電熱設備開閉環系統精確調節方式的研究*

姚正武，朱萬祥

（1.江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，南京211135；2.江蘇金工科技集團有限公司，南京210007）

電熱設備開閉環系統精確調節方式的研究*

姚正武1，2*，朱萬祥2

（1.江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，南京211135；2.江蘇金工科技集團有限公司，南京210007）

電熱設備雙向晶閘管功調系統常存在零點誤差大、諧波含量高、溫度閉環調節穩定性差、調整過程長、誤差大等缺點。針對不足，對智能無級調節器實踐案例和相關文獻進行分析，論述了零點精確檢測的硬件方案以及實驗研究法和逐次自動逼近法兩種軟件方案的基本原理。實驗證明，軟硬件方案零點檢測誤差低于0.5μs，輸出穩定、通斷點精確、功率連續、諧波含量低、恒溫調節有效。該調節方案可有效解決電熱功率輸出和恒溫控制中的不足。

電工；電熱設備精確調節；系統調節實驗；系統穩定性；動態調整；溫度調節誤差；實驗研究法；逐次自動逼近法

具有大熱慣性的電熱設備應用非常廣泛，既有電烙鐵、電烤箱、烘干機、電火（飯）鍋等民用電熱電器，也有工業電爐、工業加熱干燥設備等工業設備，另外在農林產品烘干、除濕、加熱、加濕等方面也不乏見到電熱設備的蹤影［1］。而這些設備在應用中常常會碰到電熱功率精準調節的問題，通常雙向晶閘管因良好的可控性及其輸出電功率高而在精確調功系統中得到廣泛的應用［2］。雙向晶閘管的調功主要有調壓、過零觸發調功兩種調節方式。調壓調功是通過改變其在電源每個周期中導通角從而改變輸出電壓的有效值來實現功率的改變，此種方式會造成設備無功功耗增加、設備功率因數降低、電網諧波含量高等缺點［3］。過零觸發調功是通過改變每個通斷周期中導通和關斷的正弦交變電源周波數來實現對電熱設備供電功率的改變［4］，此種方式可以克服前者存在的不足，但要實現對電熱設備精確調功與前者一樣必須對輸入的正弦交變電源每個周期的過零點進行精確檢測，否則也會造成每個周期輸出波形發生一定的畸變，使諧波含量增加。在過零觸發調功方式下實現精確調功除了過零點的精確檢測以外，在電熱設備對溫度實現閉環調節達到穩定控制的目的時，現有的一些系統往往單純從所控制的溫度等物理量著手來控制加熱功率的調整改變，以期求得溫度等的穩定性，其缺點是往往系統處于不斷的動態調整中，調整的時間長且伴隨著設備工作的整個過程，系統的穩定性差，部分系統還存在溫度等量調節誤差大的缺陷［5］。本文將結合創新設計的電熱智能無級調節器案例來分析研究并提出解決上述問題的措施。

1 硬件系統設計方案

1.1 系統建構

電熱設備開閉環精確調功系統構成方案，如圖1所示。由過零檢測電路精確檢測市電的過零點，使檢測零點與實際零點之間的誤差低于0.5μs［6］，可與軟件系統配合精確調節電熱功率。由手動/自動A/D轉換電路實現手動調節方式下改變與電發熱輸出功率對應的調節控制量大小，在自動方式下實現溫度變送電壓量的A/D轉換以及溫度量的預設功能。由功率百分比或溫度顯示電路實現手動調節方式下輸出功率百分比的顯示、自動調節方式下溫度的顯示。由溫度預設及警示電路實現自動調節方式下達到預設溫度時發出聲光警示。由負載供電接口電路實現對負載電熱功率的調節輸出。由單片機作為系統核心控制器件實現系統精確智能無級調節。

圖1 電熱設備開閉環精確調功系統結構框圖

1.2 市電精確過零檢測電路

市電精確過零檢測電路如圖2所示。當市電Ui處于正半波時，在比較器A1輸入端由于二極管D1的限幅作用而被鉗位為導通電壓VON［7］，保護了比較器A1的輸入端，只要Ui大于A1輸入端的失調電壓ΔUi（一般為2 mV，如LM393），則在A1輸出端輸出與電源+Vcc接近的高電平。同理，當處于負半波時，二極管D2具有限幅作用，則在A1輸出端輸出低電平［8］。圖2中電阻R1具有限壓限流作用。

