CN104158520A - 设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及家用辐热炉技术领域，具体地说是一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉和控制方法，包括温度设定装置、微处理器、复合开关、负载和温度传感器。本发明同现有技术相比，采用温度负反馈控制技术，归避了电力电子发热问题，有效避免使用冷却风扇带来的风扇耗能、风扇运动部件寿命以及风扇所产生的噪声的弊端；温度控制使用电力电子无触点开关和继电器触点开关并联复合开关，实现过零触发和低导通功耗双重目的，归避了晶闸管调压技术所产生的高次谐波污染；从而使家用辐热炉完美实现了无冷却风扇、无谐波干扰、无负载冲击电流的温度闭环控制。
Description
技术领域
本发明涉及家用辐热炉技术领域，具体地说是一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉和控制方法。
背景技术
按照人类烹饪方式和习惯，当今家用烹饪灶具一般都采用手动控制能源功率的方式调节灶具加热功率，以达到调节烹饪温度要求。这是人们沿用至今的烹饪操作控温习惯。随着社会生活水平的提高，人们逐渐意识到健康饮食，绿色烹饪对人类生活环境的重要意义，特别是随着对空气污染微粒PM10和PM2.5的检测技术成熟，人们发现烹饪对家庭室内PM10和PM2.5的数值有较大影响。最新技术表明，烹饪过程中过高的温度会导致烹饪料材微粒析出并随油烟弥漫到厨房空间。实验证明，只要将锅温控制在出烟点之下，油烟基本上就可控制住了，也就能控制好PM10和PM2.5的微粒析出
在烹饪条件不变的情况下，开环的电灶功率控制设定可以满足温度恒定。但任何烹饪条件发生改变，如：炒菜时加入菜的多少、菜切得粗细，锅温都会随之变化。电网电压波动也会使锅温发生变化。为了要保证烹饪温度恒定，设计了运用温度负反馈技术的闭环控制红外辐热炉。
但是，由于温度负反馈技术控制系统采用了晶闸管调压技术，电力电子发热过载问题立刻就凸现出来，相应对策就是增加了冷却风扇作为强制散热的手段，避免功率电子元件过热烧坏。参见图2，还有一个更致命缺陷，就是在晶闸管调压技术中，负载平均电压是通过改变晶闸管的触发角控制的，那么负载RL上的电压波形出现了波形畸变，如图3晶闸管移相控制负载波形的URL所示，畸变所产生的n x 50高次谐波，n为奇数，基波为50Hz，会污染电网。且高次谐波含量随着触发角的改变而变化，即控制过程中负载电压波形始终是变化的，这就对谐波滤波带来较大的难度。辐热炉是大功率家用电器，对电网的影响很大，这也是国外电灶控制技术放弃闭环控制的原因之一，而国内厂商将晶闸管调压技术用于家用辐热炉上，并未注意用功率电子的家电对电网污染问题。
其畸变程度随触发角移相而变化，如果不消除谐波对电网的污染问题，其危害远比无滤波的节能灯大得多。
因此，需要设计一种能够解决散热和高次谐波对电网和环境污染的闭环控制红外辐热炉和控制方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种能够解决散热和高次谐波对电网和环境污染的设有复合开关的闭环控制红外辐热炉和控制方法。
为了达到上述目的，本发明设计了一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，包括温度设定装置、微处理器、复合开关、负载和温度传感器，其特征在于：微处理器的PD0端口分两路分别与光耦过零触发器的输入端以及触发延时电路的输入端连接，光耦过零触发器的输出端与复合开关晶闸管的控制端连接，复合开关的输出端与零线N和负载连接，触发延时电路的输出端分两路分别与复合开关的继电器线圈的一端以及续流二极管的阳极连接，复合开关的继电器线圈的另一端以及续流二极管的阴极与电源端连接。
所述的温度设定装置、微处理器、复合开关、负载以及温度传感器依次串联并形成闭环回路。
所述的复合开关包括双向晶闸管和继电器，双向晶闸管的控制端与光耦过零触发器的输出端连接，双向晶闸管的一端与继电器常开触点的一端连接后，与负载连接，双向晶闸管的另一端与继电器常开触点的另一端连接后，与零线连接。
