Микроконтроллер-симистор-ТЭН

[Игорь]

Предлагаю обсудить проблему Управления нагревом с помощью контроллера.

Изложу свои заблуждения в этом направлении.
Чтобы облегчить прицельное метание табуреток, все свои предположения нумерую.

Взгляд сантехника.

Предположение № 1.
Симистор. Это такой замочек, который можно открыть в любой момент , а закрыть - только когда сетевое напряжение переходит через "ноль".
Другими словами, чтобы открыть симистор, достаточно заслать сигнал (пусть даже коротенький) на его управляющий электрод, и он останется открытым до тех пор, пока сетевое напряжение не пересечет "ноль". В момент пересечения нуля симистор закроется и будет оставаться закрытым до тех пор, пока мы снова не зашлем ему импульс на управляющий электрод.

Предположение № 2.
Чтобы держать симистор открытым какое-то время, можно:
а) удерживать постоянное напряжение на его управляющем электроде;
б) подавать короткие импульсы на управляющий электрод с частотой, заметно превышающей частоту сетевого напряжения.

При этом нужно понимать, что время открытого состояния симистора не будет равно времени подачи управляющего сигнала - после остановки управляющего сигнала симистор дотянет до конца сетевого полупериода, и только тогда закроется.

Предположение № 3.
Один из способов управления мощностью - периодическая подача напряжения в нагрузку.
За 1 секунду в сети пробегает 100 полуволн напряжения. Если мы дадим в нагрузку 10 полуволн, а затем 90 пропустим, мощность составит 10% он номинальной. Изменяя соотношение посылаемых в  нагрузку и пропускаемых полуволн, можно в широких пределах регулировать отдаваемую мощность. Одна беда - если мощность ТЭНов саставляет несколько киловатт, а количество переключений меньше 20 раз в секунду, просадки напряжения в сети вызывают заметное мерцание осветительных ламп.
Если это продолжается 5-10 минут, с этим можно смириться. Но если это продолжаетсмя сутки, мерцание напрягает.
Направшивается вывод - переключать чаще, чем 20 раз в секунду... но это не выход. Если переключать чаще 20 раз в секунду, мы сможем оперировать всего пятью полупериодами, и шаг управления составит 20% мощности.

Эти рассуждения привели меня к выводу, что управление с привязкой к нулю не  подходит нам, и решение нужно искать в другой плоскости - в методе фазового регулирования.

Предположение № 4.
Что за крокодил - фазовое регулирование?
Это такой способ управления мощностью, когда напряжение подается в нагрузку не в виде периодически подаваемых целых полуволн, а в виде "обрывков" полуволн. Каждая полуволна синусоиды сетевого напряжения подается в нагрузку, однако не в целом виде, а в виде куска, у которого оторвана большая или меньшая часть переднего фронта. Другими словами, мы включаем нагрузку 100 раз в секунду, и вызываемое этим 100-герцовое мерцание никак не заметно - ведь осветительные лампы всегда мерцают с такой частотой.
Поговаривают о сетевых помехах, которые вызывает такое регулирование - действительно, форма сетевой синусоиды заметно искажаются, я заметил, что электрочайник, включенный в сеть, если прислушаться, начинает издавать странные звуки, и электросчетчик тоже слегка "звучит", но на мой взгляд это гораздо легче выдержать, чем непрерывное мерцание лампочек, и поэтому  нужно останавливаться на фазовом регулировании.

Предположение № 5.
Итак, чтобы дать в нагрузку не сетевое напряжение, а уменьшенное, нужно во время каждого полупериода открыть симистор не как только синусоида оторвется от нуля, а чуть позже. Закроется симистор сам в момент, когда синусоида вернется к нулю. Чем позже мы откроем симистор, тем меньшая мощность будет отдана в нагрузку.

Предположение № 6.
Как измерить отдаваемое в нагрузку напряжение? И вообще - что такое напряжение? Когда мы говорим "220 вольт", не задумываемся о том, что напряжение в сети постоянно изменяется, и 220 - это постоянное напряжение, которое даст такую-же работы, такой-же тепловой эффект, как и наше переменное напряжение.
Раньше его называли действующим, эффективным, сейчас называют  среднеквадратичным - это правильнее отражает его сущность.

Guests are not allowed to view images in posts, please Register or Login


Жуть... интегралы... а я - сантехник...
Прорвемся, переведем эту формуру на язык сантехника.
Эта формула прямо указывает как измерять напряжение.

