CN113194555B - 一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业控制领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路，适用于各类需要电加热控制的应用场合。本发明包括电源模块、过零型固体继电器、电加热器、光耦、积分运放、满幅运放、比较器、D触发器、二极管、三极管、限流电阻、上拉电阻、积分电阻、比较电阻、滞环电阻、滤波电容、积分电容等。本发明利用周期与交电源周期成整数倍的超低频三角波与指令信号进行调制，并结合交流电源电压过零信号以形成对交流固态继电器的过零触发信号，进而实现过零调功式电加热驱动控制。本发明电路简单、运行稳定可靠、成本低、安全性好、易于产品化。
Description
技术领域
本发明属于工业控制领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路，适用于各类需要电加热控制的应用场合。
背景技术
基于电加热的温度控制系统是是用量最大的控制系统，遍及各行各业。目前电加热控制技术方案主要有三种：第一种是电磁接触器的开关式控制，其主要优点是结构简单，主要缺点是控制精度太低，且对电网有冲击；第二种是基于晶闸管(可控硅)移相触发控制技术的交流调压式电加热方案，其主要精度是控制精度高，主要缺点是对电网造成谐波污染，影响其他用电设备的运行，且成本高；第三种是基于交流过零调功式的电加热方案，其主要优点是对电网污染小，缺点是控制复杂，属于有级调节但能满足大多数电加热控制的要求，目前基本采用基于MCU(单片机、DSP之类)的技术实现方案，开发周期长、成本高。因此，设计一种基于电子电路、结构简单、易于产品化的新型过零调功式电加热驱动控制方案，将具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路，本发明电路的核心利用周期与交电源周期成整数倍的超低频三角波与指令信号进行调制，并结合交流电源电压过零信号以形成对交流固态继电器的过零触发信号，进而实现过零调功式电加热驱动控制。本发明电路简单、运行稳定可靠、成本低、安全性好、易于产品化。
一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路包括：电源模块POWER1、过零型固体继电器SSR1、电加热器EH1、光耦IC1、积分运放IC2、满幅运放IC3、比较器IC4、D触发器IC5、二极管D1、三极管VT1、限流电阻R1、上拉电阻R2、积分电阻R3、比较电阻R4、滞环电阻R5、左分压电阻R6、右分压电阻R7、偏置电阻R8、负端电阻R9、输入电阻R10、正端电阻R11、输出电阻R12、基极电阻R13、滤波电容C1、积分电容C2，交流电源火线端L端与电源模块POWER1的第1输入端AC1端、滤波电容C1的一端、二极管D1的阴极、光耦IC1的发光管阳极、过零型固态继电器SSR1的第1输出端OUT1连接，交流电源零线端N端与电源模块POWER1的第2输入端AC2端、限流电阻R1的一端、电加热器EH1的一端连接，电加热器EH1的另一端与过零型固体继电器SSR1的第2输出端OUT2端连接，限流电阻R1的另一端与滤波电容C1的另一端、二极管D1的阳极、光耦IC1的发光管阴极连接，光耦IC1的输出三极管射极接地，光耦IC1的三极管集电极与上拉电阻R2的一端、D触发器IC5的时钟端CP端连接，上拉电阻R2的另一端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的正输入端+IN端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的负输入端-IN端与三极管VT1的集电极连接，电源模块POWER1的地端GND端接地，电源模块POWER1的正电源输出端+V端与电路正电源端+VCC端连接，电源模块POWER1的负电源输出端-V端与电路负电源端-VSS端连接，积分运放IC2的负输入端IN-端与积分电阻R3的一端、积分电容C2的一端连接，积分运放IC2的输出端OUT端与积分电容C2的另一端、比较电阻R4的一端、负端电阻R9的一端连接，积分运放IC2的正输入端IN+端接地，积分运放IC2的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，积分运放IC2的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，比较电阻R4的另一端与滞环电阻R5的一端、满幅运放IC3的正输入端IN+端连接，滞环电阻R5的另一端与积分电阻R3的另一端、满幅运放IC3的输出端OUT端连接，满幅运放IC3的负输入端IN-端接地，满幅运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，满幅运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，负端电阻R9的另一端与比较器IC4的负输入端IN-端、偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与左分压电阻R6的一端、右分压电阻R7的一端连接，左分压电阻R6的另一端接地，右分压电阻R7的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正输入端IN+端与输入电阻R10的一端、正端电阻R11的一端连接，输入电阻R10的另一端与电路指令信号端Uc端连接，正端电阻R11的另一端接地，比较器IC4的输出端OUT端与输出电阻R12的一端、D触发器IC5的数据端D端连接，输出电阻R12的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的负电源端-V端接地，D触发器IC5的输出端Q端与基极电阻R13的一端连接，基极电阻R13的另一端与三极管VT1的基极连接，VT1的射极接地，D触发器IC5的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，D触发器IC5的地端GND端接地。