圖2 市電精確過零檢測電路原理圖

在上述A1輸出端產生與市電同步的方波信號［9］，經快速光耦6N137的光電隔離作用，在光耦輸出端形成與市電同步的方波接在單片機的P3.2端口（外部中斷0口），由單片機實時檢測市電零點，實現對輸出電熱功率的精準控制。

1.3 負載接口電路

電熱負載驅動電路如圖3所示。當需要對電熱設備輸出電功率時，由單片機在電源Ui過零點時向P3.7腳發出低電平，在7407緩沖器驅動下，光耦驅動器MOC3041輸入端的發光二極管被驅動，其輸出端6腳和4腳在雙向晶閘管VT門極產生觸發電壓，VT在市電Ui過零點時導通，Ui對電熱設備輸出電熱功率。當停止輸出時，則由單片機在電源Ui過零點時向P3.7腳發出高電平，MOC3041輸出端關斷，VT門極無觸發電壓，VT在市電Ui過零點時自然關斷［10］。

圖3 電熱負載接口電路原理圖

圖3所示的電路較其它電熱設備的供電電路而言，其優勢不僅在于電源過零點時的準確驅動控制，而且無論對純阻性質的電熱設備還是具有一定感性的電熱設備都具有有效的過電壓保護功能。R8、C2串聯后并接在VT兩端可以吸收VT關斷時引起的過電壓，同時可抑制VT關斷時兩端過高的電壓上升率。壓敏電阻RT并接在VT兩端，當具有一定感性的電熱設備負載在電源電壓過零時，電流還未過零，在VT關斷時可能會引起更高過電壓，當出現更高過電壓時，由RT予以吸收［11］。

2 開閉環精確調功軟件系統設計方案

2.1 閉環調節原理

有句俗語“頭痛醫頭，腳痛醫腳”，其寓意就是單純從頭（腳）痛的現象去醫治，而并沒有發現頭（腳）痛的本質，結果就是不能根治病痛，使得病痛成為一個長期醫治的過程，甚至使得人體系統出現其他不穩定問題。同理針對電熱設備對溫度等物理量閉環調節的系統也存在同樣的思路問題，如果單純從調節的溫度出發，追求其穩定控制，勢必造成系統調節是一個長期的不斷調節過程，甚至會造成比較大的調節誤差［12］。

當電熱設備對負載加熱到預設溫度時，此時如果對負載提供的發熱功率與負載的散熱功率保持平衡時，負載應該穩定在預設溫度值，這就是能量守恒的基本原理。如果負載的溫度發生變化，那么肯定這個平衡發生了問題。這就是系統溫度等發生不穩定的本質。如果我們單純從溫度偏離預設值，就提供或停止電熱功率的輸出，以期求得溫度穩定在預設值，這個過程將伴隨著電熱設備的生產過程而一直存在，其結果也是可想而知的，這也是當前很多同類系統存在的問題［13］。

但是負載散熱功率參數又是一個復雜可變的量，因為電熱設備負載工作環境、工作條件又具有不確定性，如何解決這個實際問題呢？有兩種辦法可以解決存在的問題，下面結合創新案例來闡述。

2.2 閉環調節兩種方案

（1）實驗研究法

針對電熱設備對負載進行加熱的工作環境比較固定的調節系統，可以采用實驗的方法獲得散熱功率參數。具體做法，就是在同樣工作環境條件下，統計和測試在不同預設溫度下，維持溫度的穩定時，電熱設備電源所提供的電功率，然后取平均值獲得這個參數［14］。

