RU8090U1 - Устройство управления циркуляционными системами теплообмена - Google Patents

Abstract

1. Устройство управления циркуляционными системами теплообмена, содержащее блок управления, выполненный со схемой коммутации электропитания и с возможностью соединения с узлом изменения температуры текущей среды, связанного с трубопроводом системы теплообмена, отличающееся тем, что схема коммутации электропитания выполнена в виде не менее одного сильноточного полупроводникового ключа, каждый из электрических выводов которого гальванически развязан с поверхностью крепления ключа к охлатителю, при этом поверхность крепления к охладителю выполнена с возможностью закрепления на участке трубопровода системы теплообмена.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус блока управления выполнен со сквозным отверстием, диаметр которого соответствует наружному диаметру участка трубопровода системы теплообмена, при этом сильноточный полупроводниковый ключ размещен таким образом, чтобы максимальная площадь его поверхности крепления к охладителю располагалась на внутренней поверхности сквозного отверстия.

Description

В последнее время получили широкое распространение отопительные системы с нагревателями текущей среды использующими ре шетивньгй нагрев (см. свидетельство РФ на полезную модель Jvo 3074 Ml IK H 0 В 3/60, гтубл. 16.10.96).

Для 1аких систем особенно важным является контроль работы нагревателей с точки зрения элекгробезопасности. В настоящее время контроль работы этих систем осуществляется с помощью терморегулятора {устройства управления циркуляционными системами теплообмена) (см. Инструкцию по эксплуатации Электрического проточного электродного котла-водоподогревателя ЭВП-ОЗ, 31.03.97).

Данное устройство управления циркуляционными системами теплообмена, выбираемое в качестве прототипа, включает блок управления со схемой коммутации электропитания. При этом блок управления соединен с узлом изменения температуры текущей среды( электродный котел-водоподогреватель), связанного с трубопроводом системы теплообмена.

Нагревание больших объемов жидкости в системах, использующих циркуляцию теплоносителя (текущую среду) требует больших затрат электрической энергии. Например для отопления помещения объемом порядка 600 м необходимо от трехфазной сети 380 В подводить ток около 40 А по каждой фазе. Поэтому для коммутации шких мощностей в прототипе используются мощные электромеханические ключи (магнитные пускатели). Использование в данной системе, где происходит процесс регулирования температуры теплоносителя, мощных электромеханических ключей предпочтителен, тле. сопротивление контактов минимизировано и практически отсутствует потеря электроэнергии, но частое включение и выключение, вопервых, создаст неудобство за счет повышенного уровня шума, а вовторых, имеет низкую скорость переключения, что приводит к невозможности реализации некоторых законов управления, а поэтому точность поддержания температуры теплоносителя имеет свои ограничения и. как следствие, невозможно обеспечить наиболее экономичный режим работы. Кроме того магнитные пускатели имеют ограниченный ресурс на количество коммутаций.

Решить проблему реализации алгоритмов управления, повышающих точность и экономичность работы системы теплообмена можно с помощью мощных полупроводниковых ключей, имеющих высокую скорость переключения и низкий уровень шума. Однако эти ключи обладают одним существенным недостатком. Остаточное напряжение на открытом ключе достигает единиц вольт, что в сочетании с величинами тока в десятки ампер приводит к большим мощностям, выделяющимся на кристалле и, как следствие, такие полупроводниковые приборы требуют отвода тепла от корпуса.

v твод небольшого количества тепла осуществляется различного вида охладителями. Б случае невозможности создания необходимого теплового режима при заданных габаритных размерах применяется принудительное охлаждение (вентиляторы).

В существующих системах управления, использующих мощные полупроводниковые ключи, варианты отвода тепла определялись такими характеристиками полупроводниковых приборов как максимально допустимая температура корпуса и отсутствие гальванической развязки между подложкой кристалла полупроводникового прибора и поверхностью крепления последнего. Поэтому для обеспечения надежной гальванической развязки используются различные конструктивные решения. Использование диэлектрических прокладок увеличивает тепловое сопротивление между корпусом полупроводникового прибора и охладителем, что, естественно, приводит к снижению максимально допустимой температуры корпуса. Самым большим недостатком использования охладителей является увеличение габаритных размеров, когда сама электронная часть прибора занимает гораздо меньшее место по сравнению с охладителем (узлом отвода тепла).

