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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Controle de caldeira de aquecimento elétrico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor A unidade de controle do microcontrolador proposta foi projetada e fabricada para substituir a unidade de controle padrão da caldeira de aquecimento elétrico EVAN EPO-7,5/220 B, que não oferece facilidade de uso suficiente. Também pode ser usado para controlar outros dispositivos de aquecimento elétrico. Após a aquisição e instalação da caldeira EVAN EPO-7,5/220 B, foram reveladas deficiências na unidade de controle com a qual estava equipada. A principal delas é o acendimento e desligamento simultâneo de três resistências elétricas instaladas na caldeira. Os surtos de corrente e quedas de tensão resultantes na rede são tão grandes que causam mau funcionamento em alguns dispositivos eletrônicos alimentados por ela. Houve até falhas deles. Além disso, um potente contator, que ligava e desligava periodicamente os aquecedores para manter a temperatura definida, ressoava por toda a casa, e o móvel em que estava instalado, pendurado na parede, “saltava” até cair e quebrar. Decidiu-se não reparar esta unidade, mas sim desenvolver e fabricar uma nova, eliminando se possível as deficiências e ampliando as funções desempenhadas. A nova unidade de controle foi fabricada em quatro canais com comutação eletrônica. Três canais controlam os aquecedores em momentos diferentes, o que reduz significativamente os picos de corrente consumidos pela rede. O contator é utilizado apenas para desligamento de emergência de resistências em caso de superaquecimento da caldeira. O quarto canal controla a bomba d'água do sistema de aquecimento. Existe um modo para aquecer rapidamente a caldeira até uma temperatura definida com a bomba desligada e depois ligá-la para fornecer água quente ao sistema de aquecimento. O novo sistema, tal como o antigo, estabiliza a temperatura da água à saída da caldeira, embora seja possível passar a estabilizá-la à entrada. Se você conectar um sensor de temperatura ambiente à unidade de controle, o sistema entrará automaticamente no modo de estabilização para este parâmetro. O diagrama da nova unidade de controle juntamente com sensores de temperatura e atuadores (aquecedores e bomba de água) é mostrado na Fig. 1. O sistema de aquecimento é ligado e desligado pelo interruptor SA1, que fornece tensão de rede ao módulo de potência. Depois disso, todos os demais módulos da unidade de controle começam a funcionar. As resistências EK1-EK3 recebem tensão de 220 V através do contator KM1, dos disjuntores SA3-SA5 e de um módulo de chaves triac controladas por sinais gerados no módulo microcontrolador. Tipo de contator - NC1 -25. Quando a caldeira está a funcionar normalmente, os seus contactos estão fechados.
O circuito de controle do motor M2, que aciona a bomba d'água, que inclui a máquina SA2 e um dos canais do módulo triac, difere apenas por não ser previsto para abertura pelo contator KM1. Isto é necessário para que em caso de desligamento de emergência dos aquecedores, a bomba continue a funcionar, garantindo a circulação da água no sistema de aquecimento e o seu arrefecimento acelerado. Os dissipadores de calor dos triacs que ligam os aquecedores e a bomba são acionados por uma ventoinha de computador M1 de duas velocidades com tamanho padrão de 80x80x20 mm e tensão de alimentação de 12 V. LEDs de duas cores HL1-HL4 são conectados ao módulo de chave triac. Seus cristais vermelhos acendem quando a tensão da rede elétrica é aplicada às entradas dos interruptores triac correspondentes, e os cristais verdes acendem quando seus triacs são abertos. Neste último caso, o LED fica amarelo, indicando que a tensão da rede é fornecida ao aquecedor ou à bomba. Os diodos VD1-VD8 protegem os LEDs da tensão reversa. Os sensores de temperatura da água na saída da caldeira (BK1), na sua entrada (BK2), bem como a temperatura do ar na sala aquecida (BK3) são conectados ao módulo microcontrolador através de um módulo de alimentação e conexões intermódulos. As peças do filtro são montadas nos terminais dos sensores BK1 - BK3 (R1C1, R2C2, R3C3, respectivamente). De acordo com o diagrama, pequenas seções de cabos USB padrão com