Регулировка тэна: Регулиовка мощности ТЭНа: обзор способов

Содержание

Как регулировать мощность переменного тока / Хабр

Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.

Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.

Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.

Как вообще регулируется мощность?

Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Если представить это произведение графически, то для постоянного тока, это будет площадь прямоугольника со сторонами равными напряжению и току

Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.

Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.

Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.

На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.

Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.

Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно

одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.

Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.

Это было бы решением всех проблем, но в моем случае устройством коммутировавшим нагрузку был не быстрый транзистор, а симистор — медленный прибор, с максимальными рабочими частотами в пределах нескольких сотен герц, к тому же симистор можно только открыть, закроется он сам при переходе через ноль. На таких частотах управлять переменным напряжением которое имеет частоту 50 Гц, линейно не получится. Поэтому здесь нужно использовать какой-то другой подход и как раз для него, помимо симисторов, была установлена схема перехода через ноль.

В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.

На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.

Расчёт таблицы мощности

Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.

Изначально задача заключается в том чтобы разбить синусоиду на нужное нам количество кусочков, каждый из которых будет иметь одинаковую площадь. 2(t).

Неопределённый интеграл от квадрата синуса

Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.

Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:

То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.

Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2

Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:

import numpy as np
rad_arr=list()
#записываем неопределённый интеграл
integral=lambda rad: (rad/2)-(math.sin(2*rad)/4)
#составляем простенький цикл для подбора решений
for x in np.arange(0, 0.78, 0.015):
  #шаг подбора
	for xx in np.arange(0, 3, 0.00001):
		if func(xx) >= x:
			print(xx)
      rad_arr.append
			break;

Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:

Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.

Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана

Теперь, значения задержек в радианах, превратим во время, умножив каждое значение на период радианы (T). Проверим ход своей мысли: действительно-ли получится время задержки, если умножить задержку, на период? Задержка имеет размерность радиан, период — секунд за радиану, мы хотим их перемножить. Тогда рад * ( сек / рад ) = сек. Мы получили время, а значит ход мыслей должен быть верным.

Для расчётов я опять предпочту python:

#стандартная частота сети
frequency = 50
#находим частоту в радианах
rad_per_s=frequency*(2*math.pi)
#находим период радианы
s_per_rad=1/rad_per_s
#находим задержки используя полученный ранее массив
delay_arr=[x*s_per_rad for x in rad_arr]

На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.

Расчёт таймера МК и перевод таблицы

Время необходимо перевести в понятную для МК величину — количество переполнений таймера.

Но сначала необходимо определится с частотой таймера: чем выше частота, тем точнее он будет отмерять время, но с другой стороны, тем меньше времени будет оставаться на выполнение остальной программы. Здесь необходимо найти золотую середину.

Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:

5 мс — 4.9363 мс = 0.0636 мс

Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту

1 / 0.0636 = 15 КГц

Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.

Для настройки таймера на определенную частоту, не кратную тактирующей используется режим таймера CTC — Clear Timer on Compare. В этом режиме таймер досчитывает до заданного числа и сбрасывается, после чего операция повторяется. Число при котором будет происходить совпадение считается по формуле

Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота

Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python

#задаем частоту таймера
generator_freg=15000
#получаем время одного периода таймера
one_tick=1/generator_freq
#получаем массив с тиками таймера
tick_arr=[x/one_tick for x in delay_arr]

В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку.

На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!

Заключение

Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.

Код расчетов на python

import math
import numpy as np
rad_arr=list()
integral=lambda rad: (rad/2)-(math.sin(2*rad)/4)
for x in np.arange(0, 0.78, 0.015):
  for xx in np.arange(0, 3, 0.00001):
		if func(xx) >= x:
			print(xx)
      rad_arr.append
			break;
frequency = 50
rad_per_s = frequency * (2 * math.pi)
s_per_rad = 1 / rad_per_s
delay_arr = [x * s_per_rad for x in rad_arr]
generator_freg = 15000
one_tick = 1 / generator_freg
tick_arr = [x / one_tick for x in delay_arr]
print(tick_arr)

Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.

Регулятор мощности для ТЭНа

Главная » Самогонные аппараты Алковар » Перегонные кубы » Регулятор мощности для ТЭНа

Описание Отзывы (1)

Доставка по России

Технические характеристики регулятора мощности 4 кВт:

Регулятор мощности 4 кВт	стабилизированный с системой охлаждения и встроенным вентилятором
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	4кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1105540 (мм)
Вес	200 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Технические характеристики регулятора напряжения 5 кВт:

Регулятор напряжения 5 кВт	стабилизированный с большой системой охлаждения
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	5кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1004040 (мм)
Вес	150 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Технические характеристики регулятора напряжения 6 кВт:

Регулятор напряжения 6 кВт	стабилизированный с большой системой охлаждения
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	6кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1306047 (мм)
Вес	200 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Регулятор мощности 4кВт и 6кВт это электронный симисторный регулятор напряжения переменного тока, позволяет регулировать его в диапазоне от 0 В до входного напряжения (220 В). Благодаря широкому диапазону регулировки и большой мощности регулятор найдет широкое применение в быту. Может регулировать мощность нагревательных тэнов и лампы накаливания, т.е. регулирует резисторную нагрузку.