所述的触发延时电路包括电阻、电容以及三极管，电阻的一端为触发延时电路的输入端，电阻的另一端分两路分别与电容的一端以及三极管的基极连接，电容的另一端以及三极管的发射极接地，三极管的集电极为触发延时电路的输出端。
所述的温度传感器位于辐热炉炉芯的中央。
所述的微处理器的型号为ATMEGA16L；所述的光耦过零触发器的型号为MOC3061；所述的继电器的型号为LNH33012-01。
如权利要求1或2所述的红外辐热炉在人为设定烹饪温度后，依次完成如下步骤：步骤a，根据温度设定装置设定的烹饪温度启动，设定烹饪温度与温度传感器测得的红外辐热炉的实际温度的差值最大，微处理器按最大功率占空比100%控制PD0端口升温加热；步骤b，当红外辐热炉的实际温度趋近于设定烹饪温度，红外辐热炉的实际温度与设定烹饪温度的差值在门限值15%范围内，微处理器按照比例积分PI数学模型投入运算，根据计算结果输出控制继电器的接通及断开比例，使红外辐热炉的实际温度逐步进入设定烹饪温度的允许偏差3%范围内；步骤c，如果温度传感器测得的红外辐热炉的实际温度减小，则微处理器的输入差值增加，继电器的接通及断开比例增加，加在负载上的平均功率增加，使红外辐热炉的实际温度上升；如果温度传感器测得的红外辐热炉的实际温度在允许偏差范围内，则微处理器、继电器的输出保持不变，负载炉芯温度保持恒定。
本发明同现有技术相比，采用温度负反馈控制技术，归避了电力电子发热问题，有效避免使用冷却风扇带来的风扇耗能、风扇运动部件寿命以及风扇所产生的噪声的弊端；温度控制使用电力电子无触点开关和继电器触点开关并联复合开关，实现过零触发和低导通功耗双重目的，归避了晶闸管调压技术所产生的高次谐波污染；从而使家用辐热炉完美实现了无冷却风扇、无谐波干扰、无负载冲击电流的温度闭环控制。
附图说明
图1为温度负反馈控制框图。
图2为现有的温度负反馈的发热炉负载电路图。
图3为现有的温度负反馈的发热炉负载电压波形图。
图4为本发明的复合开关过零触发调功控制示意图。
图5为本发明的过零触发负载电压波形曲线。
图6为本发明的温度负反馈辐热炉工作调节过程示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图4，本发明一种设有复合开关的闭环控制红外辐热炉，包括温度设定装置、微处理器、复合开关、负载和温度传感器。微处理器2的PD0端口分两路分别与光耦过零触发器4的输入端以及触发延时电路的输入端连接，光耦过零触发器4的输出端与复合开关3晶闸管T1的控制端G连接，复合开关3的输出端与零线N和负载RL连接，触发延时电路的输出端分两路分别与复合开关3的继电器J线圈的一端以及续流二极管D的阳极连接，复合开关3的继电器J线圈的另一端以及续流二极管D的阴极与电源端V连接。
复合开关3包括双向晶闸管T1和继电器J，双向晶闸管T1的控制端G与光耦过零触发器4的输出端连接，双向晶闸管T1的一端与继电器J常开触点的一端连接后，与负载RL连接，双向晶闸管T1的另一端与继电器J常开触点的另一端连接后，与零线N连接。
复合开关3可以弥补晶闸管和继电器各自单独使用的缺点：因为单独用晶闸管虽可以实现负载开关过零触发，避免非过零触发的负载冲击电流，但晶闸管导通后的开关导通电阻所产生的功耗温升大，且过载能力差，系统需要强制风冷；而继电器机械触点相对于晶闸管导通电阻极小，导通功耗温升可忽略，但继电器开关速度太慢，根本无法实现50Hz市电电压过零触发，消除负载冲击电流功能。
复合开关3的工作过程如下：当微处理器2的PD0端口输出高电平时，光耦过零触发器4在负载电压过零时自动发出触发脉冲，触发双向晶闸管T1在电压过零时导通，电流经晶闸管开始驱动负载。只要微处理器2的PD0端口输出保持高电平，光耦过零触发器4在每次电压过零时都会自动发出一个触发脉冲，以触发双向晶闸管T1。
同时，微处理器2的PD0端口输出高电平也驱动继电器J线圈触发电路，由于继电器J的滞后相应特性，继电器J触点动作时间≦10毫秒，释放时间≦5毫秒，响应比双向晶闸管T1晶闸管慢十几毫秒，再加上触发延时电路的作用，保证继电器J的常开触点在负载RL导通几个周期后才会闭合。一旦继电器J的常开触点闭合，晶闸管两极电压被短路，双向晶闸管T1自动断开，负载电流完全由继电器J的常开触点导通，驱动负载RL。