Появление в последнее время полупроводниковых приборов, имеющих гарантированную гальваническую развязку корпуса {плоскости крепления к охладителю-теплоотводу) от токоведущих контактов {выводов полупроводниковых приборов), а также различного рода твердотельных реле с известными максимально допустимыми значениями температуры корпуса позволяет решить проблему отвода тепла следующим образом.

В качестве теплоотвода можно использовать участок трубопровода, находящийся Б непосредственной близости от входа узла нагрева текущей среды {электрокотла). Данный участок любым известным способом приспосабливается для возможности крепления полупроводниковых ключей, а также схем их управления.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства управления циркуляционными системами теплообмена позволяющего повысить точность поддержания заданных значений температуры, при минимальных габаритных размерах, низких уровнях шумов и большой надежности и долговечности.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве управления циркуляционными системами теплообмена, содержащем блок управления, выполненный со схемой коммутации электропитания и с возможностью соединения с узлом изменения температуры текущей среды, связанного с трубопроводом системы теплообмена, согласно полезной модели схема коммутации электропитания выполнена в виде не менее одного сильноточного полупроводникового ключа каждый из электрических выводов которого гальванически развязан с поверхностью крепления ключа к охладителю, при этом поверхность крепления к охладителю вьгполнена с возможностью закрепления на участке трубопровода системы теплообмена.

В частном случае реализации полезной модели корпус блока

управления может быть выполнен со сквозным отверстием, диаметр которого соответствует наружному диаметру участка трубопровода системы теплообмена, при этом сильноточный полупроводниковый ключ должен быть размещен таким образом, чтобы максимальная

площадь его поверхности крепления к охладителю располагалась на внутренней поверхности сквозного отверстия.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства управления циркуляционными системами теплообмена, а на фиг. 2 - вариант крепления блока управления на трубопроводе системы теплообмена.

Для примера реализации полезной модели использована отопительная система, где в качестве узла изменения температуры текущей среды применяется электрический нагреватель текущей среды.

Цифрами на схеме обозначено:

1- Элемент передачи тепла (теплорадиатор);

2- система грубо проводов:

3- насос:

4- электрический нагреватель текущей среды;

5- блок управления нагревателем:

6- пульт управления;

- сильноточный полупроводниковый ключ; 8 - электронные элементы блока управления; 9, SO, - датчики температурь.

Устройство управления циркуляционными системами теплообмена представляет собой электронный блок в состав которого входят несколько сильноточных полупроводниковых ключей каждый из электрических выводов которых гальванически развязан с поверхностью крепления ключа к охладителю (тсплоотводу).

Количество ключей определяется электрической сетью питания, а именно количеством фаз. При однофазной сети требуется один ключ, при трехфазной - три.

Применяемый в полезной модели сильноточный полупроводниковый ключ 7 представляет собой оптоэлектронное твердотельное реле переменного тока с гальванической развязкой между входами управления и нагрузкой, эквивалентное электромагнитным реле с нормально разомкнутыми контактами. (См. Интегральные микросхемы: Перспективные изделия. Выпуск 3 - М. ДОДЭКА, 1997 г., с.).

В этих реле для обеспечения надежной гальванической развязки между входной и выходной цепями используется оптрон. В качестве входного элемента реле служит светодиод, а в качестве выходного - тиристор, симистор или полевой транзистор. Напряжение изоляции между входом и выходом устройства, а также между выходом и тсплоотводом составляет 1500 В или 3750 В в зависимости от модификации прибора.

Для снижения уровня электромагнитных помех и уменьшения импульсных токов, возникающих при включении, сильноточные полупроводниковые ключи могут быть снабжены дополнительными цепями, обеспечивающими подключение нагрузки к сети переменного тока в момент времени, близкий к переходу фазы питающего напряжения через ноль. Это достигается путем введения в ключ вспомогательного оптрона, обеспечивающего блокировку цепей управления при выходном напряжении, превышающем пороговое значение напряжения начального включения.

