CN217445532U - 电加热连续无级功率调节装置 - Google Patents

Abstract

一种电加热连续无级功率调节装置，包括光隔离过零触发可控硅、大功率双向可控硅、三相整流桥、加热负载电阻及系统控制单元；光隔离过零触发可控硅驱动大功率双向可控硅且两者组成光隔离过零触发大功率可控硅，所述光隔离过零触发大功率可控硅控制所述三相整流桥和加热负载电阻；所述光隔离过零触发可控硅的逻辑控制端接入PWM脉冲宽度调制信号，控制所述加热负载电阻的加热功率，所述PWM脉冲宽度调制信号由单片机电路组成的所述系统控制单元发出。本实用新型能够实现快速加热响应，达到较好的用户体验，同时得到比较高的加热控制功率分辨率，实现精密的温度控制，和功率的连续无级调节。

Description

电加热连续无级功率调节装置

技术领域

本专利属于电加热领域，其涉及电热丝、电热管、电热片加热，以及半导体材料电加热，商用电热灶，餐饮、厨房、食堂、酒店、食品加工企业的食品电加热，工业、商业电热水器、电蒸汽发生器，电蒸汽、电热水电锅炉，商业工业热风电加热，尤其涉及一种商用电热大锅灶，电热小炒灶，电热煲汤桶，电热蒸饭柜，电热海鲜蒸柜，电热餐饮、食品加热设备。

背景技术

与传统燃煤、燃油、燃气等加热方式比，电加热具有电气安全，长寿命，传热热阻小，温差低，热能密度高，功率大，超高温加热，无废气和高温尾气排放，节能环保等优点。

与电磁感应加热比较，直接电热加热，具有效率高，故障率低，控制元件少，寿命长，维护简单等特点。

电加热没有氧气燃烧，因此没有废热从烟道排放，能源利用率高。电加热，无烟窗尾气污染，无燃烧噪音，无泄漏爆炸危险，无明火，安全环保，高效，低能耗，符合产业发展方向。全电加热商用厨房是未来发展的重要方向。

市面上的电加热控制，采用“电工”通断式控制，大多采用温控器触点控制，或由继电器、接触器、固态继电器控制。大功率时，对电网和变压器造成冲击，并产生“火花”以及电磁谐波干扰，伴随大量电压电流谐波。采用“毛细管”温控器等简单“通断”控制，温度控制精度差，温度超调严重，用户体验感差。

部分小功率电加热设备，采用“可控硅移相触发”调压，可实现功率的宽范围调节，但电压电流谐波非常严重，严重污染公共电网，不符合国家相关法律法规，一个厨房大量集中使用，将导致变压器烧毁，线路故障，和空开漏电开关异常跳闸。

传统电加热，具有成本低廉，安全可靠，高效清洁等许多优点，但由于传统控制方式，难以满足电网法律法规同时，实现功率的精密快速无级调节，导致现有设备用户体验差，阻碍了电加热在各领域的发展应用。

基于上述情况，为使电加热改变传统落后控制，迫切需要采用现代控制材料和技术，开发全新的电加热控制方式，实现满足国家电网法律法规的条件下，实现“以人为本，按需调节，无级调节，精密调节，快速调节”的电加热控制装置。

实用新型内容

为解决电加热的“连续无级快速精密”功率调节，和满足“国家电网法律法规”问题，做到无电流电压谐波同时实现“无级功率调节”，本专利采用时间周期M，占空比为δ的通电方式，即“PWM脉冲宽度调制”。

即循环周期为M，通电时间调节范围，从0到M的连续调节，即调节δ从0％到100％，实现功率的连续精密调节。

采用一般的开通和关断，将对电网正弦波产生电压突变，导致电流突变，将产生大量谐波，大功率控制时，对整个电网或本地配电产生严重干扰，谐波使导线和变压器发热严重，大量谐波将影响电网输配电系统稳定，干扰其他设备的正常运行。

本专利采用电压过零检测，在占空比调节过程中，不断检测电压过零信号，只允许正弦电压“过零”时刻，进行开关电子开关切换，电压过零开通，电流过零切断，因而电阻负载上只能得到完整正弦半波或全波电压(无谐波)，由于控制的负载为纯阻性负载，因此负载电流波形也是完整的正弦半波或全波波形(无谐波)，电流从0开通，从0关断，无电流突变，无谐波干扰。

加热循环周期M的设置，应考虑加热的热惯性时间常数，和控制系统温度控制时，脉宽输出实际有效分辨率。由于50HZ电网半波时间为10毫秒，为实现足够的脉宽控制精度，希望加热循环周期M尽量大些，为10毫秒的整倍数，但考虑用户体验，以及“加热系统热惯性时间常数”，又要尽量减小M 取值，以实现快速反馈调节目的。实际实施方案中，M值建议取值为60毫秒至9000毫秒之间。

