阻性負(fù)載數(shù)字式交流高頻斬波功率控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及調(diào)功設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種調(diào)功效率高、功率因數(shù)高的阻性負(fù)載數(shù)字式交流高頻斬波功率控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002]調(diào)功器是用于調(diào)整負(fù)載功率的功率調(diào)整單元，目前市場(chǎng)上以應(yīng)用晶閘管(又稱(chēng)可控硅)及其觸發(fā)控制蟲(chóng)路為核心的調(diào)功器仍占很大比重?？煽毓璧娜秉c(diǎn)為:首先可控硅靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過(guò)載能力較差，容易受到干擾而誤導(dǎo)通，降低系統(tǒng)的安全性和可靠性；其次在大功率運(yùn)用過(guò)程中可控硅會(huì)產(chǎn)生高次諧波，使電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)電網(wǎng)干擾嚴(yán)重，不符合“綠色能源”這一理念。目前市場(chǎng)上多數(shù)的調(diào)功器控制功能單一，只是設(shè)定單一的溫度值。近年來(lái)隨著數(shù)字電路尤其是單片機(jī)的發(fā)展，全控型器件性能的不斷改良，尤其是WIFI通信方式的普遍化，負(fù)載的調(diào)功系統(tǒng)需要進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種阻性負(fù)載數(shù)字式交流高頻斬波功率控制電路，以解決可控硅型調(diào)功器控制功能單一，易產(chǎn)生高次諧波，系統(tǒng)的安全性、可靠性不高的問(wèn)題。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
一種阻性負(fù)載數(shù)字式交流高頻斬波功率控制電路，本電路主要涉及阻性負(fù)載的加熱控制，其特征在于:它包括EMC濾波電路、調(diào)功主回路、光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路、溫度測(cè)量電路、MCU模塊控制電路、輔助電源；EMC濾波電路與調(diào)功主回路相連接，調(diào)功主回路與阻性負(fù)載R-LOAD相連接，阻性負(fù)載R-LOAD外側(cè)附著有溫度測(cè)量電路，溫度測(cè)量電路的輸出與MCU模塊控制電路端口相連接，MCU模塊控制電路的PffM輸出端口與光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路相連接，光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路與調(diào)功主回路中的絕緣柵雙極型晶體管Ql的柵極相連接；輔助電源為MCU模塊控制電路、光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路提供電源；所述調(diào)功主回路由電感器L2、電容C2組成的輸入級(jí)電感電容濾波電路，二極管Dl、二極管D2、二極管D4、二極管D5、絕緣柵雙極型晶體管Ql組成的交流開(kāi)關(guān)和電感器L1、電容Cl組成的輸出級(jí)電感電容濾波電路組成，二極管D1、二極管D2、二極管D4、二極管D5作為導(dǎo)向二極管，結(jié)合絕緣柵雙極型晶體管Ql可以對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，絕緣柵雙極型晶體管Ql工作在高頻開(kāi)關(guān)模式；所述MCU模塊控制電路內(nèi)部編寫(xiě)了增量式PID控制算法，同時(shí)內(nèi)部集成了頻率和占空比可調(diào)的PffM模塊、WIFI通信功能；本電路接通主電源后，交流輸入電壓經(jīng)過(guò)EMC濾波電路，濾除主電源的共模差模干擾信號(hào)，濾波后的電壓進(jìn)入調(diào)功主回路中，經(jīng)輸入級(jí)電感電容濾波電路濾波、交流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后進(jìn)入輸出級(jí)電感電容濾波電路再次濾波后，傳輸?shù)阶栊载?fù)載R-L0AD，阻性負(fù)載R-LOAD發(fā)熱溫度升高，溫度測(cè)量電路將檢測(cè)到的待測(cè)物體溫度信號(hào)傳輸給MCU模塊控制電路，MCU模塊控制電路將接收到的溫度信號(hào)與設(shè)定的溫度信號(hào)進(jìn)行比較，并經(jīng)過(guò)增量式PID控制算法計(jì)算后，將受控制的PffM傳輸給光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)一級(jí)倒相和一級(jí)推挽驅(qū)動(dòng)，送至絕緣柵雙極型晶體管Ql的柵極，進(jìn)而調(diào)整阻性負(fù)載的功率。
