一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及家用輻熱爐【技術領域】，具體地說是一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，包括微處理器、復合開關、負載和溫度傳感器，微處理器的PD0端口分兩路分別與光耦過零觸發器的輸入端以及觸發延時電路的輸入端連接，光耦過零觸發器的輸出端與復合開關晶閘管的控制端連接，復合開關的輸出端與零線和負載連接，觸發延時電路的輸出端分兩路分別與復合開關的繼電器線圈的一端以及續流二極管的陽極連接，復合開關的繼電器線圈的另一端以及續流二極管的陰極與電源端連接。本實用新型同現有技術相比，溫度控制使用電力電子無觸點開關和繼電器觸點開關并聯復合開關，實現過零觸發和低導通功耗雙重目的，歸避了晶閘管調壓技術所產生的高次諧波污染。
【專利說明】—種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及家用輻熱爐【技術領域】，具體地說是一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路。
【背景技術】
[0002]按照人類烹飪方式和習慣，當今家用烹飪灶具一般都采用手動控制能源功率的方式調節灶具加熱功率，以達到調節烹飪溫度要求。這是人們沿用至今的烹飪操作控溫習慣。隨著社會生活水平的提高，人們逐漸意識到健康飲食，綠色烹飪對人類生活環境的重要意義，特別是隨著對空氣污染微粒PMlO和PM2.5的檢測技術成熟，人們發現烹飪對家庭室內PMlO和PM2.5的數值有較大影響。最新技術表明，烹飪過程中過高的溫度會導致烹飪料材微粒析出并隨油煙彌漫到廚房空間。實驗證明，只要將鍋溫控制在出煙點之下，油煙基本上就可控制住了，也就能控制好PMlO和PM2.5的微粒析出
[0003]在烹飪條件不變的情況下，開環的電灶功率控制設定可以滿足溫度恒定。但任何烹飪條件發生改變，如:炒菜時加入菜的多少、菜切得粗細，鍋溫都會隨之變化。電網電壓波動也會使鍋溫發生變化。為了要保證烹飪溫度恒定，設計了運用溫度負反饋技術的閉環控制紅外輻熱爐。
[0004]但是，由于溫度負反饋技術控制系統采用了晶閘管調壓技術，電力電子發熱過載問題立刻就凸現出來，相應對策就是增加了冷卻風扇作為強制散熱的手段，避免功率電子元件過熱燒壞。參見圖2，還有一個更致命缺陷，就是在晶閘管調壓技術中，負載平均電壓是通過改變晶閘管的觸發角控制的，那么負載&上的電壓波形出現了波形畸變，如圖3晶閘管移相控制負載波形的Ukl所示，畸變所產生的η X 50高次諧波，η為奇數，基波為50Hz，會污染電網。且高次諧波含量隨著觸發角的改變而變化，即控制過程中負載電壓波形始終是變化的，這就對諧波濾波帶來較大的難度。輻熱爐是大功率家用電器，對電網的影響很大，這也是國外電灶控制技術放棄閉環控制的原因之一，而國內廠商將晶閘管調壓技術用于家用輻熱爐上，并未注意用功率電子的家電對電網污染問題。
[0005]其畸變程度隨觸發角移相而變化，如果不消除諧波對電網的污染問題，其危害遠比無濾波的節能燈大得多。
[0006]因此，需要設計一種能夠解決高次諧波對電網和環境污染的民用紅外輻熱電爐的復合開關電路。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供了一種能夠解決高次諧波對電網和環境污染的民用紅外輻熱電爐的復合開關電路。
