2.3. Функціональна схема та принцип роботи контролера геліосистеми тк-5

Контролер сонячного колектору гарячого водопостачання ТК-5 складається з вісьмох блоків (рис. 2.6.).

Розглянемо кожний блок окремо. Блок живлення відповідаю за подачу потрібної стабілізованої напруги на інші блоки (наприклад дисплей, мікропроцесор та ін.). Він складається з трансформатора напруги, випрямляча, згладжувального фільтру та стабілізатора напруги.

За обробку всіх вхідних даних, виведення інформації на дисплей а також керуванням двигуном та нагрівачем відповідає мікропроцесор.

Рис. 2.6. Функціональна схема контролера геліосистеми ТК-5.

Для встановлення необхідних параметрів роботи контролера ТК-5 використовуються чотири кнопки: TEMP KEEP, TIMER, WATER LEVEL, WATER LOAD.

Для відображення параметрів роботи контролера використовується індикаторний дисплей. На ньому відображається рівень води в колекторі, температура води в колекторі а також додаткові параметри.

Для підключення датчика рівня води а також для підключення датчика температури води на платі контролера присутні спеціальні роз’єми. Вони в свою чергу підключені через підсилювальну ланку до ніжок мікроконтролера з яких він зчитує показання цих датчиків.

Для управління водонагрівачем присутня схеми з використання електромагнітного реле.

Двигун для поповнення рівня води в колекторі підключається до контролера за допомогою електричної схеми з використанням електромагнітного реле.

Після включення контролера, мікропроцесор зчитує інформацію з датчиків рівня та температури води і відображає їх на дисплеї. Потім по заданій програмі або по стандартній програмі починає працювати контролер. Якщо води в колекторі недостатньо для роботи або її рівень не відповідає рівню встановленому програмою то мікропроцесор вмикає двигун для поповнення води в колекторі. Якщо температура води не відповідає температурі води встановленій користувачем то автоматично вмикається водонагрівач. Якщо всі параметри відповідають параметрам встановленим користувачем то контролер переходить в режим очікування.

Електромагнітне реле, котре використовується в контролері сонячної системи гарячого водопостачання має обмежений електричний та механічний ресурс а також створює електричні перешкоди при замиканні і розмиканні контактів. Для усунення цих недоліків пропоную замінити електричну схему підключення потужних навантажень до мікроконтролера за допомогою електромагнітного реле на електричну схему з використанням симістора.

2.4. Симісторний ключ

В нашому випадку потрібно слабким сигналом з мікроконтролера включити потужне навантаження (електродвигун чи водонагрівач). Перше що приходить на розум - реле. Але не поспішайте, є спосіб краще.

Насправді, реле має свої проблеми. По перше вони дорогі, по-друге, щоб живити обмотку реле потрібен підсилює транзистор, так як слабка ніжка мікроконтролера не здатна на такий подвиг. Ну, а по-третє, будь-яке реле це дуже громіздка конструкція, особливо якщо це є силове реле, розраховане на великий струм [8].

Якщо мова йде про змінний струм, то краще використовувати симістор або тиристори.

Якщо на керуючий вхід не подати струм відкриття, то тиристор не пропустить струм, навіть у прямому напрямку. Але варто подати хоч короткий імпульс, як він одразу відкривається і залишається відкритим до тих пір, поки є пряма напруга. Якщо напругу зняти або поміняти полярність, то тиристор закриється. Полярність напруги, що управляє переважно повинна збігатися з полярністю напруги на аноді.

Якщо з'єднати зустрічно паралельно два тиристора, то вийде симістор - відмінна штука для комутації навантаження на змінному струмі.

На позитивній половині синусоїди пропускає один тиристор, а на негативній інший. Причому пропускають тільки при наявності керуючого сигналу. Якщо сигнал керування зняти, то на наступному ж періоді обидва тиристора закриються і ланцюг обірветься. Саме таку схему треба використовувати для керування навантаженням.