Чтобы определить действующее напряжение сети переменного тока, нужно длительность каждого периода сетевого напряжения разбить на равные маленькие участки.
Во время каждого из них измерить мгновенное значение напряжение, возвести в квадрат и складывать между собой, а когда период закончится, разделить сумму на общее количество участков в периоде и извлечь корень.

Полученным значением можно пользоваться для дальнейших расчетов точно так, как используют напряжение в расчетах постоянного тока.

Предположение № 7.
Ближе к делу, много предисловий.
План действий.
Допустим, мы хотим установить на нагрузке стабильное напряжение 100 вольт, а в сети у нас обычное безобразие от 180 до 250.

Делим полуволну сетевого напряжения на 100 участков. Длительность полуволны 1/100 секунды, измерять напряжение надо в 100 раз чаще, значит частота выборок напряжения будет 10 килогерц. Наверное это не много для нашего контроллера.

Пора бежать на работу, потом продолжу.

[m16]

1-ок
2-а) не обязательно постоянное , достаточно соединить управляющий электрод с анодом через резистор
3-ок это есть управление симистором по алгоритму Брензенхема

просадки напряжения в сети вызывают заметное мерцание осветительных ламп.

это не есть недостаток управления симистором , это есть убогость вашей проводки в виде малого сечения и N-го количества скруток  от розетки до щитка которую необходимо исправлять
4-говяный способ управления ввиду больших создаваемых помех
5-ок
6-ок
7-30-ти выборок достаточно и авр с этим справится

исходя из п.6 и п.7 ты замыслил  РМ-2 повторить.

есть ещё один способ управления нагревом- время импульсный.  за фиксированный период времени , как правило около 2 сек , симистор открывается  на время пропорциональное заданной мощности . я с таки управлением столкнулся на немецком производственном оборудовании именно в блоках связанных с нагревом воды , масла , лака , поликарбоната. этот алгоритм легко реализуется на авре с помощью таймеров причём от процессора требуется только занести код в регистры сравнения и он свободен. таймеры работают в автономе. скажем на  меге48 я организовал четыре канала время-импульсного управления. имхо тебе такой способ не понравится - лампочки моргать будут.
меняйте проводку господа

[GrOV]

m16,

меняйте проводку господа

Не реально... :(  Особенно, если старый фонд или деревня (дача), где 40 домов на одном 25кВт- ном трансе... ;)

[m16]

безвыходных ситуаций не бывает .  пользовать альтернативные источники нагрева, на электричестве свет клином не сошёлся

[Игорь]

4-говяный способ управления ввиду больших создаваемых помех

Я сделал и разослал по всему миру пару десятков схем с таким управлением - (1182ПМ1). Никто не жалуется на помехи.

исходя из п.6 и п.7 ты замыслил  РМ-2 повторить.

Мне очень нравится фазовый регулятор-стабилизатор РМ-2, вот я и пытаюсь разобраться с алгоритмом его работы, сделать выводы и применить такой, на мой взгляд весьма удачный, способ. Может с какими-то изменениями

7-30-ти выборок достаточно и авр с этим справится

Не уверен, что 30-ти выборок достаточно. Разница между двумя выборками составит в среднем 3% от регулируемой величины, значит точность поддержания установленого напряжения составит 6 вольт. (У РМ-2 - 1 вольт).
Если мне надо установить 100 вольт, а получается 94 или 106, несоответствие в отдаваемой мощности составит 12%, это недопустимо большой шаг регулирования.

[Игорь]

Продолжаю утреннее словоблудие...

Итак, на первый взгляд задача решается просто. Сразу после пересечения синусоидой нуля, начинаем суммирование квадратов выборок, и когда корень из суммы этих квадратов достигнет заведомо установленного значения, запираем симистор. И так каждый полупериод.
Всё просто, но не получится - мы не можем закрыть симистор во время полупериода, когда сетевое напряжение не равно нулю.
Кроме того, нужно учесть, что сетевое напряжение редко бывет симметричным, и наверное есть смысл расчет делать не по полупериоду, а по целому периоду.

Подходим с обратной стороны. Допустим, мы делаем 200 выборок за два полупериода. Сразу после задания необходимого напряжения, программа вычисляет число выборок, которые нужно пропустить до момента открытия симистора.
При включении нагрузки, система пропускает вхолостую нужное число тактов выборки, а затем открывает симистор и начинает суммирование квадратов выборок за два полупериода. Если корень из этой суммы соответствует установленному нами значению, количество пропускаемых тактов используется и дальше. Если не соответствует, корректируем число пропускаемых тактов.