[0008]為了達到上述目的，本實用新型設計了一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，包括微處理器、復合開關、負載和溫度傳感器，其特征在于:微處理器的PDO端口分兩路分別與光耦過零觸發器的輸入端以及觸發延時電路的輸入端連接，光耦過零觸發器的輸出端與復合開關晶閘管的控制端連接，復合開關的輸出端與零線和負載連接，觸發延時電路的輸出端分兩路分別與復合開關的繼電器線圈的一端以及續流二極管的陽極連接，復合開關的繼電器線圈的另一端以及續流二極管的陰極與電源端連接。
[0009]所述的復合開關包括雙向晶閘管和繼電器，雙向晶閘管的控制端與光耦過零觸發器的輸出端連接，雙向晶閘管的一端與繼電器常開觸點的一端連接后，與負載連接，雙向晶閘管的另一端與繼電器常開觸點的另一端連接后，與零線連接。
[0010]所述的觸發延時電路包括電阻、電容以及三極管，電阻的一端為觸發延時電路的輸入端，電阻的另一端分兩路分別與電容的一端以及三極管的基極連接，電容的另一端以及三極管的發射極接地，三極管的集電極為觸發延時電路的輸出端。
[0011]所述的微處理器的型號為ATMEGA16L ;所述的光耦過零觸發器的型號為M0C3061 ；所述的繼電器的型號為LNH33012-01。
[0012]本實用新型同現有技術相比，溫度控制使用電力電子無觸點開關和繼電器觸點開關并聯復合開關，實現過零觸發和低導通功耗雙重目的，歸避了晶閘管調壓技術所產生的高次諧波污染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為溫度負反饋控制框圖。
[0014]圖2為現有的溫度負反饋的發熱爐負載電路圖。
[0015]圖3為現有的溫度負反饋的發熱爐負載電壓波形圖。
[0016]圖4為本實用新型的復合開關過零觸發調功控制示意圖。
[0017]圖5為本實用新型的過零觸發負載電壓波形曲線。
[0018]圖6為本實用新型的溫度負反饋輻熱爐工作調節過程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]現結合附圖對本實用新型做進一步描述。
[0020]參見圖4，本實用新型一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，包括溫度設定裝置、微處理器、復合開關、負載和溫度傳感器。微處理器2的PDO端口分兩路分別與光耦過零觸發器4的輸入端以及觸發延時電路的輸入端連接，光耦過零觸發器4的輸出端與復合開關3晶閘管Tl的控制端G連接，復合開關3的輸出端與零線N和負載RL連接，觸發延時電路的輸出端分兩路分別與復合開關3的繼電器J線圈的一端以及續流二極管D的陽極連接，復合開關3的繼電器J線圈的另一端以及續流二極管D的陰極與電源端V連接。
[0021]復合開關3包括雙向晶閘管Tl和繼電器J，雙向晶閘管Tl的控制端G與光耦過零觸發器4的輸出端連接，雙向晶閘管Tl的一端與繼電器J常開觸點的一端連接后，與負載RL連接，雙向晶閘管Tl的另一端與繼電器J常開觸點的另一端連接后，與零線N連接。
[0022]復合開關3可以彌補晶閘管和繼電器各自單獨使用的缺點:因為單獨用晶閘管雖可以實現負載開關過零觸發，避免非過零觸發的負載沖擊電流，但晶閘管導通后的開關導通電阻所產生的功耗溫升大，且過載能力差，系統需要強制風冷；而繼電器機械觸點相對于晶閘管導通電阻極小，導通功耗溫升可忽略，但繼電器開關速度太慢，根本無法實現50Hz市電電壓過零觸發，消除負載沖擊電流功能。
[0023]復合開關3的工作過程如下:當微處理器2的PDO端口輸出高電平時，光耦過零觸發器4在負載電壓過零時自動發出觸發脈沖，觸發雙向晶閘管Tl在電壓過零時導通，電流經晶閘管開始驅動負載。只要微處理器2的PDO端口輸出保持高電平，光耦過零觸發器4在每次電壓過零時都會自動發出一個觸發脈沖，以觸發雙向晶閘管Tl。