微处理器2的PD0端口输出为低电平，光耦过零触发器4触发脉冲消失，双向晶闸管T1保持阻断状态；继电器J线圈失电，常开触点断开，负载RL脱离电源。
所以，复合开关3仅在调功器接通负载的前几个电源周期中由双向晶闸管驱动，完成过零触发功能，以后调功器接通负载的电源所有周期都由继电器驱动，从而实现调功器复合开关过零触发和开关温升降低目的。
复合开关3能保证负载在过零时刻才导通，没有负载冲击电流，延长触点使用寿命。
继电器的开关最高工作频率只能达到几十Hz，系统中功率控制器允许使用复合调功开关作为功率控制器必须满足两个条件：1. 使用的继电器允许开关动作周期远小于辐热炉系统的时间常数；2. 复合开关动作周期中的触点通断0/1占空比正比于设定烹饪温度和温度传感器5测得的红外辐热炉的实际温度的差值。
通过辐热炉开环系统的阶跃相应，即飞升曲线的测试，可测得不同的辐热炉时间常数t 的数值为120S，一般辐热炉的时间常数在120S~180S之间，远远大于继电器秒级的开关性能。因而，如果将调功器的时间周期设定在30S~50S之间完全能跟上辐热炉温度控制的响应与调整速度，同时也完全满足继电器正常工作的频率。这样，用复合开关作为辐热炉的功率控制器，调功器的周期设定为40S，即在40S周期中，复合开关根据设定与反馈信号的差值大小，经控制器PI数学模型计算，通过微处理器2的PD0端口输出电平信号控制调功器占空比的通断比例，在复合开关触点接通时间内，额定电流流经电热炉盘即负载RL加热；复合开关3的继电器触点断开时，切断负载电源，炉盘以热惯性维持热量。
参见图5，在本发明工作时的任何过程中，负载电压波形永远是完整的正旋波，没有任何高次谐波成分，可以不用任何滤波器。
触发延时电路包括电阻R、电容C以及三极管T2，电阻R的一端为触发延时电路的输入端，电阻R的另一端分两路分别与电容C的一端以及三极管T2的基极连接，电容C的另一端以及三极管T2的发射极接地，三极管T2的集电极为触发延时电路的输出端。
参见图1，温度设定装置1、微处理器2、复合开关3、负载RL以及温度传感器5依次串联并形成闭环回路。
本发明在信号放大采集、处理和控制的弱电环节仍采用电子器件和微处理器2，这部分元件自身在工作过程中的能耗极小，无需考虑冷却，可以不用冷却风扇。
温度传感器5位于辐热炉炉芯的中央。
微处理器2的型号为ATMEGA16L；所述的光耦过零触发器4的型号为MOC3061；所述的继电器J的型号为LNH33012-01。
参见图6，红外辐热炉在人为设定烹饪温度Ts后，依次完成如下步骤：步骤a，根据温度设定装置1设定的烹饪温度启动，设定烹饪温度与温度传感器5测得的红外辐热炉的实际温度的差值最大，微处理器2按最大功率占空比100%控制PD0端口升温加热；步骤b，当红外辐热炉的实际温度趋近于设定烹饪温度，红外辐热炉的实际温度与设定烹饪温度的差值在门限值15%范围内，微处理器2按照比例积分PI数学模型投入运算，根据计算结果输出控制继电器J的接通及断开比例，使红外辐热炉的实际温度逐步进入设定烹饪温度的允许偏差3%范围内；步骤c，如果温度传感器5测得的红外辐热炉的实际温度减小，则微处理器2的输入差值增加，继电器J的接通及断开比例增加，加在负载RL上的平均功率增加，使红外辐热炉的实际温度上升；如果温度传感器5测得的红外辐热炉的实际温度在允许偏差范围内，则微处理器2、继电器J的输出保持不变，负载RL炉芯温度保持恒定。
本发明中，温度设定装置1可采数字用触摸式、数字旋钮等。
微处理器2设有信号输入、输出端口，包括炉具控制设定输入端口和炉具数据显示输出端口，温度信号输入端口，功率输出控制端口及留有远程数据交互扩充端口，程序存储器、参数闪存器、时钟、PI控制软件等。
光耦过零触发器4接收控制器输出电平控制信号，该信号为定周期40S，通断比随温差调整，高电平输出复合开关3过零触发导通，低电平输出复合开关3断开。在控制周期内，复合开关3的导通率范围0~100%，使辐热炉发热盘上所施加的平均功率范围从0到满负荷额定功率，从而达到温度可控和自动调节功能。
辐热炉发热盘为纯电阻负载，负载RL上的工作电压、电流在任何时候都为同相位正旋波形，无任何谐波含量，对公共电网无污染。
