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)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(shè)計(jì)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(hào)，來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電源的控制。可控硅的觸發(fā)信號(hào)電路是由KC04、電阻和電容構(gòu)成的振蕩電路實(shí)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(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)，如果給定信號(hào)(UG)為0，調(diào)節(jié)W22使KC04的4引腳對(duì)地電壓為6.3 V，理論分析給定信號(hào)(UG)變化1 V可使觸發(fā)脈沖移相20°。當(dāng)觸發(fā)電路控制電壓信號(hào)(UK)為0時(shí)，使系統(tǒng)的輸出電壓為0，對(duì)應(yīng)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(hào)為UTA～UTC，必須保證相序與三相電源相序一致。因?yàn)槿嗳貥蚴秸麟娐凡捎昧穗p窄脈沖的觸發(fā)電路形式，所以輔助補(bǔ)脈沖應(yīng)該在主脈沖發(fā)出后相位差60°出現(xiàn)?？刂菩盘?hào)(UK)控制KC04輸出脈沖的移相，KC04通過(guò)P1、P2產(chǎn)生兩個(gè)相差180°的雙窄脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過(guò)三極管QT12進(jìn)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(hào)。

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(shè)計(jì)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(gè)晶閘管、晶閘管阻容保護(hù)電路和直流輸出阻容保護(hù)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(guò)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(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流等情況，如果沒(méi)有保護(hù)電路可能會(huì)損壞器件，所以要加入必要的保護(hù)電路。本系統(tǒng)中過(guò)電流的保護(hù)是通過(guò)電流互感器將過(guò)電流信號(hào)反饋到脈沖控制信號(hào)處，如圖2所示，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的方式達(dá)到過(guò)電流保護(hù)的作用。對(duì)于晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)采用阻容保護(hù)電路，晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)主要考慮換相過(guò)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(huì)造成直流側(cè)過(guò)電壓，因此直流側(cè)采用阻容保護(hù)電路來(lái)抑制過(guò)電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文就閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，完成了關(guān)鍵部分的硬件設(shè)計(jì)與分析，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中綜合考慮了各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了閉環(huán)系統(tǒng)的控制方式，同時(shí)綜合考慮了各種功能和器件的保護(hù)，對(duì)機(jī)電類教學(xué)和工程實(shí)踐有一定的借鑒意義。