Коррекцию можно сделать "тупой" - если получившееся напряжение ниже заданного - открываем симистор на один такт раньше, больше заданного - открываем на один такт позже.

Можно сделать умнее, привязав количество добавляемых или отнимаемых тактов к значению ошибки. Большой разницы не вижу, в любом случае коррекция будет отрабатывать за доли или единицы секунд.

Наверное такую задачу есть смысл поручать отдельному маленькому контроллеру, который не будет иметь гальванической развязки с сетью. Так на мой взгляд будет проще и ноль ловить, и мгновенное значение напряжения измерять.

[m16]

Можно сделать умнее, привязав количество добавляемых или отнимаемых тактов к значению ошибки.

это уже есть подобие П регулятора. но лучше применять ПИД рерулирование

Я сделал и разослал по всему миру пару десятков схем с таким управлением - (1182ПМ1). Никто не жалуется на помехи.

вижу два варинта:
а)между розеткой и регулятором ты ставил хороший фильтр
б)твои клиенты не хотят их видеть (сетевые помехи)

(У РМ-2 - 1 вольт).

проверенный факт? или бумаге веришь?

Не уверен, что 30-ти выборок достаточно. Разница между двумя выборками составит в среднем 3% от регулируемой величины, значит точность поддержания установленого напряжения составит 6 вольт.

ну и что ? как такая точность повлияет на качество продукта? в конце концов можно среднее взять с десятка периодов , точность повысится однозначно

Допустим, мы делаем 200 выборок за два полупериода.

уже по этому параметру авр не катит , минимальное время  преобразование при максимальной разрешающей способности (10 разрядов , ведь восемь разрядов тебя не устроит)  составляет  125мкс. либо другой проц осваивать либо внешний ацп  с спи интерфейсом

[Игорь]

а)между розеткой и регулятором ты ставил хороший фильтр
б)твои клиенты не хотят их видеть (сетевые помехи)

а)Фильтр не ставил.
б) Помех не видно. Да и как эти помехи увидишь? Их получается только услышать - "звенит" счетчик. Больше никаких проявлений.

[luubek]

Каждая полуволна синусоиды сетевого напряжения подается в нагрузку, однако не в целом виде, а в виде куска, у которого оторвана большая или меньшая часть переднего фронта....

Поговаривают о сетевых помехах, которые вызывает такое регулирование - действительно, форма сетевой синусоиды заметно искажаются...

Сразу после пересечения синусоидой нуля, начинаем суммирование квадратов выборок, и когда корень из суммы этих квадратов достигнет заведомо установленного значения, запираем симистор. И так каждый полупериод.
Всё просто, но не получится - мы не можем закрыть симистор во время полупериода, когда сетевое напряжение не равно нулю....

Приблизно чверть віку тому мені довелось на роботі спроектувати фазовий регулятор напруги. Завдання стояло  мінімізувати завади на мережу. Так як я за освітою не схемотехнік, я взяв за основу схему з якогось журналу і щось там переробив. Точно пам"ятаю, що завади на мережу суттєво вдалось зменшити саме тому, що сеиістор відкривався при проходженні через 0, а закривався під час півперіоду. Впевнений, що відірвати задню частину синусоїди спеціалісти зможуть, хоча це ускладнить схему..

[m16]

хоча це ускладнить схему..

ну да , осталось найти запираемые симисторы. обрезание полуволне задницы не уменьшит помехи , фнч нужно ставить для их уменьшения

[Zapal]

В принципе легко управляемый коммутатор постоянного тока - легко сделать даже на тиристорах. 
можно легко сделать аналог ШИМ регулирования.
частоту и скважность выбираем сами - в приделах 500 Гц.

сетевое напряжение выпрямляется, идет на сетевой фильтр.
Далее, с помощью пары вспомогательных тиристоров - легко управляется как включение основного тиристора так и принудительное его отключение в цепи постоянного тока. 

я этими вопросами занимался еще лет 20 назад.  никаких проблем.
абсолютно неубиваемая простая система.

[m16]

Запал с первым постом тебя!

я этими вопросами занимался еще лет 20 назад.  никаких проблем

сейчас намного проще - IXBT транзисторы . все сварочные инверторы на них построены.