若采用創新案例電熱智能無級調節器設備中的閉環調節系統，如圖4所示，結合設備案例可以這樣調節。先按下K1按鍵（手動/自動切換按鍵）切入閉環自動調節狀態，然后轉動功率調節旋鈕P，預設溫度（本案例中溫度變送器輸出的隨溫度變化的電壓量與旋鈕P調節的電壓量相一致，這由硬件系統電路來實現）設置完，按下按鍵K3確認，確認后，按下K2按鍵（閉環自動調節啟動按鍵），系統進入自調。

圖4 電熱智能無級調節器

自調過程由軟件系統實現，具體控制過程如下：

系統自啟動后，先按開環手動調節原理，電熱設備以100%滿功率對負載加熱，當負載達到預設溫度值時，電熱設備調節系統檢測到溫度變送器轉換的相應電壓量時，發出聲光警示，并調整功率輸出達到上述實驗方法測得的散熱功率值，使加熱功率與散熱功率保持平衡，而使負載工作溫度穩定。

實驗誤差，可以在系統達到預設溫度值時，通過軟件系統在實驗值基礎上，微調一個或幾個功率單位刻度來實現，本案例一個功率單位刻度為0.5%。

該法調節的優勢就在于溫度調節的速度快、系統穩定的時間短、穩定性好。

（2）逐次自動逼近法

針對電熱設備對負載進行加熱的工作環境不固定的調節系統，可以把實驗獲得散熱功率參數的過程融入系統自適應調節的過程中［15］。具體做法，如圖5所示。

在程序流程圖中，達到預設溫度時維持溫度的輸出電功率初始值為50%PN，T實際、T設定、T前值分別指實時溫度值、溫度設定值、溫度前值，標志位14H、15H置位分別表示當前溫度低于、高于預設溫度，標志位16H、17H置位分別表示達到預設溫度時輸出電功率在初始值基礎上按遞減、遞增方式調整。

如圖5所示，T實際不等于T設定時，若T實際與T前值相等，主要原因是系統程序運行快和電功率調整輸出變化快，而電熱效應慢致使系統溫度變化滯后，此時電功率不調整，通過不斷循環檢測等待溫度的變化；若T實際與T前值不等，把T前值單元置換為T實際值后，T實際與T設定進行比較，若T實際大于T設定，則使標志位15H置1并暫停電功率輸出，若T實際小于T設定，則使標志位14H置1并以100%PN電功率輸出。

如圖5所示，T實際等于T設定時，若T實際與T前值相等，溫度穩態計數器單元7FH增1并顯示T實際和延時20 ms，若此狀態保持5 s（時間可以改變）以上，說明系統已達穩態，使標志位和溫度穩態計數器單元7FH清零，若此狀態未達5 s，此時電功率不調整，繼續循環監測溫度；若T實際與T前值不等，把T前值單元置換為T實際值后對標志位14H、15H判斷。若為00，則按功率P（輸出電功率單元置放值）輸出電功率。若為01，則按功率（P-10%PN）電功率不斷粗調輸出并使16H置1。若為10，則按功率（P+10%PN）電功率不斷粗調輸出并使17H置1。若為11，16H為1時，則按功率（P+0.5%PN）電功率不斷微調輸出，17H為1時，則按功率（P-0.5%PN）電功率不斷微調輸出。

圖5 逐次自動逼近法程序流程圖

3 系統實驗

采用圖4所示的電熱智能無級調節器（以下簡稱調節器），把交流220 V市電從輸入電源插口接入。為了測試調節器系統功率調節輸出是否穩定，在調節器輸出端接插口接了一只額定功率60 W的白熾燈，通過白熾燈周期性的亮滅可以直觀的反映調節器功率輸出的穩定性、通斷周期和占空比。調節器輸出電壓波形（即燈泡負載兩端電壓波形）通過優立德示波表顯示，通過顯示的波形可以觀察每個通斷周期中正弦波零點檢測是否準確、導通點和斷開點是否在市電正弦波的零點。試驗方法如圖6（a）所示，燈泡插頭和示波表探針線的探頭分別連接在調節器的輸出端。

