姚正武，朱萬祥

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)備開閉環(huán)系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)方式的研究*

姚正武1，2*，朱萬祥2

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)備雙向晶閘管功調(diào)系統(tǒng)常存在零點誤差大、諧波含量高、溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差、調(diào)整過程長、誤差大等缺點。針對不足，對智能無級調(diào)節(jié)器實踐案例和相關(guān)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(wěn)定、通斷點精確、功率連續(xù)、諧波含量低、恒溫調(diào)節(jié)有效。該調(diào)節(jié)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(shè)備精確調(diào)節(jié)；系統(tǒng)調(diào)節(jié)實驗；系統(tǒng)穩(wěn)定性；動態(tài)調(diào)整；溫度調(diào)節(jié)誤差；實驗研究法；逐次自動逼近法

具有大熱慣性的電熱設(shè)備應(yīng)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(yè)電爐、工業(yè)加熱干燥設(shè)備等工業(yè)設(shè)備，另外在農(nóng)林產(chǎn)品烘干、除濕、加熱、加濕等方面也不乏見到電熱設(shè)備的蹤影［1］。而這些設(shè)備在應(yīng)用中常常會碰到電熱功率精準調(diào)節(jié)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(diào)功系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用［2］。雙向晶閘管的調(diào)功主要有調(diào)壓、過零觸發(fā)調(diào)功兩種調(diào)節(jié)方式。調(diào)壓調(diào)功是通過改變其在電源每個周期中導(dǎo)通角從而改變輸出電壓的有效值來實現(xiàn)功率的改變，此種方式會造成設(shè)備無功功耗增加、設(shè)備功率因數(shù)降低、電網(wǎng)諧波含量高等缺點［3］。過零觸發(fā)調(diào)功是通過改變每個通斷周期中導(dǎo)通和關(guān)斷的正弦交變電源周波數(shù)來實現(xiàn)對電熱設(shè)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(xiàn)對電熱設(shè)備精確調(diào)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(fā)生一定的畸變，使諧波含量增加。在過零觸發(fā)調(diào)功方式下實現(xiàn)精確調(diào)功除了過零點的精確檢測以外，在電熱設(shè)備對溫度實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定控制的目的時，現(xiàn)有的一些系統(tǒng)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(diào)整改變，以期求得溫度等的穩(wěn)定性，其缺點是往往系統(tǒng)處于不斷的動態(tài)調(diào)整中，調(diào)整的時間長且伴隨著設(shè)備工作的整個過程，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，部分系統(tǒng)還存在溫度等量調(diào)節(jié)誤差大的缺陷［5］。本文將結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計的電熱智能無級調(diào)節(jié)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(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)建構(gòu)

電熱設(shè)備開閉環(huán)精確調(diào)功系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)配合精確調(diào)節(jié)電熱功率。由手動/自動A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)方式下改變與電發(fā)熱輸出功率對應(yīng)的調(diào)節(jié)控制量大小，在自動方式下實現(xiàn)溫度變送電壓量的A/D轉(zhuǎn)換以及溫度量的預(yù)設(shè)功能。由功率百分比或溫度顯示電路實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)方式下輸出功率百分比的顯示、自動調(diào)節(jié)方式下溫度的顯示。由溫度預(yù)設(shè)及警示電路實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)方式下達到預(yù)設(shè)溫度時發(fā)出聲光警示。由負載供電接口電路實現(xiàn)對負載電熱功率的調(diào)節(jié)輸出。由單片機作為系統(tǒng)核心控制器件實現(xiàn)系統(tǒng)精確智能無級調(diào)節(jié)。