为解决相关问题，本专利的技术方案是：

采用“光隔离过零触发可控硅”，驱动“大功率双向可控硅”，将“大功率双向可控硅”与“加热负载电阻”(电热管、电热丝、电热片、电热盘，电热棒等)串联后，接入电网，通过嵌入控制系统的“系统控制单元”，和“人工控制交互界面”，及“测量保护单元”，以及内部控制算法，输出脉宽调制信号，控制“光隔离过零触发可控硅”，和“大功率双向可控硅”，从而实现加热负载从0到满负荷的连续功率控制。

由于采用“电压过零导通”，“负载电流过零自动关断”，在小功率负荷，和大功率，超大功率负荷加热控制时，均能实现无电压和电流谐波，对外不辐射电磁干扰，从而实现本专利“电加热连续无级功率调节装置”。

根据需要，上述控制方式，可构成不同的加热控制拓扑结构，比如：

三相，有N线“星形”加热方式，

三相，无N线“星形”加热方式，

三相，相控“三角形”加热方式，

三相，线控“三角形”加热方式，

三相，相控，“单电热组件”加热方式，

单相，“单电热组件”加热方式。

本专利广泛使用，将极大减少商圈使用明火引起燃气爆炸的风险，在节能减排，清洁生产中，发挥重要作用。在食品加工，餐饮食堂，酒店，热水、蒸汽工程中，采用本实用新型，取代传统通断控制方式，极大提高用户体检，极大延长电热设备的使用寿命。

附图说明

图1：输出小功率时的PWM脉冲宽度调制信号、电网电压及负载电流图。

图2：输出中大功率时的PWM脉冲宽度调制信号、电网电压及负载电流图。

图3：光隔离过零触发可控硅驱动大功率双向可控硅的原理图。

图4：光隔离过零触发大功率可控硅，即光隔离过零触发可控硅驱动大功率双向可控硅的简化示意图。

图5：实施例1，三相，有N线星形加热方式。

图6：实施例2，三相，无N线星形加热方式。

图7：实施例3，三相，相控三角形加热方式。

图8：实施例4，三相，线控三角形加热方式。

图9：实施例5，三相，相控，整流桥单电热组件加热方式。

图10：实施例6，单相，单电热组件加热方式。

附图标注：

1、2、5、6：大功率可控硅交流开关的接线端子。

3、4、7、8：光隔离过零触发可控硅的逻辑控制端。

27为光隔离过零触发可控硅元件。

28为“大功率双向可控硅”元件。

9、10、11：光隔离过零触发大功率可控硅的应用例化元件。

12为嵌入控制系统的系统控制单元，即单片机控制系统。

13为测量保护单元，测量温度，压力，水位等。

14为人工控制交互界面，液晶，按键，数码显示，导航定时，火量控制旋钮、滑块，远程IOT控制等。

15、16、17：为加热负载电阻，具体为电热管、电热丝、电热片、电热盘，电热棒等。

18、19、20：为三相电力线，火线端子。

21为电力线，零线端子。

22为三相整流桥。

23为电网电压波形。

24为负载电流波形。

25为PWM脉冲宽度调制信号的周期M。

26为PWM脉冲宽度调制信号的导通时间。

具体实施方式

通过图4的光隔离过零触发大功率可控硅，串联加热负载电阻后，接入电网，由系统控制单元发出PWM脉冲宽度调制信号，实现电加热无级功率调节，由加热负载电阻数量，接入电网电力端子不同，派生出多种实施例。如实施例1，实施例2，实施例3，实施例4，实施例5，实施例6。

下面以图5，实施例1，三相，有N线的星形加热方式为例，说明本专利的工作过程。

加热负载电阻15(RL-A)与光隔离过零触发大功率可控硅9串联，接入电网火线A相18(AC-LA)，与零线21(AC-LN)之间。PWM脉冲宽度调制的光隔离过零触发可控硅逻辑控制信号7、8由系统控制单元12输出。实现加热负载电阻15的连续无级功率调节。

加热负载电阻16(RL-B)与光隔离过零触发大功率可控硅10串联，接入电网火线B相19(AC-LB)，与零线21(AC-LN)之间。PWM脉冲宽度调制的光隔离过零触发可控硅逻辑控制信号7]、8由系统控制单元12输出。实现加热负载电阻16的连续无级功率调节。

加热负载电阻17(RL-C)，与光隔离过零触发大功率可控硅11串联，接入电网火线C相20(AC-LC)，与零线21(AC-LN)之间。PWM脉冲宽度调制的光隔离过零触发可控硅逻辑控制信号7、8由系统控制单元12输出。实现加热负载电阻17的连续无级功率调节。

根据加热需要，人工控制交互界面接受火力控制电位器旋钮、滑块，或温度设定装置的参数，输出PWM脉冲宽度调制信号7、8，同步控制光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，实现加热负载电阻15、16、17的功率连续无级调节。