plugues conectores USB-A são soldadas aos pinos 1 e 2 dos sensores e aos pinos do resistor livre. Os sensores de temperatura do líquido refrigerante automotivo padrão 1-2 foram usados como invólucros para os sensores VK19 e VK3828, dos quais todos os “internos” foram removidos. Os sensores DS18B20, juntamente com as peças e pontas dos cabos soldadas a eles, são inseridos nas cavidades resultantes e preenchidos com selante automotivo. Após o endurecimento do selante, o sensor BK1 é aparafusado no lugar do sensor de temperatura da água anteriormente existente na saída da caldeira. O diâmetro e o passo da rosca estão corretos. Para instalar o sensor VK2, é necessário fazer um encaixe com furo roscado na tubulação que fornece água à caldeira. Um pedaço de tubo termorretrátil é colocado no sensor VKZ e na extremidade do cabo que leva a ele para protegê-lo de influências externas. Este sensor é colocado em uma sala aquecida, longe de fontes de calor e protegida de correntes de ar. Os sensores VK5-VKZ são conectados ao conector X1 do módulo de alimentação e conexões intermódulos com cabos feitos de cabos de extensão USB com soquetes de cabo USB-A. O TM1, um interruptor padrão do ventilador do sistema de refrigeração de motores automotivos, foi usado como interruptor térmico SF108, sinalizando superaquecimento inaceitável da água. Existe local para sua instalação na caldeira, o passo e o diâmetro da rosca são adequados. Os contactos deste interruptor fecham quando a temperatura da água na caldeira atinge 92 оC, o que leva à liberação imediata da armadura pelo contator KM1 e ao desligamento de todas as resistências. Os contatos da chave SF1 abrem quando a temperatura da água cai para 87 оC. Para analisar sinais de sensores e gerar sinais de controle para aquecedores e demais dispositivos do sistema, é utilizado um módulo microcontrolador universal, descrito em [1], com programa especialmente desenvolvido. Para conectar indicadores LED em vez de um LCD gráfico, o módulo passou por pequenas modificações. O resistor trimming R15, que regulava o contraste do LCD, foi removido (a numeração dos elementos do módulo está conforme diagrama da Fig. 1 em [1]). Os dois contatos do conector X4, assim liberados, são usados para transmitir sinais de controle adicionais para indicadores LED. Para fazer isso, o pino 2 é conectado à saída PC7 (pino 28) e o pino 18 é conectado à saída PD7 (pino 30) do microcontrolador DD1. O diagrama do módulo de indicação e controle do LED conectado ao módulo microcontrolador em vez do LCD é mostrado na Fig. 2. Possui indicadores LED de três dígitos e sete elementos HG1 - HG3 com cátodo comum, que exibem informações sobre o funcionamento da caldeira. Dependem do modo de funcionamento selecionado do sistema de aquecimento.
O microcontrolador gera informações para exibição nos indicadores HG1-HG3 na forma de um código serial de 24 bits, que três registradores de deslocamento de oito bits conectados em série convertem em código paralelo fornecido aos ânodos dos elementos indicadores. O primeiro desses registros está localizado no módulo microcontrolador (DD2 conforme seu circuito). Serve o indicador HG1. Os outros dois (DD1 e DD2 no módulo de display em consideração) atendem aos indicadores HG2 e HG3, respectivamente. O valor do bit mais significativo do registro DD24 é carregado primeiro no registro de 2 bits, e o valor do bit menos significativo do registro DD2 do módulo microcontrolador é carregado por último. Os LEDs HL1-HL3 do módulo de exibição exibem sinais de controle do aquecedor gerados pelo módulo microcontrolador, respectivamente EK1, EK2 e EKZ. O LED HL4 acende quando a temperatura da água na caldeira diminui e o LED HL5 acende quando aumenta. Usando os botões SB1-SB4, você alterna os modos de operação do sistema e altera seus parâmetros. O diagrama de circuito do módulo de chave triac é mostrado na Fig. 3. Possui quatro canais idênticos. As designações posicionais dos elementos de cada um deles são fornecidas com prefixos que coincidem com os números dos canais. Os sinais de controle gerados pelo módulo microcontrolador são fornecidos através do conector X1 aos diodos emissores dos optoacopladores triac 1U1-4U1, que fornecem isolamento galvânico entre os circuitos de controle e executivo.