[0024]同時，微處理器2的PDO端口輸出高電平也驅動繼電器J線圈觸發電路，由于繼電器J的滯后相應特性，繼電器J觸點動作時間含10毫秒，釋放時間含5毫秒，響應比雙向晶閘管Tl晶閘管慢十幾毫秒，再加上觸發延時電路的作用，保證繼電器J的常開觸點在負載RL導通幾個周期后才會閉合。一旦繼電器J的常開觸點閉合，晶閘管兩極電壓被短路，雙向晶閘管Tl自動斷開，負載電流完全由繼電器J的常開觸點導通，驅動負載RL。
[0025]微處理器2的PDO端口輸出為低電平，光耦過零觸發器4觸發脈沖消失，雙向晶閘管Tl保持阻斷狀態；繼電器J線圈失電，常開觸點斷開，負載RL脫離電源。
[0026]所以，復合開關3僅在調功器接通負載的前幾個電源周期中由雙向晶閘管驅動，完成過零觸發功能，以后調功器接通負載的電源所有周期都由繼電器驅動，從而實現調功器復合開關過零觸發和開關溫升降低目的。
[0027]復合開關3能保證負載在過零時刻才導通，沒有負載沖擊電流，延長觸點使用壽命O
[0028]繼電器的開關最高工作頻率只能達到幾十Hz，系統中功率控制器允許使用復合調功開關作為功率控制器必須滿足兩個條件:1.使用的繼電器允許開關動作周期遠小于輻熱爐系統的時間常數；2.復合開關動作周期中的觸點通斷0/1占空比正比于設定烹飪溫度和溫度傳感器5測得的紅外輻熱爐的實際溫度的差值。
[0029]通過輻熱爐開環系統的階躍相應，即飛升曲線的測試，可測得不同的輻熱爐時間常數t的數值為120S，一般輻熱爐的時間常數在120S180S之間，遠遠大于繼電器秒級的開關性能。因而，如果將調功器的時間周期設定在30S?50S之間完全能跟上輻熱爐溫度控制的響應與調整速度，同時也完全滿足繼電器正常工作的頻率。這樣，用復合開關作為輻熱爐的功率控制器，調功器的周期設定為40S，即在40S周期中，復合開關根據設定與反饋信號的差值大小，經控制器PI數學模型計算，通過微處理器2的PDO端口輸出電平信號控制調功器占空比的通斷比例，在復合開關觸點接通時間內，額定電流流經電熱爐盤即負載RL加熱；復合開關3的繼電器觸點斷開時，切斷負載電源，爐盤以熱慣性維持熱量。
[0030]參見圖5，在本實用新型工作時的任何過程中，負載電壓波形永遠是完整的正旋波，沒有任何高次諧波成分，可以不用任何濾波器。
[0031]觸發延時電路包括電阻R、電容C以及三極管T2，電阻R的一端為觸發延時電路的輸入端，電阻R的另一端分兩路分別與電容C的一端以及三極管T2的基極連接，電容C的另一端以及三極管T2的發射極接地，三極管T2的集電極為觸發延時電路的輸出端。
[0032]參見圖1，溫度設定裝置1、微處理器2、復合開關3、負載RL以及溫度傳感器5依次串聯并形成閉環回路。
[0033]本實用新型在信號放大采集、處理和控制的弱電環節仍采用電子器件和微處理器2，這部分元件自身在工作過程中的能耗極小，無需考慮冷卻，可以不用冷卻風扇。
[0034]溫度傳感器5位于輻熱爐爐芯的中央。
[0035]微處理器2的型號為ATMEGA16L ;所述的光耦過零觸發器4的型號為M0C3061 ;所述的繼電器J的型號為LNH33012-01。
[0036]參見圖6，紅外輻熱爐在人為設定烹飪溫度Ts后，依次完成如下步驟:步驟a，根據溫度設定裝置I設定的烹飪溫度啟動，設定烹飪溫度與溫度傳感器5測得的紅外輻熱爐的實際溫度的差值最大，微處理器2按最大功率占空比100%控制PDO端口升溫加熱；步驟b，當紅外輻熱爐的實際溫度趨近于設定烹飪溫度，紅外輻熱爐的實際溫度與設定烹飪溫度的差值在門限值15%范圍內，微處理器2按照比例積分PI數學模型投入運算，根據計算結果輸出控制繼電器J的接通及斷開比例，使紅外輻熱爐的實際溫度逐步進入設定烹飪溫度的允許偏差3%范圍內；步驟C，如果溫度傳感器5測得的紅外輻熱爐的實際溫度減小，則微處理器2的輸入差值增加，繼電器J的接通及斷開比例增加，加在負載RL上的平均功率增加，使紅外輻熱爐的實際溫度上升；如果溫度傳感器5測得的紅外輻熱爐的實際溫度在允許偏差范圍內，則微處理器2、繼電器J的輸出保持不變，負載RL爐芯溫度保持恒定。