Але тут є одна тонкість - комутуємо ми силову високовольтну ланку, 220 вольт. А контролер у нас низьковольтний, працює на п'яти вольтах. Тому, щоб уникнути ексцесів потрібно зробити потенційну розв'язку. Тобто зробити так, щоб між високовольтної і низьковольтної частиною не було прямого електричного з'єднання. Наприклад, зробити оптичне розділення. Для цього існує спеціальна збірка – симісторний оптодрайвер MOC3063 (рис.2.7.).

Рис. 2.7. Симісторний ключ.

Симісторний ключ BT139-600 – максимальний струм до 15A, максимальна напруга до 600V -елемент U1. Реальний максимальний струм ключа обмежується нагріванням симістора. Тобто виділяємої на ньому потужністю Падіння напруги на відкритому симісторі становить близько 1V. Відповідно, для струму навантаження 1A і менш, що виділяється потужність складе менше 1W і радіатор не обов'язковий. А при струмі близько 7A виділяєма потужність складе близько 7W – необхідний радіатор досить великої площі. У конкретній конструкції площа радіатора близько 20cm2.

Симісторний оптрон MOC3063 з контролем переходу фази напруги через нуль, з вхідним струмом включення менш 5mA – елемент U2.

Струмообмежуючий резистор R1  = 86Ω (дивись формулу (2.1))ланцюга управління оптрона. Значення резистора вибирається виходячи з вхідної напруги Vin і струму управління I_Opt, падінь напруг на світло діоді оптрона V_Opt

(2.1)

де V_in = 6 B, V_opt = 1.7 B, I_Opt = 0.05 A (взято з вхідних параметрів MOC3063).

Струмообмежуючий резистор R2  = 600Ω (2.2).

_(2.2)

де V_in = 600 B, V_opt = 1 B, I_Opt = 1 A (взято з вихідних параметрів MOC3063).

При індуктивному навантаженні симістора або при захисті від зовнішніх перенапружень для обмеження впливу dV / dt та струму перевантаження бажано використовувати захисну RC-ланку.

Розрахунок значень R3 та С1 залежить від декількох параметрів, серед яких величина струму в навантаженні, значення індуктивності і номінального опору навантаження, робочої напруги, характеристик симістора [9].

Енергію, пов’язану з індуктивністю розсіяння , можна визначити через максимальний струм І (2.3).

(2.3)

Ця енергія перетворюється в енергію заряду демпфируючої ємності С (2.4).

(2.4)

де V – викид напруги на ключі. Прирівнюючи енергію індуктивності і конденсатора отримаємо наступне співвідношення:

(2.5)

Знаючи максимальний струм і індуктивність розсіяння, максимально допустиме значення викиду напруги можна оцінити ємність демпфуючого конденсатора (2.6).

(2.6)

де L – індуктивність двигуна.

Час розрядки конденсатора τ визначається за потужністю та енергією розсіяння (2.7).

(2.7)

Підставивши в (2.7) формули розрахунку потужності та енергії розсіяння навантаження можна вивести формулу розрахунку та визначити значення резистора демпфуючої ланки (2.8).

(2.8)

де визначається за формулою (2.9).

(2.9)

де визначається за формулою резонансу (2.10).

(2.10)

Розрахувавши всі параметри демпфируючої ланки ми отримали симісторний силовий ключ до якого можна під’єднати електродвигун.

Висновки

Використання реле в контролері ТК-5 має свої недоліки, а саме обмежений електричний та механічний ресурс, створення перешкод при замиканні і розмиканні контактів, проблеми при комутації індуктивних навантажень і високовольтних навантажень на постійному струмі. Електрична схема на симісторному ключі спроможна давати вихідну потужність достатню для ввімкнення електродвигуна чи водонагрівача. Така схема буде працювати значно більш тривалий термін ніж при використанні електромагнітного реле, тому, що в ній немає механічних елементів а тільки електричні. Симісторний ключ не створює перешкод при ввімкненні. Але при цьому необхідно враховувати те, що на симістор потрібно встановлювати радіатор для його охолодження. Було розраховано параметри всіх елементів та побудована принципова схема симісторного ключа. Всі поставлені задачі в першому розділі було виконано.