本发明的有益效果如下：本发明采用简单的电路方案，实现过零调功式电加热驱动控制，具有电路结构简单、成本低、可靠性高、易于产品化，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路包括：电源模块POWER1、过零型固体继电器SSR1、电加热器EH1、光耦IC1、积分运放IC2、满幅运放IC3、比较器IC4、D触发器IC5、二极管D1、三极管VT1、限流电阻R1、上拉电阻R2、积分电阻R3、比较电阻R4、滞环电阻R5、左分压电阻R6、右分压电阻R7、偏置电阻R8、负端电阻R9、输入电阻R10、正端电阻R11、输出电阻R12、基极电阻R13、滤波电容C1、积分电容C2，交流电源火线端L端与电源模块POWER1的第1输入端AC1端、滤波电容C1的一端、二极管D1的阴极、光耦IC1的发光管阳极、过零型固态继电器SSR1的第1输出端OUT1连接，交流电源零线端N端与电源模块POWER1的第2输入端AC2端、限流电阻R1的一端、电加热器EH1的一端连接，电加热器EH1的另一端与过零型固体继电器SSR1的第2输出端OUT2端连接，限流电阻R1的另一端与滤波电容C1的另一端、二极管D1的阳极、光耦IC1的发光管阴极连接，光耦IC1的输出三极管射极接地，光耦IC1的三极管集电极与上拉电阻R2的一端、D触发器IC5的时钟端CP端连接，上拉电阻R2的另一端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的正输入端+IN端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的负输入端-IN端与三极管VT1的集电极连接，电源模块POWER1的地端GND端接地，电源模块POWER1的正电源输出端+V端与电路正电源端+VCC端连接，电源模块POWER1的负电源输出端-V端与电路负电源端-VSS端连接，积分运放IC2的负输入端IN-端与积分电阻R3的一端、积分电容C2的一端连接，积分运放IC2的输出端OUT端与积分电容C2的另一端、比较电阻R4的一端、负端电阻R9的一端连接，积分运放IC2的正输入端IN+端接地，积分运放IC2的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，积分运放IC2的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，比较电阻R4的另一端与滞环电阻R5的一端、满幅运放IC3的正输入端IN+端连接，滞环电阻R5的另一端与积分电阻R3的另一端、满幅运放IC3的输出端OUT端连接，满幅运放IC3的负输入端IN-端接地，满幅运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，满幅运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，负端电阻R9的另一端与比较器IC4的负输入端IN-端、偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与左分压电阻R6的一端、右分压电阻R7的一端连接，左分压电阻R6的另一端接地，右分压电阻R7的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正输入端IN+端与输入电阻R10的一端、正端电阻R11的一端连接，输入电阻R10的另一端与电路指令信号端Uc端连接，正端电阻R11的另一端接地，比较器IC4的输出端OUT端与输出电阻R12的一端、D触发器IC5的数据端D端连接，输出电阻R12的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的负电源端-V端接地，D触发器IC5的输出端Q端与基极电阻R13的一端连接，基极电阻R13的另一端与三极管VT1的基极连接，VT1的射极接地，D触发器IC5的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，D触发器IC5的地端GND端接地。
本发明所使用的包括电源模块POWER1、过零型固态继电器SSR1、光耦IC1、积分运放IC2、满幅运放IC3、比较器IC4、D触发器IC5等在内的所有器件均采用现有的成熟器件产品，可通过市场取得。例如：电源模块采用LH20-10CXX系列双路开关电源模块，过零型固态继电器采用S3C系列，光耦采用6N136，运放采用TLC2262，比较器采用LM311，D触发器采用CD4013等。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
设：电网周期为T(单位：s)，控制周期为Tc(单位：s)，Tc＝MT，M为一个控制周期对应的电网周期数；uA、uAmax分别为积分运放IC2输出正负对称的三角波电压信号及其峰值(单位：V)，uA∈[-uAmax，+uAmax]，其频率为fc＝1/Tc(单位：Hz)；Uc、Ucmax分别为电路指令信号及其峰值(单位：V)，Uc∈[0，Ucmax]；Vcc、Vss：分别为电路正、负电源电压(单位：V)，且|Vcc|＝|Vs|s。
R8＝R9＞＞max{R6、R7} (4)