Поверхность крепления ключа 7 к охладителю и участок трубопровода 2, на который предполагается прикрепить блок управления 5. выполняются таким образом, чтобы обеспечить наилучший отвод выделяемого полупроводниковым ключом тепла в текущую среду. Место расположения ключа должно выбираться на участке

трубопровода, температура которого ниже рабочей температуры сильноточного полупроводникового ключа.

Для отопительных систем участок крепления будет располагаться в районе входного патрубка нагревателя 4 (узла изменения температуры текущей среды), а для холодильных систем этот участок может располагаться в районе как входного, так и выходного патрубка охладителя (узла изменения температуры текущей среды).

Один из возможных вариантов выполнения блока управления 5 приведен на фиг. 2. В данном варианте корпус блока управления имеет сквозное отверстие, диаметр которого соответствует наружному диаметру участка трубопровода 2 системы теплообмена. При этом сильноточный полупроводниковый ключ 7 размещается таким образом, чтобы максимальная площадь его поверхности крепления к охладителю (теплоотвоцу) располагалась на внутренней поверхности сквозного отверстия (представляла собой участок внутренней поверхности сквозного отверстия).

Причем корпус блока управления может надеваться на трубопровод 2 или врезаться в него. Последний вариант предпочтительнее, т.к. исключается необходимость точной подгонки стенок сквозного отверстия к наружной поверхности трубопровода 2.

Учитывая, что полупроводниковые ключи имеют рабочую температуру порядка 80° С что. как правило, на 10 и более градусов выше температуры теплоносителя на входе электрического нагреватель текущей среды, эти системы реально реализуются с использованием современной схемотехники.

Устройство управления циркуляционными системами теплообмена работает следующим образом.

По команде с пульта управления 6 блок управления 5 посредством сильноточного полупроводникового ключа 7 подсоединяет электрическую сеть питания к нагревателю текущей среды 4 (узлу изменения температуры текущей среды). Нагретая текущая среда поступает в систему трубопроводов 2. где проходя через элемент передачи тепла (теплорадиатор) осуществляет нагрев окружающей среды. Для увеличения скорости теплоносителя может быть использован насос 3. В зависимости от заданного режима обогрева, с учетом показаний датчиков температуры 9, 10 и 11, блок управления 5 дает команды на сильноточный полупроводниковый ключ 7 о подключении (или отключении) нагревателя текущей среды 4 к электрической сети питания. При этом датчики температуры 9, 10 и 11 контролируют, соответственно, температуру текущей среды на входе и выходе нагревателя 4 и температуру поверхности крепления ключа 7 к охладителю.

Таким образом, размещение блока управления со схемой коммутации электропитания на участке трубопровода системы теплообмена {а именно на участке имеющем температуру ниже рабочей температуры сильноточного полупроводникового ключа) позволяет:

-исключить необходимость в воздушных охладителях и как следствие - значительно снизить габариты устройства;

-уменьшить длину соединительных силовых кабелей, а также линий связи между блоком управления и датчиками температуры;

-направить выделяемую тепловую энергию на разогрев теплоносителя, что в частности для электрических нагревателей электродного типа на начальном участке работы является положительным фактором.

Claims (2)

1. Устройство управления циркуляционными системами теплообмена, содержащее блок управления, выполненный со схемой коммутации электропитания и с возможностью соединения с узлом изменения температуры текущей среды, связанного с трубопроводом системы теплообмена, отличающееся тем, что схема коммутации электропитания выполнена в виде не менее одного сильноточного полупроводникового ключа, каждый из электрических выводов которого гальванически развязан с поверхностью крепления ключа к охлатителю, при этом поверхность крепления к охладителю выполнена с возможностью закрепления на участке трубопровода системы теплообмена.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус блока управления выполнен со сквозным отверстием, диаметр которого соответствует наружному диаметру участка трубопровода системы теплообмена, при этом сильноточный полупроводниковый ключ размещен таким образом, чтобы максимальная площадь его поверхности крепления к охладителю располагалась на внутренней поверхности сквозного отверстия.