[0037]本實用新型中，溫度設定裝置I可采數字用觸摸式、數字旋鈕等。
[0038]微處理器2設有信號輸入、輸出端口，包括爐具控制設定輸入端口和爐具數據顯示輸出端口，溫度信號輸入端口，功率輸出控制端口及留有遠程數據交互擴充端口，程序存儲器、參數閃存器、時鐘、PI控制軟件等。
[0039]光耦過零觸發器4接收控制器輸出電平控制信號，該信號為定周期40S，通斷比隨溫差調整，高電平輸出復合開關3過零觸發導通，低電平輸出復合開關3斷開。在控制周期內，復合開關3的導通率范圍(Γ100%，使輻熱爐發熱盤上所施加的平均功率范圍從O到滿負荷額定功率，從而達到溫度可控和自動調節功能。
[0040]輻熱爐發熱盤為純電阻負載，負載RL上的工作電壓、電流在任何時候都為同相位正旋波形，無任何諧波含量，對公共電網無污染。
[0041]復合開關3調功，保證負載RL在電壓過零時接入電源，消除一般繼電器調功器沖擊電流問題。復合開關通斷徹底，觸點能耗小，控制效率高，觸點負載電流產生的溫升影響極小，爐具腔體靠自然冷卻就能達到冷卻效果，系統中沒有風扇，也就消除了機械噪聲、風壓噪聲，消除了風扇部件磨損和壽命問題，消除了風冷功耗和余熱利用率低因素，提高了爐具能效。
【權利要求】
1.一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，包括微處理器、復合開關、負載和溫度傳感器，其特征在于:微處理器(2)的PDO端口分兩路分別與光耦過零觸發器(4)的輸入端以及觸發延時電路的輸入端連接，光耦過零觸發器(4)的輸出端與復合開關(3)晶閘管(Tl)的控制端(G)連接，復合開關(3)的輸出端與零線(N)和負載(RL)連接，觸發延時電路的輸出端分兩路分別與復合開關(3)的繼電器(J)線圈的一端以及續流二極管(D)的陽極連接，復合開關(3)的繼電器(J)線圈的另一端以及續流二極管(D)的陰極與電源端(V)連接。
2.根據權利要求1所述的一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，其特征在于:所述的復合開關(3)包括雙向晶閘管(Tl)和繼電器(J)，雙向晶閘管(Tl)的控制端(G)與光耦過零觸發器(4)的輸出端連接，雙向晶閘管(Tl)的一端與繼電器(J)常開觸點的一端連接后，與負載(RL)連接，雙向晶閘管(Tl)的另一端與繼電器(J)常開觸點的另一端連接后，與零線(N)連接。
3.根據權利要求1所述的一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，其特征在于:所述的觸發延時電路包括電阻(R)、電容(C)以及三極管(T2)，電阻(R)的一端為觸發延時電路的輸入端，電阻(R)的另一端分兩路分別與電容(C)的一端以及三極管(T2)的基極連接，電容(C)的另一端以及三極管(T2)的發射極接地，三極管(T2)的集電極為觸發延時電路的輸出端。
4.根據權利要求1所述的一種民用紅外輻熱電爐的復合開關電路，其特征在于:所述的微處理器(2)的型號為ATMEGA16L ;所述的光耦過零觸發器(4)的型號為M0C3061 ;所述的繼電器(J)的型號為LNH33012-01。
【文檔編號】H03K17/08GK204089755SQ201420429565
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】方宗達 申請人:米技電子電器(上海)有限公司, 方宗達