圖1 電熱設(shè)備開閉環(huán)精確調(diào)功系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dǎo)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(diào)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(dāng)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(chǎn)生與市電同步的方波信號［9］，經(jīng)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(xiàn)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(qū)動電路如圖3所示。當(dāng)需要對電熱設(shè)備輸出電功率時，由單片機在電源Ui過零點時向P3.7腳發(fā)出低電平，在7407緩沖器驅(qū)動下，光耦驅(qū)動器MOC3041輸入端的發(fā)光二極管被驅(qū)動，其輸出端6腳和4腳在雙向晶閘管VT門極產(chǎn)生觸發(fā)電壓，VT在市電Ui過零點時導(dǎo)通，Ui對電熱設(shè)備輸出電熱功率。當(dāng)停止輸出時，則由單片機在電源Ui過零點時向P3.7腳發(fā)出高電平，MOC3041輸出端關(guān)斷，VT門極無觸發(fā)電壓，VT在市電Ui過零點時自然關(guān)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(shè)備的供電電路而言，其優(yōu)勢不僅在于電源過零點時的準確驅(qū)動控制，而且無論對純阻性質(zhì)的電熱設(shè)備還是具有一定感性的電熱設(shè)備都具有有效的過電壓保護功能。R8、C2串聯(lián)后并接在VT兩端可以吸收VT關(guān)斷時引起的過電壓，同時可抑制VT關(guān)斷時兩端過高的電壓上升率。壓敏電阻RT并接在VT兩端，當(dāng)具有一定感性的電熱設(shè)備負載在電源電壓過零時，電流還未過零，在VT關(guān)斷時可能會引起更高過電壓，當(dāng)出現(xiàn)更高過電壓時，由RT予以吸收［11］。

2 開閉環(huán)精確調(diào)功軟件系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 閉環(huán)調(diào)節(jié)原理

有句俗語“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，其寓意就是單純從頭（腳）痛的現(xiàn)象去醫(yī)治，而并沒有發(fā)現(xiàn)頭（腳）痛的本質(zhì)，結(jié)果就是不能根治病痛，使得病痛成為一個長期醫(yī)治的過程，甚至使得人體系統(tǒng)出現(xiàn)其他不穩(wěn)定問題。同理針對電熱設(shè)備對溫度等物理量閉環(huán)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)也存在同樣的思路問題，如果單純從調(diào)節(jié)的溫度出發(fā)，追求其穩(wěn)定控制，勢必造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)是一個長期的不斷調(diào)節(jié)過程，甚至?xí)斐杀容^大的調(diào)節(jié)誤差［12］。

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

但是負載散熱功率參數(shù)又是一個復(fù)雜可變的量，因為電熱設(shè)備負載工作環(huán)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(jié)合創(chuàng)新案例來闡述。

2.2 閉環(huán)調(diào)節(jié)兩種方案

（1）實驗研究法

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

若采用創(chuàng)新案例電熱智能無級調(diào)節(jié)器設(shè)備中的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖4所示，結(jié)合設(shè)備案例可以這樣調(diào)節(jié)。先按下K1按鍵（手動/自動切換按鍵）切入閉環(huán)自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)動功率調(diào)節(jié)旋鈕P，預(yù)設(shè)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(diào)節(jié)的電壓量相一致，這由硬件系統(tǒng)電路來實現(xiàn)）設(shè)置完，按下按鍵K3確認，確認后，按下K2按鍵（閉環(huán)自動調(diào)節(jié)啟動按鍵），系統(tǒng)進入自調(diào)。

圖4 電熱智能無級調(diào)節(jié)器

自調(diào)過程由軟件系統(tǒng)實現(xiàn)，具體控制過程如下：

系統(tǒng)自啟動后，先按開環(huán)手動調(diào)節(jié)原理，電熱設(shè)備以100%滿功率對負載加熱，當(dāng)負載達到預(yù)設(shè)溫度值時，電熱設(shè)備調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢測到溫度變送器轉(zhuǎn)換的相應(yīng)電壓量時，發(fā)出聲光警示，并調(diào)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(wěn)定。

實驗誤差，可以在系統(tǒng)達到預(yù)設(shè)溫度值時，通過軟件系統(tǒng)在實驗值基礎(chǔ)上，微調(diào)一個或幾個功率單位刻度來實現(xiàn)，本案例一個功率單位刻度為0.5%。

該法調(diào)節(jié)的優(yōu)勢就在于溫度調(diào)節(jié)的速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定的時間短、穩(wěn)定性好。