Os optoacopladores MOC3063 aplicados [2] possuem nós que ligam os momentos de abertura dos fototriacs aos momentos em que a tensão aplicada a eles passa por zero. Isso reduz significativamente o nível de ruído de comutação. Os elementos executivos dos interruptores são potentes triacs 1VS1-4VS1, instalados em dissipadores de calor, que são soprados pelo ventilador M1 (ver Fig. 1). A unidade de controle desta ventoinha, conectada ao conector X3, é montada através do transistor VT1. O sinal para ligar o ventilador vem do microcontrolador para o conector X2 simultaneamente com o aparecimento de um sinal em X1 que liga qualquer um dos aquecedores, e é removido após um tempo definido após o último aquecedor em funcionamento ser desligado. Isso garante o resfriamento rápido dos triacs aquecidos. Todas as entradas de potência (via resistores 1R5-4R5) e saídas (via resistores 1R6-4R6) dos canais de comutação são conectadas ao conector XP4, ao qual são conectados LEDs que indicam o fornecimento de tensão de rede para as entradas (contatos XT1-XT4) do os interruptores e sua aparência nos contatos do conector X5, aos quais estão conectados aquecedores e uma bomba. Na Fig. A Figura 4 mostra um diagrama do módulo para conexões intermodulares e alimentação de nós de baixa potência. O transformador T1 reduz a tensão da rede de 220 V para 15 V, que então retifica a ponte de diodos VD1. Após suavizar as ondulações com os capacitores C2 e C3, a tensão retificada é estabilizada pelos estabilizadores integrais DA1 e DA2. O primeiro produz uma tensão de 12 V para alimentar o relé K1 e o ventilador M1 (ver Fig. 1), o segundo - 5 V para alimentar o módulo microcontrolador. O módulo de potência também contém uma unidade de controle do contator de desligamento de emergência do aquecedor, composto pelo transistor VT1 e pelo relé K1.
O conector X3 está conectado ao módulo microcontrolador e o X4 está conectado aos sensores de temperatura. O conector X5 transporta sinais de controle do aquecedor e da bomba, bem como tensões de alimentação para o módulo de comutação. As partes de cada módulo da unidade de controle da caldeira são montadas em uma placa de circuito impresso separada feita de laminado de fibra de vidro laminado com 1,5 mm de espessura. Um desenho da placa do módulo microcontrolador está disponível em [1]. O resistor de corte R15 não está instalado nele, e os pinos 2 e 18 do conector X4 são conectados aos pinos do microcontrolador indicados anteriormente por meio de jumpers feitos de fio isolado. Nenhuma outra modificação é necessária. A placa de circuito impresso do módulo de exibição e controle é dupla face. Um desenho de seus condutores impressos é mostrado na Fig. 5, e a localização das peças está na Fig. 6. Se esta placa for fabricada com tecnologia sem laterais, pedaços curtos de fio desencapado. Os cabos das peças também são soldados em ambos os lados.
O restante das placas de circuito impresso são unilaterais. Um desenho da placa do módulo de chave triac é mostrado na Fig. 7. As conexões dos eletrodos de 1 triacs às placas de contato da placa de circuito impresso são feitas com fios isolados com seção transversal de pelo menos 2,5 mm2. O ventilador M1 é montado nos dissipadores de calor em forma de U dos triacs 1VS1 - 1VS4 (Fig. 8). Para isso, são feitos furos roscados nas prateleiras superiores dos dissipadores de calor. Um desenho da placa do módulo de potência e das conexões intermódulos é mostrado na Fig. 9.
O dispositivo utiliza resistores fixos MLT, S2-33, capacitores de óxido K50-35 ou importados, os demais capacitores são K73-17. Todos os chips e indicadores HG1-HG3 estão instalados no painel. A unidade de controle da caldeira de aquecimento é montada em uma caixa da central de música LG (Fig. 10). No painel metálico inferior do gabinete, que passou a ser o painel traseiro da unidade, são fixados todos os módulos, contator, disjuntores e outras peças grandes. O painel plástico superior tornou-se o painel frontal. Possui furos para indicadores e botões de controle, bem como para acesso à chave SA1 e aos disjuntores SA2-SA5. As paredes laterais do corpo são cortadas no tamanho desejado. Em sua parte inferior existem conectores para conexão de sensores de temperatura e circuitos de alimentação externos. Os circuitos de alimentação da unidade são feitos de fio de montagem isolado com seção transversal de pelo menos 2,5 mm2.