复合开关3调功，保证负载RL在电压过零时接入电源，消除一般继电器调功器冲击电流问题。复合开关通断彻底，触点能耗小，控制效率高，触点负载电流产生的温升影响极小，炉具腔体靠自然冷却就能达到冷却效果，系统中没有风扇，也就消除了机械噪声、风压噪声，消除了风扇部件磨损和寿命问题，消除了风冷功耗和余热利用率低因素，提高了炉具能效。
Claims (7)
1.一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，包括温度设定装置、微处理器、复合开关、负载和温度传感器，其特征在于：微处理器（2）的PD0端口分两路分别与光耦过零触发器（4）的输入端以及触发延时电路的输入端连接，光耦过零触发器（4）的输出端与复合开关（3）晶闸管（T1）的控制端（G）连接，复合开关（3）的输出端与零线（N）和负载（RL）连接，触发延时电路的输出端分两路分别与复合开关（3）的继电器（J）线圈的一端以及续流二极管（D）的阳极连接，复合开关（3）的继电器（J）线圈的另一端以及续流二极管（D）的阴极与电源端（V）连接。
2.根据权利要求1所述的一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，其特征在于：所述的温度设定装置（1）、微处理器（2）、复合开关（3）、负载（RL）以及温度传感器（5）依次串联并形成闭环回路。
3.根据权利要求1所述的一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，其特征在于：所述的复合开关（3）包括双向晶闸管（T1）和继电器（J），双向晶闸管（T1）的控制端（G）与光耦过零触发器（4）的输出端连接，双向晶闸管（T1）的一端与继电器（J）常开触点的一端连接后，与负载（RL）连接，双向晶闸管（T1）的另一端与继电器（J）常开触点的另一端连接后，与零线（N）连接。
4.根据权利要求1所述的一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，其特征在于：所述的触发延时电路包括电阻（R）、电容（C）以及三极管（T2），电阻（R）的一端为触发延时电路的输入端，电阻（R）的另一端分两路分别与电容（C）的一端以及三极管（T2）的基极连接，电容（C）的另一端以及三极管（T2）的发射极接地，三极管（T2）的集电极为触发延时电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，其特征在于：所述的温度传感器（5）位于辐热炉炉芯的中央。
6.根据权利要求1所述的一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉，其特征在于：所述的微处理器（2）的型号为ATMEGA16L；所述的光耦过零触发器（4）的型号为MOC3061；所述的继电器（J）的型号为LNH33012-01。
7.一种设有复合开关的闭环控制民用红外辐热电炉的控制方法，其特征在于：如权利要求1或2所述的红外辐热炉在人为设定烹饪温度后，依次完成如下步骤：步骤a，根据温度设定装置（1）设定的烹饪温度启动，设定烹饪温度与温度传感器（5）测得的红外辐热炉的实际温度的差值最大，微处理器（2）按最大功率占空比100%控制PD0端口升温加热；步骤b，当红外辐热炉的实际温度趋近于设定烹饪温度，红外辐热炉的实际温度与设定烹饪温度的差值在门限值15%范围内，微处理器（2）按照比例积分PI数学模型投入运算，根据计算结果输出控制继电器（J）的接通及断开比例，使红外辐热炉的实际温度逐步进入设定烹饪温度的允许偏差3%范围内；步骤c，如果温度传感器（5）测得的红外辐热炉的实际温度减小，则微处理器（2）的输入差值增加，继电器（J）的接通及断开比例增加，加在负载（RL）上的平均功率增加，使红外辐热炉的实际温度上升；如果温度传感器（5）测得的红外辐热炉的实际温度在允许偏差范围内，则微处理器（2）、继电器（J）的输出保持不变，负载（RL）炉芯温度保持恒定。
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