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【摘要】本文从三态变频恒温控制器电路组成、各单元电路功能、设计思想及工作原理，给出了现场试用电路的实测数据。
【关键词】大功率熔铝电炉；设计；恒温；三态；变频
一、电路总体设计
三态恒温控制电路适用于大功率金属熔炉的温度控制。变频恒温控制器总体电路结构图如图1所示。总体电路主要由传感电压比较电路、控制电平电路、可变门限电路、跟踪范围校正电路、脉冲产生电路、输出隔离电路及电源等单元电路组成。
智能型热电偶温度表输出的误差电压Vt输入传感电压比较电路，与门限电平进行比较，比较输出电压送到控制电平电路的输入端，控制电平电路在脉冲信号的作用下产生控制电平，控制电平经输出电路放大后驱动光耦隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现三态恒温控制。可变门限电路受误差电压Vt、控制电平电路的输出和跟踪范围校正电路的控制，产生传感电压比较器的可变门限电压。输出隔离电路主要实现控制电路与可控硅供电电路的隔离并实施对双向可控硅门极触发的控制。脉冲产生电路为控制电平电路提供时钟信号。
二、电路设计及单元电路工作原理
三态变频恒温控制器电路原理图如图2所示，下面对电路的组成及电路的工作原理进行分析。
1、误差电压比较电路与可变门限电路。
集成运放A1与A2中，A1为误差电压比较器，A2实现门限电平的改变。比较器A1的反相输入端为误差电压Vt的输入端；A1同相端为比较电平，它由三部分电压叠加而成：(1)由R3、R4、R5电阻构成分压电路，在A1同相端提供一个正电压Vref。(2)受二极管D1通断控制，经过限流电阻R11提供一个负电压-VEE。(3)由D触发器Q输出端控制集成放A2输出的可变电平。这三部分的共同作用产生比较器A1的同相端的比较电平。具体工作原理如下：当智能型热电偶温度表输出的误差电压Vt较大时即实际炉温远低于设定温度To时，由于Vt远大于比较器A1同相端的比较电平，A1输出低电位。比较器A1输出端引至D触发器的输入端，所以此时D=0，触发器输出端Q =1，此信号经过射随器T2电流放大后驱动光电隔离器产生较小的输出电阻使双向可控硅触发导通供电，电阻丝加热工作，炉温获得提升。
当炉温逐渐逼近设定温度To时，智能型热电偶温度表送来的误差电压Vt不断下降，在Vt减小至A1同相端比较电压以下时， A1输出高电平即D=1，因而触发器的输出端Ｑ=0。此时光耦呈现阻断状态，双向可控硅关断停止供电，电阻丝停止加热。
在Ｑ=0，光耦阻断的同时，触发器的另一输出端Q=1，也就是A2反相端电位升高使得A2输出低电平，此时二极管D1关断，A1同相端的比较电压仅有Vref正电压的作用，因而A1同相端比较电压下降，使得A1输出低电平，即D=0，触发器的Ｑ=1，打开光耦使可控硅触发导通。触发器的另一输出端Q又恢复为0，A2反相端电位下降，A2输出高电平，二极管D1重又导通，A1的同相端电位升高使比较器A1再次输出高电平关断光耦。以上状态反复的结果使得电路输出间断电平控制可控硅间断导通，以较小的平均电流加热，结果使电路保持恒温。
由于出料使炉温瞬时快速上升或高于设定温度时，误差电压Vt下降低于最低比较电平，此时A1输出高电平即D=1， D触发器端等于0，光耦关断，可控硅截止，电热丝停止加热。经过关断期间电炉的热耗散过程，炉温上升变慢或下降。当逼近设定温度To时再次呈现恒温间断供电的过程。
当误差电压Vt在一定范围内波动时，如A1反相端电位Vt较高，A1输出端和Vt之间的压差也就较小，因而电容C1有充电时间就较短。这反映在恒温控制阶段间断电平频率较高。而当Vt较小时，A1输出端与反相端之间的压差也就较大，因而C1充电时间就较长，反映为输出间断电平频率较低。这就是间断电平的变频恒温控制原理。
2、控制电平电路
由A1实现误差比较积分输出电平接至D触发器CD4013的输入端，其输出端Ｑ与射随器T2控制光耦的工作。D触发器的另一输入端Q被引至A2的反相端用以产生恒温工作时A1的间断电平输出。
D触发器的时钟脉冲是由三级管T1接成共射组态接法的电路提供的。