A caldeira é controlada através de quatro botões instalados na unidade de indicação e controle. Você pode alterar a temperatura de estabilização a qualquer momento usando os botões SB4 “+” e SB3 “-”. Se o sensor que mede a temperatura do ar ambiente não estiver conectado, a temperatura da água na caldeira estabiliza. Ao conectar este sensor, suas leituras são exibidas no indicador e a temperatura ambiente é estabilizada. O indicador HG1 do módulo de indicação e controle em modo de operação exibe, se houver sensor BK3, a temperatura definida do ar na sala e, sem ele, a temperatura definida da água na caldeira (na saída ou na entrada, dependendo de o modo definido). O indicador HG2 exibe a temperatura medida do ar na sala ou da água que sai da caldeira. Quando o sensor de temperatura do ar estiver conectado, o indicador HG3 exibirá a temperatura medida da água na saída da caldeira e, quando desconectado, na entrada. Ao pressionar o botão “Mode” do SB1, você entra no modo de serviço e seleciona o parâmetro que deve ser alterado. Utilize o botão SB3 "-" para diminuir e o botão SB4 "+" para aumentar o valor do parâmetro selecionado. Ao pressionar o botão “Memória” do SB2, os valores dos parâmetros alterados são gravados na EEPROM do microcontrolador. Para restaurar os parâmetros padrão, ou seja, retornar aos valores que estavam em vigor quando o sistema foi ligado pela primeira vez, é necessário manter pressionado o botão “Memória” do SB2 por mais de 5 s. Quando um bipe contínuo for ouvido, o botão pode ser liberado. No modo de serviço, a letra P com o número do parâmetro ajustável é exibida no indicador HG2, e seu valor é exibido no indicador HG1. Todos os parâmetros ajustáveis, seus limites de alteração e valores padrão estão indicados na tabela. Também inclui parâmetros que são configurados no modo de operação e, portanto, não possuem símbolos no indicador. Estes são os valores da temperatura da água da caldeira ou do ar da divisão mantidos pelo sistema de aquecimento. Todos os parâmetros só podem assumir valores inteiros. Deve-se lembrar que o programa do microcontrolador não verifica sua exatidão. Por esse motivo, você deve usar o bom senso e cautela ao alterar as configurações. Existem três maneiras de sair do modo de serviço. Em primeiro lugar, isso acontece após pressionar o botão “Memória” e gravar as informações na EEPROM. Em segundo lugar, automaticamente um minuto após o último toque em qualquer botão. Em terceiro lugar, como resultado da pesquisa de todos os parâmetros antes de entrar no modo de operação. Todos os pressionamentos de botão são acompanhados por bipes de confirmação. Os valores dos parâmetros alterados que não são gravados na EEPROM só são válidos até que o dispositivo seja desligado. Quando você liga o módulo do microcontrolador pela primeira vez com o programa recém-carregado, os valores dos parâmetros padrão são substituídos na EEPROM do microcontrolador. Mas para isso a EEPROM deve estar limpa (conter 0FFH em todas as células), caso contrário as informações não serão reescritas, todos os parâmetros deverão ser configurados manualmente. Após inicializar os sensores de temperatura e o sistema de display, o programa verifica o estado da chave térmica SF1 e, caso a temperatura da água esteja abaixo do nível permitido, emite um breve sinal de prontidão e liga o contator. Determinados quais os sensores que estão ligados, o programa controla os aquecedores, mantendo a temperatura definida da água da caldeira ou do ar da divisão. As leituras de um sensor ausente ou defeituoso são substituídas no indicador por três traços. Quando a temperatura está abaixo da definida, a bomba, o ventilador de refrigeração do triac e, alternadamente, em intervalos especificados, os elementos de aquecimento são ligados. Ao atingir a temperatura definida, os elementos de aquecimento desligam-se um a um. Por defeito, a bomba continua a funcionar sem desligar, mas através do parâmetro P_2 pode configurá-la para desligar após um período de tempo especificado pelo parâmetro P_3 ou quando a temperatura da água descer para o valor especificado pelo parâmetro P_4. O ventilador triac desliga após o tempo definido pelo parâmetro P_10 após o último aquecedor ser desligado. Quando a temperatura diminuir no número de graus especificado pelo parâmetro P_1, os aquecedores serão ligados novamente e o ciclo de controle de temperatura será repetido. Quanto maior o valor deste parâmetro, menos frequentemente os aquecedores ligam, mas mais tempo funcionam.
Os arquivos da placa de circuito impresso no formato Sprint Layout 5.0 e o programa do microcontrolador podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/03/epo_evan.zip. Literatura
Autor: V. Kiba
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