Отличное решение для управления мощностью Тэна:

1) Регулятор напряжения. Классический регулятор, для изменения мощности ТЭНа в перегонном кубе. Регулируя в свою очередь мощность и интенсивность нагрева браги при дистилляции и ректификации.
2) Наличие вентилятора для охлаждения и продления срока службы.
3) Плавная регулировка во всем диапазоне мощности.
4) Сделано на базе мощного симистора BTA41600. Предназначено для регулирования мощности. Применение данного симистора позволяет уменьшить размер радиатора охлаждения.
5) Принцип работы, регулятор мощности использует принцип фазового управления.
6) Алюминиевый радиатор.
7) Компактное исполнение.

Подготовка к эксплуатации Регулятор мощности Тэна:

1) Подключите нагрузку к контактам OUT 220V
2) Подключите сетевой шнур к контактам IN 220V.
3) Включите вилку в розетку 220В
4) Проверьте, работу вращая регулятор мощности.

Внимание: не рекомендуется запускать регулятор напряжения без нагрузки (не подключая электрические приборы), это может привести в негодность сам регулятор.

Написать отзыв

Ваше имя:

Ваш отзыв: Примечание: HTML разметка не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо Хорошо

Введите код, указанный на картинке:

Продолжить

Описание

Доставка по России

Технические характеристики регулятора мощности 4 кВт:

Регулятор мощности 4 кВт	стабилизированный с системой охлаждения и встроенным вентилятором
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	4кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1105540 (мм)
Вес	200 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Технические характеристики регулятора напряжения 5 кВт:

Регулятор напряжения 5 кВт	стабилизированный с большой системой охлаждения
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	5кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1004040 (мм)
Вес	150 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Технические характеристики регулятора напряжения 6 кВт:

Регулятор напряжения 6 кВт	стабилизированный с большой системой охлаждения
Входящее напряжение	220В
Максимальная мощность	6кВт
Материал радиатора	Алюминиевый
Мак. Сила тока	20А
Тип питания	Переменный ток
Принцип работы	Фазовое управление
Габаритные размеры	1306047 (мм)
Вес	200 гр.
Регулировка	Плавная
Температура эксплуатации	-20⁰С-+50⁰С
Относительная влажность	20-80% без образования конденсата.

Отличное решение для управления мощностью Тэна:

1) Регулятор напряжения. Классический регулятор, для изменения мощности ТЭНа в перегонном кубе. Регулируя в свою очередь мощность и интенсивность нагрева браги при дистилляции и ректификации.
2) Наличие вентилятора для охлаждения и продления срока службы.
3) Плавная регулировка во всем диапазоне мощности.
4) Сделано на базе мощного симистора BTA41600. Предназначено для регулирования мощности. Применение данного симистора позволяет уменьшить размер радиатора охлаждения.
5) Принцип работы, регулятор мощности использует принцип фазового управления.
6) Алюминиевый радиатор.
7) Компактное исполнение.

Подготовка к эксплуатации Регулятор мощности Тэна:

1) Подключите нагрузку к контактам OUT 220V
2) Подключите сетевой шнур к контактам IN 220V.
3) Включите вилку в розетку 220В
4) Проверьте, работу вращая регулятор мощности.

Написать отзыв

Ваше имя:

Ваш отзыв: Примечание: HTML разметка не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо Хорошо

Введите код, указанный на картинке:

Продолжить

Зависимость мощности ТЭНа от подаваемого напряжения

Далеко не секрет что при «серьезном изготовлении» самогона практически всегда применяют в качестве нагревателя — электрический тэн, но для корректной работы аппарата с тэном необходимо иметь прибор способный регулировать мощность тэна, для перевода аппарата в нужный режим в определенный момент времени. Но большинство таких регуляторов показывают только напряжение (РМ2 и другие регуляторы), которое подается на ТЭН, но никак не выдаваемую им мощность, что очень неудобно для новичков.

Специально для Вас на нашем сайте есть удобная таблица, которая показывает выдаваемую мощность нагрева тэном при установленном на нем напряжении, данные показатели приведены в удобном виде для тэнов мощностью от одного до пяти киловатт.