（2）逐次自動逼近法

針對電熱設(shè)備對負載進行加熱的工作環(huán)境不固定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以把實驗獲得散熱功率參數(shù)的過程融入系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的過程中［15］。具體做法，如圖5所示。

在程序流程圖中，達到預(yù)設(shè)溫度時維持溫度的輸出電功率初始值為50%PN，T實際、T設(shè)定、T前值分別指實時溫度值、溫度設(shè)定值、溫度前值，標(biāo)志位14H、15H置位分別表示當(dāng)前溫度低于、高于預(yù)設(shè)溫度，標(biāo)志位16H、17H置位分別表示達到預(yù)設(shè)溫度時輸出電功率在初始值基礎(chǔ)上按遞減、遞增方式調(diào)整。

如圖5所示，T實際不等于T設(shè)定時，若T實際與T前值相等，主要原因是系統(tǒng)程序運行快和電功率調(diào)整輸出變化快，而電熱效應(yīng)慢致使系統(tǒng)溫度變化滯后，此時電功率不調(diào)整，通過不斷循環(huán)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(shè)定進行比較，若T實際大于T設(shè)定，則使標(biāo)志位15H置1并暫停電功率輸出，若T實際小于T設(shè)定，則使標(biāo)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(shè)定時，若T實際與T前值相等，溫度穩(wěn)態(tài)計數(shù)器單元7FH增1并顯示T實際和延時20 ms，若此狀態(tài)保持5 s（時間可以改變）以上，說明系統(tǒng)已達穩(wěn)態(tài)，使標(biāo)志位和溫度穩(wěn)態(tài)計數(shù)器單元7FH清零，若此狀態(tài)未達5 s，此時電功率不調(diào)整，繼續(xù)循環(huán)監(jiān)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(biāo)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(diào)輸出并使16H置1。若為10，則按功率（P+10%PN）電功率不斷粗調(diào)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(diào)輸出，17H為1時，則按功率（P-0.5%PN）電功率不斷微調(diào)輸出。

圖5 逐次自動逼近法程序流程圖

3 系統(tǒng)實驗

采用圖4所示的電熱智能無級調(diào)節(jié)器（以下簡稱調(diào)節(jié)器），把交流220 V市電從輸入電源插口接入。為了測試調(diào)節(jié)器系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)輸出是否穩(wěn)定，在調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器功率輸出的穩(wěn)定性、通斷周期和占空比。調(diào)節(jié)器輸出電壓波形（即燈泡負載兩端電壓波形）通過優(yōu)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(dǎo)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(diào)節(jié)器的輸出端。

測試結(jié)果：白熾燈以4 s為周期亮滅，且輸出穩(wěn)定，當(dāng)導(dǎo)通占空比發(fā)生改變，則導(dǎo)通時間正弦波周波數(shù)發(fā)生改變，4 s內(nèi)白熾燈亮的時間也作相應(yīng)改變，如圖6（b）所示。調(diào)節(jié)器每個通斷周期輸出波形穩(wěn)定，導(dǎo)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(yīng)，當(dāng)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(diào)節(jié)器手動調(diào)節(jié)輸出功率，最后達到在現(xiàn)有的散熱環(huán)境下維持電烙鐵焊接溫度穩(wěn)定時調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器在自動運行狀態(tài)下，把電水壺中水溫信號接入調(diào)節(jié)器后，調(diào)節(jié)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(jié)論

通過上述論證分析，本文研究的電熱設(shè)備開閉環(huán)智能無級功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論在開環(huán)（手動調(diào)節(jié)）還是閉環(huán)（自動調(diào)節(jié)）狀態(tài)，系統(tǒng)輸出功率不僅可連續(xù)調(diào)節(jié)，而且輸出波形每個通斷周期穩(wěn)定，導(dǎo)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(zhì)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(tǒng)中應(yīng)用不僅溫度等物理量能實現(xiàn)穩(wěn)定控制，而且系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整過程短、溫度等量調(diào)節(jié)誤差小。

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姚正武（1969-），男，漢族，江蘇揚州，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)、嵌入式智能控制、電氣照明、電機與電器、自動化技術(shù)，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(tǒng)、嵌入式智能控制、自動化技術(shù)，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