[0005]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述EMC濾波電路由集成在EMC濾波電路內(nèi)部的X濾波電容、Y濾波電容、共模電感，可以濾除主電源所輸入電壓的共模干擾和差模干擾，EMC濾波電路亦能夠減弱本電路對(duì)電網(wǎng)的影響，所述EMC濾波電路的型號(hào)為:CW4EL2-20A-S。
[0006]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述溫度測(cè)量電路由溫度傳感器U2、熱電偶轉(zhuǎn)換器U3組成，溫度傳感器U2為K型鎳鉻一鎳硅熱電偶，采集阻性負(fù)載R-LOAD的實(shí)時(shí)溫度，熱電偶轉(zhuǎn)換器U3為K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了濾波器、放大器等元件，并帶有熱電偶斷線檢測(cè)電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量并以串行方式傳送至MCU模塊控制電路，所述溫度傳感器U2的型號(hào)為WRN-122，所述熱電偶轉(zhuǎn)換器U3的型號(hào)為MAX6675。
[0007]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路由高速光耦Ul和電阻R3、電阻R6、三極管Q4組成的倒相電路以及三極管Q2、三極管Q3組成的推挽電路組成，高速光耦Ul用來(lái)隔離調(diào)功主回路的高壓與MCU模塊控制電路一側(cè)的低壓，推挽電路用以提高M(jìn)CU模塊控制電路輸出的PWM脈沖電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
[0008]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述輔助電源為反激式開(kāi)關(guān)電源電路，輸出二路電壓，第一路+12V電壓的地連接至絕緣柵雙極型晶體管Ql的發(fā)射極，并給光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路供電，第二路+3.3V電壓給MCU模塊控制電路和熱電偶轉(zhuǎn)換器U3供電。
[0009]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述MCU模塊控制電路中的設(shè)定溫度值是外部上位機(jī)通過(guò)WIFI通信功能進(jìn)行傳輸設(shè)定的，在有無(wú)線路由器的環(huán)境下，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)控制；所述設(shè)定溫度可以是單一的溫度值，也可以連續(xù)變化的溫度曲線；所述上位機(jī)與MCU模塊控制電路采用TCP協(xié)議通信。
[0010]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述MCU模塊控制電路的型號(hào)為CC3200。
[0011]作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述上位機(jī)是計(jì)算機(jī)或者智能手機(jī)。
[0012]在本發(fā)明中所述調(diào)功主回路中的核心的功率器件是由二極管D1、二極管D2、二極管D4、二極管D5作為導(dǎo)向二極管和絕緣柵雙極型晶體管Ql組成的交流開(kāi)關(guān)，由于單個(gè)的絕緣柵雙極型晶體管Ql是單向器件，對(duì)于交流電壓必須運(yùn)用二極管的單向?qū)щ娦约右越M合，才能構(gòu)成交流開(kāi)關(guān)。
[0013]本發(fā)明所述的阻性負(fù)載加熱控制電路，本質(zhì)上是調(diào)功電路，更深層次是交流調(diào)壓電路，由于運(yùn)用了絕緣柵雙極型晶體管Ql作為功率開(kāi)關(guān)，絕緣柵雙極型晶體管Ql工作在高頻開(kāi)關(guān)模式，將主電源的一個(gè)周期分成無(wú)數(shù)的小份，頻率不變，占空比變化，占空比越大，則輸出電壓越大，占空比越小，則輸出電壓越低。
[0014]本發(fā)明所述電路的溫控過(guò)程為:對(duì)于輸入的交流電壓，用高頻PWM將其斬波，輸出的電壓作用于阻性負(fù)載用以加熱，溫度傳感器附于阻性負(fù)載之上，本電路將待測(cè)物體溫度與設(shè)定溫度相比較，MCU模塊控制電路內(nèi)部通過(guò)增量式PID閉環(huán)反饋以控制阻性負(fù)載的加熱量。