1	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
1	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	1000	800	600	400	200

2	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
2	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	1500	1200	900	600	300

3	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
3	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	2000	1600	1200	800	400

4	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
4	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	2500	2000	1500	1000	500

5	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
5	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	3000	2400	1800	1200	600

6	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
6	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	3500	2800	2100	1400	700

7	Величина напряжения, В	220	206	191	174	156
7	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	4000	3500	3000	2500	2000

8	Величина напряжения, В	220	197	170	139	98
8	Мощность этого ТЭНа при 220В и другом напряжении, Вт	5000	4000	3000	2000	1000

Еще одна таблица зависимостей:

Как самостоятельно рассчитать выдаваемую мощность тэна при определенном напряжении:

Определяем внутреннее сопротивление ТЭН по формуле: R = U²/P, или измеряем его прибором.

Затем, определяем напряжение, при котором ТЭН будет при нагреве потреблять необходимую мощность: U = √P*R (квадратный корень).

Пример: ТЭН на 3кВт, нужно чтобы был нагрев на 2000 Вт. Определяем его сопротивление: 220*220/3000 = 16,13 Ом. (Рекомендую посмотреть сводную таблицу зависимости мощности тэна от его сопротивления)

Затем по формуле определяем напряжение на выходе регулятора мощности, которое необходимо установить: извлекаем корень из мощности умноженной на сопротивление ТЭНа √2000*16,13 = 179 вольт.

Если же Вам лень постоянно смотреть в таблицу или запоминать мощность при напряжении, то можно купить регулятор мощности РМЦ-3500, он показывает абсолютное значение выдаваемой мощности тэном, что очень удобно.

Регулятор мощности тэна в Украине. Цены на Регулятор мощности тэна на Prom.ua

Регулятор мощности Димер для ТЭНа

На складе в г. Львов

Доставка по Украине

650 грн

Купить

БУДЬМО!

Регулятор мощности для ТЭНа дистиллятора, колонны

На складе

Доставка по Украине

1 403 грн

Купить

Дистиллятор-Украина 304. prom.ua

Регулятор мощности нагрева ТЭНа АГ-2 Aquagradus

На складе

Доставка по Украине

по 2 783 грн

от 2 продавцов

2 783 грн

Купить

МирБир.com.ua

Контроллер скорости вращения двигателя переменного тока регулятор мощности ТЭНов 220В 10000Вт с пультом

Доставка по Украине

836 грн

Купить

«ДОСТУПНИЙ»

Контроллер скорости вращения двигателя переменного тока регулятор мощности ТЭНов 220В 4000Вт

Доставка по Украине

334 грн

Купить

«ДОСТУПНИЙ»

Регулятор мощности для ТЭНа до 10к Вт

Доставка по Украине

1 590 грн

Купить

Компания «Kredo» — дистилляторы и полотенцесушители от производителя

Регулятор мощности нагрева ТЭН с системой START — STOP

Под заказ

Доставка по Украине

4 150 грн

Купить

ProfiSEM

Тиристорный регулятор мощности с тэном 2.5 кВт.

Заканчивается

Доставка по Украине

2 000 грн

Купить

«Корс»

Регулятор мощности тэна с сетевым кабелем GT-10000 Вт.

Доставка по Украине

1 500 грн

Купить

«Корс»

ТЭН TERMA MOA chrome: регулятор 30-65С + таймер 2 ч. + индикация; для полотенцесушителя. Мощность до 1000W

На складе

Доставка по Украине

3 991 грн

Купить

TAURUS TM

ЭлектроТЭН TERMA MEG1 chrome с регулятором 30-65С + подсветка; Мощность 200W — 1000W; 1/2″ Польша

На складе

Доставка по Украине

3 490 грн

Купить

TAURUS TM

ЭлектроТЭН TERMA MEG1 MS BLACK: регулятор 30-65С + маскировка провода (без розетки) + LED. Мощность до 1000W

На складе

Доставка по Украине

3 431 грн

Купить

TAURUS TM

Золотой ЭлектроТЭН TERMA MEG1 GOLD с регулятором 30-65С + LED, Польша. Мощность: 120-1000W в полотенцесушитель

На складе

Доставка по Украине

4 230 грн

Купить

TAURUS TM

Квадратный ТЭН KTX1 chrome с управлением 2 режима нагрева. Съёмный регулятор. Мощность от 120W до 1000W

На складе

Доставка по Украине

3 629 грн/комплект

Купить

TAURUS TM

Контроллер скорости вращения двигателя переменного тока регулятор мощности ТЭНов 220В 4000Вт

Доставка по Украине

222 грн

Купить

«ДОСТУПНИЙ»

Смотрите также

ТЭН для полотенцесушителя HEATPOL GTN с регулятором мощности 900 — 1200 Вт (никель)

Доставка по Украине

1 700 грн

Купить