本发明工作过程如下：如图1所示，主电路供电电源为单相交流电压，由一只过零型固态继电器SSR1作为电加热器EH1的功率驱动控制器件，光耦IC1发出与供电电源电压同频率、同相位的方波信号，作为D触发器IC5的时钟信号。电源模块POWER1为控制电路产生正、负直流电源+VCC、-VSS。积分运放IC2、满幅运放IC3构成超低频三角波发生电路，三角波信号为uA(单位：V)，其频率fc＝1/Tc如式(1)所示，即：Tc＝1/fc＝MT,其中，T为电网周期(单位：s)，Tc为控制周期(单位：s)，M为一个控制周期对应的电网周期数(M＞＞1)也是在温度工作范围内的温度调节级数。该三角波信号uA与温度指令信号Uc(单位：V)经比较器IC4后产生一个控制周期为Tc的方波，其高电平宽度对应希望输出的电网周期数m且与Uc成正比，进而通过D触发器IC5的作用并经三极管VT1反相后驱动过零型固态继电器SSR1对电加热器EH1输出导通m个电网周期、断开M-m个电网周期的类似PWM的通断式控制，且输出的交流电压波形不畸变，以实现基于电网电压过零的电加热温度驱动控制。
本发明尽管是针对单相交流电源供电的过零调功式电加热驱动控制电路，但同行能据此容易地拓展成三相电路交流电源供电的过零调功式电加热驱动控制电路，因此，类似的拓展也属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路，其特征在于，包括电源模块POWER1、过零型固体继电器SSR1、电加热器EH1、光耦IC1、积分运放IC2、满幅运放IC3、比较器IC4、D触发器IC5、二极管D1、三极管VT1、限流电阻R1、上拉电阻R2、积分电阻R3、比较电阻R4、滞环电阻R5、左分压电阻R6、右分压电阻R7、偏置电阻R8、负端电阻R9、输入电阻R10、正端电阻R11、输出电阻R12、基极电阻R13、滤波电容C1、积分电容C2，交流电源火线端L端与电源模块POWER1的第1输入端AC1端、滤波电容C1的一端、二极管D1的阴极、光耦IC1的发光管阳极、过零型固态继电器SSR1的第1输出端OUT1连接，交流电源零线端N端与电源模块POWER1的第2输入端AC2端、限流电阻R1的一端、电加热器EH1的一端连接，电加热器EH1的另一端与过零型固体继电器SSR1的第2输出端OUT2端连接，限流电阻R1的另一端与滤波电容C1的另一端、二极管D1的阳极、光耦IC1的发光管阴极连接，光耦IC1的输出三极管射极接地，光耦IC1的三极管集电极与上拉电阻R2的一端、D触发器IC5的时钟端CP端连接，上拉电阻R2的另一端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的正输入端+IN端与电路正电源端+VCC端连接，过零型固体继电器SSR1的负输入端-IN端与三极管VT1的集电极连接，电源模块POWER1的地端GND端接地，电源模块POWER1的正电源输出端+V端与电路正电源端+VCC端连接，电源模块POWER1的负电源输出端-V端与电路负电源端-VSS端连接，积分运放IC2的负输入端IN-端与积分电阻R3的一端、积分电容C2的一端连接，积分运放IC2的输出端OUT端与积分电容C2的另一端、比较电阻R4的一端、负端电阻R9的一端连接，积分运放IC2的正输入端IN+端接地，积分运放IC2的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，积分运放IC2的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，比较电阻R4的另一端与滞环电阻R5的一端、满幅运放IC3的正输入端IN+端连接，滞环电阻R5的另一端与积分电阻R3的另一端、满幅运放IC3的输出端OUT端连接，满幅运放IC3的负输入端IN-端接地，满幅运放IC3的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，满幅运放IC3的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，负端电阻R9的另一端与比较器IC4的负输入端IN-端、偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与左分压电阻R6的一端、右分压电阻R7的一端连接，左分压电阻R6的另一端接地，右分压电阻R7的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正输入端IN+端与输入电阻R10的一端、正端电阻R11的一端连接，输入电阻R10的另一端与电路指令信号端Uc端连接，正端电阻R11的另一端接地，比较器IC4的输出端OUT端与输出电阻R12的一端、D触发器IC5的数据端D端连接，输出电阻R12的另一端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，比较器IC4的负电源端-V端接地，D触发器IC5的输出端Q端与基极电阻R13的一端连接，基极电阻R13的另一端与三极管VT1的基极连接，VT1的射极接地，D触发器IC5的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，D触发器IC5的地端GND端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟量指令的过零调功式电加热驱动控制电路，其特征在于电路参数配合关系如下：
R8＝R9＞＞max{R6，R7} (4)
其中：电网周期为T，控制周期为Tc，Tc＝MT，M为一个控制周期对应的电网周期数；uA、uAmax分别为积分运放IC2输出正负对称的三角波电压信号及其峰值，uA∈[-uAmax，+uAmax]，其频率为fc＝1/Tc；Uc、Ucmax分别为电路指令信号及其峰值，Uc∈[0，Ucmax]；Vcc、Vss：分别为电路正、负电源电压，|Vcc|＝|Vss|。
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