3、隔离输出电路
D触发器的输出端经过T2射随器作电流放大后驱动光耦MOC3061。
每对光耦控制着一组双向可控硅的触发端。光耦3061的4脚，6脚分别与双向可控硅的门极相连。主电路中的双向可控硅及电热丝与三相电源以三相三线星形方式相连，因而只要控制其中两相就可以实现三相的控制功能。
4、电源及输出指示电路
电路中所需要的直流电源由+12V的直流稳压电源7812提供。图2中的LED1为电源指示。为了便于观察输出信号，采用发光二极管LED2串入光耦驱动器回路作为输出指示。当恒温状态输出间断电平时，可以观察到LED2在不断闪烁，且随着误差电压Vt的增大，闪烁频率加大。Vt很大时，电路处于全导通状态，LED2全亮。炉温上升过快或超过设定温度To时电路关断，LED2熄灭。恒温控制电路的全通、间断和关断三种状态可以由发光二极管LED2的发光状态观察出来。
三、现场实测数据
目前现场试用的三态变频恒温控制器电路板已实装于36千瓦熔铝电坩锅的配电柜内。热电偶智能温度控制表在不高于600Ω负载条件下输出4~20mA电流误差信号，转换为误差电压Vt时约为2.4~12V。
温控板在Vt<3V时输出关断电平；Vt>3V时开始输出间断电平；至9V时输出恒高全通电平；3V~9V之间输出间断控制电平；恒温时Vt变化范围为4.5~6V。温控信号变频区间为7Hz~12.5Hz；Vt关断电平3V到全通电平9V之间，温控信号最大变频范围为1Hz~25Hz。三态变频恒温控制器现场测试数据见表1。
表1 三态变频恒温控制器现场测试数据
现场试用结果表明三态变频恒温控制器恒温控制效果明显，工作稳定。当炉温度设定在920℃时，恒温误差可在±1℃之内，恒温精度高，满足大功率金属熔炉的恒温控制。
【参考文献】
［１］中国集成电路大全编委会，中国集成电路大全—集成运算放大器[M]，北京：国防工业出版社，1985
［２］康华光.《电子技术基础》（第四版）[M]，北京：高等教育出版社，2000
作者简介：朱健，(1970.8-- )，男，江苏泰州人，讲师，硕士，研究方向：嵌入式系统和自动控制
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
【关键词】大功率熔铝电炉；设计；恒温；三态；变频
一、电路总体设计
三态恒温控制电路适用于大功率金属熔炉的温度控制。变频恒温控制器总体电路结构图如图1所示。总体电路主要由传感电压比较电路、控制电平电路、可变门限电路、跟踪范围校正电路、脉冲产生电路、输出隔离电路及电源等单元电路组成。
智能型热电偶温度表输出的误差电压Vt输入传感电压比较电路，与门限电平进行比较，比较输出电压送到控制电平电路的输入端，控制电平电路在脉冲信号的作用下产生控制电平，控制电平经输出电路放大后驱动光耦隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现三态恒温控制。可变门限电路受误差电压Vt、控制电平电路的输出和跟踪范围校正电路的控制，产生传感电压比较器的可变门限电压。输出隔离电路主要实现控制电路与可控硅供电电路的隔离并实施对双向可控硅门极触发的控制。脉冲产生电路为控制电平电路提供时钟信号。
二、电路设计及单元电路工作原理
三态变频恒温控制器电路原理图如图2所示，下面对电路的组成及电路的工作原理进行分析。
1、误差电压比较电路与可变门限电路。
集成运放A1与A2中，A1为误差电压比较器，A2实现门限电平的改变。比较器A1的反相输入端为误差电压Vt的输入端；A1同相端为比较电平，它由三部分电压叠加而成：(1)由R3、R4、R5电阻构成分压电路，在A1同相端提供一个正电压Vref。(2)受二极管D1通断控制，经过限流电阻R11提供一个负电压-VEE。(3)由D触发器Q输出端控制集成放A2输出的可变电平。这三部分的共同作用产生比较器A1的同相端的比较电平。具体工作原理如下：当智能型热电偶温度表输出的误差电压Vt较大时即实际炉温远低于设定温度To时，由于Vt远大于比较器A1同相端的比较电平，A1输出低电位。比较器A1输出端引至D触发器的输入端，所以此时D=0，触发器输出端Q =1，此信号经过射随器T2电流放大后驱动光电隔离器产生较小的输出电阻使双向可控硅触发导通供电，电阻丝加热工作，炉温获得提升。