由于采用“电压过零导通”，“负载电流过零自动关断”，根据“加热系统热惯性时间常数”，选择适当的“PWM脉冲宽度调制”周期，实现加热负荷的快速连续无级功率调节，极大改善用户使用“体验”，控制过程无电压电流谐波，并满足国家电网规范。

下面对其他实施例做简要说明：

图6实施例2，加热负载电阻15、16、17，构成“星形负载”，由光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，接入三相电网端子18、19、20，由系统控制单元12输出PWM脉冲宽度调制信号，同步驱动光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，实现加热负载电阻15、16、17的功率连续无级调节。

图7实施例3，加热负载电阻15、16、17，构成“三角形负载”，由光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，接入三相电网端子18、19、20，由、系统控制单元12输出PWM脉冲宽度调制信号，同步驱动光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，实现加热负载电阻15、16、17的功率连续无级调节。

图8实施例4，本实施例为“线控”方式，加热负载电阻15、16、17，分别串联光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，相应接入电网端子18、20 之间，19、18之间，20、19之间，由系统控制单元12输出PWM脉冲宽度调制信号，同步驱动光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，实现、加热负载电阻15、16、17的功率连续无级调节。

图9实施例5，为三相整流后，给加热负载电阻供电，三相供电18、 19、20分别串联光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11后，通过、三相整流桥22，给加热负载电阻15供电，由系统控制单元12输出PWM脉冲宽度调制信号，同步驱动光隔离过零触发大功率可控硅9、10、11，经三相整流桥22、实现加热负载电阻15的功率连续无级调节。

图10实施例6，为单相供电实施例。图中21电力线端子，可以是零线，也可以是火线，本实施例适用于单相220V，380V，以及国际线路中的 110V，240V等电压。工作过程是，加热负载电阻15，与光隔离过零触发大功率可控硅9串联，接入单相电网端子18、21，由系统控制单元12输出PWM 脉冲宽度调制信号，驱动光隔离过零触发大功率可控硅9，实现加热负载电阻 15的功率连续无级调节。

对本专利的实施，图1、图2所示，“PWM脉冲宽度调制”循环周期 25(M)的选取，要考虑到用户对控制的“快速响应”，加热系统的热惯性，和对加热温度控制的足够精度，即功率控制的高分辨率，本专利采用M周期为 1000毫秒，但不仅限于1000毫秒。本专利用于50HZ电网，但不仅限于50HZ 电网。对50HZ电网，“PWM脉冲宽度调制”循环周期为1000毫秒，包含100个半波，采用脉冲PWM控制，和“电压过零导通”，“负载电流过零自动关断”，加热时间为若干个完整正弦半波(10毫秒)，因此，在一个循环周期中，可能有0个半波，1个半波，2个半波，3个半波，……，直到99个半波，100 个半波，因此加热功率从0％到100％，实现无级功率调节。功率调节分辨率达到100级，满足1秒的快速加热响应，和100分辨率的高精度温度加热。

Claims (7)

1.一种电加热连续无级功率调节装置，其特征在于，包括光隔离过零触发可控硅、大功率双向可控硅、三相整流桥、加热负载电阻及系统控制单元；光隔离过零触发可控硅驱动大功率双向可控硅且两者组成光隔离过零触发大功率可控硅，所述光隔离过零触发大功率可控硅控制所述三相整流桥和加热负载电阻；所述光隔离过零触发可控硅的逻辑控制端接入PWM脉冲宽度调制信号，控制所述加热负载电阻的加热功率，所述PWM脉冲宽度调制信号由单片机电路组成的所述系统控制单元发出。

2.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述PWM脉冲宽度调制信号的脉宽调制周期时间在60毫秒至9000毫秒之间。

3.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述加热负载电阻为三个，三个所述加热负载电阻连接成星形结构，星形结构的中心端子接电网零线或空置，星形结构的外围三个端子分别串接所述光隔离过零触发大功率可控硅后，接入三相电力线的三个火线端子。

4.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述加热负载电阻为三个，三个所述加热负载电阻连接成三角形结构，三角形结构的三个顶点端子分别串接所述光隔离过零触发大功率可控硅后，接入三相电力线的三个火线端子。

5.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述三相整流桥直流输出两端，接一个“加热负载电阻”，所述三相整流桥的三个输入端，分别串接所述光隔离过零触发大功率可控硅后，接入三相电力线的三个火线端子。

6.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述加热负载电阻为三个，三个所述加热负载电阻，分别串接所述光隔离过零触发大功率可控硅后，得到三组电路，所述三组电路分别接入电网A相、B相之间，B相、C相之间，C相、A相之间。

7.根据权利要求1所述的电加热连续无级功率调节装置，其特征是：所述加热负载电阻为一个，所述加热负载电阻串接所述光隔离过零触发大功率可控硅后，接入电网火线及零线之间或者接入两条火线之间。

Images