[0015]本發(fā)明適用的負(fù)載性質(zhì)僅為阻性負(fù)載，當(dāng)接入容性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，由于沒(méi)有續(xù)流通路而造成電路工作異常，更有可能損壞內(nèi)部功率器件。
[0016]本發(fā)明是對(duì)調(diào)功設(shè)備精密溫控提出了一種新思路，本質(zhì)上講，根據(jù)實(shí)際需要可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)部元件參數(shù)，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際應(yīng)用的電路。例如如果市場(chǎng)上需求一種大功率高溫精密加熱設(shè)備，對(duì)于本發(fā)明可以選擇范圍合適的溫度傳感器U2、符合功率要求的絕緣柵雙極型晶體管Q1，如果其功率仍不夠，可以選擇IGBT模塊等等，而且應(yīng)當(dāng)選擇合適的散熱器耗散掉絕緣柵雙極型晶體管Ql上和四個(gè)導(dǎo)向二極管上的熱量，以提高電路的使用壽命，必要時(shí)還需增加風(fēng)冷散熱器或者液冷散熱器。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:
(1)本發(fā)明所述電路的效率高，調(diào)功核心采用高頻斬波式全控型器件絕緣柵雙極型晶體管Q1，其工作在尚頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故而大大提尚了電路的工作效率；
(2)本發(fā)明功率因數(shù)高，由于采用絕緣柵雙極型晶體管Ql高頻斬波，濾波相對(duì)簡(jiǎn)單，輸入電流跟隨輸入電壓，與可控硅調(diào)功相比，大大提高了功率因數(shù)；
(3)本發(fā)明所述的阻性負(fù)載的功率控制方法先進(jìn)，不同于設(shè)定的單一溫度值，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度曲線進(jìn)行阻性負(fù)載的加熱控制；
(4)本發(fā)明控制功能強(qiáng)大，所述MCU模塊控制電路中的設(shè)定溫度值是外部上位機(jī)通過(guò)WIFI通信功能進(jìn)行傳輸設(shè)定的，在有無(wú)線路由器的環(huán)境下，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)控制；所述設(shè)定溫度可以是單一的溫度值，也可以是溫度曲線；所述上位機(jī)與MCU模塊控制電路采用TCP協(xié)議通信，將此種通信方式應(yīng)用到本發(fā)明中，使其成為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)；
(5)本發(fā)明所述電路的溫控精密性高，采用熱電偶溫度傳感器，附著在阻性負(fù)載上，在MCU模塊控制電路中運(yùn)用了增量式PID閉環(huán)反饋控制所輸出的PffM脈沖，能夠滿足精密溫控要求。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]一種阻性負(fù)載數(shù)字式交流高頻斬波功率控制電路，本電路主要涉及阻性負(fù)載的加熱控制，其特征在于:它包括EMC濾波電路、調(diào)功主回路、光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路、溫度測(cè)量電路、MCU模塊控制電路、輔助電源；EMC濾波電路與調(diào)功主回路相連接，調(diào)功主回路與阻性負(fù)載R-LOAD相連接，阻性負(fù)載R-LOAD外側(cè)附著有溫度測(cè)量電路，溫度測(cè)量電路的輸出與MCU模塊控制電路端口相連接，MCU模塊控制電路的PffM輸出端口與光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路相連接，光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路與調(diào)功主回路中的絕緣柵雙極型晶體管Ql的柵極相連接；輔助電源為MCU模塊控制電路、光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路提供電源；調(diào)功主回路由電感器L2、電容C2組成的輸入級(jí)電感電容濾波電路，二極管Dl、二極管D2、二極管D4、二極管D5、絕緣柵雙極型晶體管Ql組成的交流開(kāi)關(guān)和電感器L1、電容Cl組成的輸出級(jí)電感電容濾波電路組成，二極管D1、二極管D2、二極管D4、二極管D5作為導(dǎo)向二極管，結(jié)合絕緣柵雙極型晶體管Ql可以對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，絕緣柵雙極型晶體管Ql工作在高頻開(kāi)關(guān)模式;MCU模塊控制電路內(nèi)部編寫(xiě)了增量式PID控制算法，同時(shí)內(nèi)