当炉温逐渐逼近设定温度To时，智能型热电偶温度表送来的误差电压Vt不断下降，在Vt减小至A1同相端比较电压以下时， A1输出高电平即D=1，因而触发器的输出端Ｑ=0。此时光耦呈现阻断状态，双向可控硅关断停止供电，电阻丝停止加热。
在Ｑ=0，光耦阻断的同时，触发器的另一输出端Q=1，也就是A2反相端电位升高使得A2输出低电平，此时二极管D1关断，A1同相端的比较电压仅有Vref正电压的作用，因而A1同相端比较电压下降，使得A1输出低电平，即D=0，触发器的Ｑ=1，打开光耦使可控硅触发导通。触发器的另一输出端Q又恢复为0，A2反相端电位下降，A2输出高电平，二极管D1重又导通，A1的同相端电位升高使比较器A1再次输出高电平关断光耦。以上状态反复的结果使得电路输出间断电平控制可控硅间断导通，以较小的平均电流加热，结果使电路保持恒温。
由于出料使炉温瞬时快速上升或高于设定温度时，误差电压Vt下降低于最低比较电平，此时A1输出高电平即D=1， D触发器端等于0，光耦关断，可控硅截止，电热丝停止加热。经过关断期间电炉的热耗散过程，炉温上升变慢或下降。当逼近设定温度To时再次呈现恒温间断供电的过程。
当误差电压Vt在一定范围内波动时，如A1反相端电位Vt较高，A1输出端和Vt之间的压差也就较小，因而电容C1有充电时间就较短。这反映在恒温控制阶段间断电平频率较高。而当Vt较小时，A1输出端与反相端之间的压差也就较大，因而C1充电时间就较长，反映为输出间断电平频率较低。这就是间断电平的变频恒温控制原理。
2、控制电平电路
由A1实现误差比较积分输出电平接至D触发器CD4013的输入端，其输出端Ｑ与射随器T2控制光耦的工作。D触发器的另一输入端Q被引至A2的反相端用以产生恒温工作时A1的间断电平输出。
D触发器的时钟脉冲是由三级管T1接成共射组态接法的电路提供的。
3、隔离输出电路
D触发器的输出端经过T2射随器作电流放大后驱动光耦MOC3061。
每对光耦控制着一组双向可控硅的触发端。光耦3061的4脚，6脚分别与双向可控硅的门极相连。主电路中的双向可控硅及电热丝与三相电源以三相三线星形方式相连，因而只要控制其中两相就可以实现三相的控制功能。
4、电源及输出指示电路
电路中所需要的直流电源由+12V的直流稳压电源7812提供。图2中的LED1为电源指示。为了便于观察输出信号，采用发光二极管LED2串入光耦驱动器回路作为输出指示。当恒温状态输出间断电平时，可以观察到LED2在不断闪烁，且随着误差电压Vt的增大，闪烁频率加大。Vt很大时，电路处于全导通状态，LED2全亮。炉温上升过快或超过设定温度To时电路关断，LED2熄灭。恒温控制电路的全通、间断和关断三种状态可以由发光二极管LED2的发光状态观察出来。
三、现场实测数据
目前现场试用的三态变频恒温控制器电路板已实装于36千瓦熔铝电坩锅的配电柜内。热电偶智能温度控制表在不高于600Ω负载条件下输出4~20mA电流误差信号，转换为误差电压Vt时约为2.4~12V。
温控板在Vt<3V时输出关断电平；Vt>3V时开始输出间断电平；至9V时输出恒高全通电平；3V~9V之间输出间断控制电平；恒温时Vt变化范围为4.5~6V。温控信号变频区间为7Hz~12.5Hz；Vt关断电平3V到全通电平9V之间，温控信号最大变频范围为1Hz~25Hz。三态变频恒温控制器现场测试数据见表1。
表1 三态变频恒温控制器现场测试数据
现场试用结果表明三态变频恒温控制器恒温控制效果明显，工作稳定。当炉温度设定在920℃时，恒温误差可在±1℃之内，恒温精度高，满足大功率金属熔炉的恒温控制。
【参考文献】
［１］中国集成电路大全编委会，中国集成电路大全—集成运算放大器[M]，北京：国防工业出版社，1985
［２］康华光.《电子技术基础》（第四版）[M]，北京：高等教育出版社，2000
作者简介：朱健，(1970.8-- )，男，江苏泰州人，讲师，硕士，研究方向：嵌入式系统和自动控制
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”