測試結果：白熾燈以4 s為周期亮滅，且輸出穩定，當導通占空比發生改變，則導通時間正弦波周波數發生改變，4 s內白熾燈亮的時間也作相應改變，如圖6（b）所示。調節器每個通斷周期輸出波形穩定，導通點和斷開點均在市電電源零點處，如圖6（c）、圖6（d）所示，圖6（d）是輸出波形展開圖。過零檢測同步方波與輸入正弦波零點準確對應，當方波上升沿上升到2 V，達到可檢測的高電平時，約為480 ns，故市電零點檢測誤差低于0.5μs，如圖6（e）、圖6（f）所示。

圖7所示是采用實驗研究法，利用調節器手動調節輸出功率，最后達到在現有的散熱環境下維持電烙鐵焊接溫度穩定時調節器與散熱功率相平衡的輸出電功率。圖7所示的電烙鐵額定功率為30 W，圖7（a）所示是調節器按照100%滿功率輸出，即輸出30 W電功率對電烙鐵加熱，直至能使焊錫絲融化達到正常手工焊接溫度。圖7（b）所示是電烙鐵在加熱到圖7（a）所述的手工焊接溫度后，調節器按照35%電功率輸出，即輸出10.5 W電功率對電烙鐵恒溫加熱，15 min后，用焊錫絲測試，電烙鐵的溫感不變。

圖6 調節器輸出波形檢測示意圖

圖7 實驗研究法檢測散熱功率

圖8所示是調節器在自動運行狀態下，把電水壺中水溫信號接入調節器后，調節器按照2.2（2）所述逐次自動逼近法原理，對電水壺中水自動加熱并恒溫在97℃的過程。

圖8 逐次自動逼近法自動加熱并恒溫保持示意圖

4 結論

通過上述論證分析，本文研究的電熱設備開閉環智能無級功率調節系統，無論在開環（手動調節）還是閉環（自動調節）狀態，系統輸出功率不僅可連續調節，而且輸出波形每個通斷周期穩定，導通和斷開點能精確地控制在輸入交流電源的零點，輸出波形畸變小、諧波含量低，輸出電能質量好。實驗研究法和逐次自動逼近法在雙向晶閘管自動恒溫系統中應用不僅溫度等物理量能實現穩定控制，而且系統動態調整過程短、溫度等量調節誤差小。

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姚正武（1969-），男，漢族，江蘇揚州，江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，副教授、高級技師、電氣工程師，金工自動化研究所所長，研究方向為電力電子技術、嵌入式智能控制、電氣照明、電機與電器、自動化技術，yzw12181218@163.com；

朱萬祥（1963-），男，漢族，江蘇揚州，江蘇金工科技集團有限公司，碩士，董事長兼CEO，研究方向為大屏幕顯示系統、嵌入式智能控制、自動化技術，jgzwx@126.com。

Study on the Precise Regulation Mode of the Electric Heating Device with Open-Loop and Closed-Loop System*

YAO Zhengwu1，2*，ZHU Wanxiang2
（1.The Nanking Engineering Branch of Jiangsu United Occupation Technical College，Nanjing 211135，China；2.Jisngsu Kegong Corporation LTD，Nanjing 210007，China）

Some bidirectional thyristor power regulation systems about electric heating equipments often have some disadvantages，large AC power zero detection error，high harmonic content，weak closed-loop regulation stability long duration and large temperature error in temperature closed-loop control system.In view of the problems，by some analysis about the intelligent stepless regulation practice case and related literatures，it is elaborated that the hardware scheme of the accurate zero detection and the basic principle of two software schemes about experimental research method and successive automatic approximation method.Some system experiments show that the hardware scheme and two software schemes have some advantages，zero detection error being lower than 0.5μs，stable and continuous output power，precise conduction and disconnection points，low harmonic content，effective constant tem?perature regulation.The overall regulation scheme can effectively solve those problems of electric heating power out?put and constant temperature regulation.

electrical engineering；electric heating equipment accurate regulation；system regulating experiment；system stability；dynamic adjustment；temperature regulation error；experimental research method；successive auto?matic approximation method

TM761+.22；TM924.13；TM935.4

A

1005-9490（2016）06-1495-06

8540

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.041

項目來源：校企橫向合作課題項目（JGY2015-5）

2016-05-07 修改日期：2016-06-10