Sterowanie grupowe mocą grzałki - BLYNK +ESP + SSR czI

W zasadzie mógłbym powtórzyć wstęp z niedawnego wpisu  "Każdy przyzwoity elektronik musi zrobić w życiu kilka elektronicznych termometrów  regulatorów mocy grzałek elektrycznych. Mowy nie ma by temat dało się jakoś ominąć....". Ale po co się powtarzać - przejdźmy od razu do opisu projektu.





Podstawowe założenia

• Zdalna regulacja mocy grzałki (a może i lokalna dla celów serwisowych)
• 5-6 poziomów regulacji mocy 
• jakiś lokalny wskaźnik nastawionej mocy i zdalny odczyt nastawy

Zasadniczo regulacja mocy będzie dokonywana zdalnie i raczej sporadycznie. Ewentualna możliwość lokalnej regulacji i odczytu służy tylko dla celów serwisowych.

Obecny układ wykorzystuje dwie grzałki i ma trzy stopnie regulacji: 1/2 P,  P i 2P gdzie P to moc pojedynczej grzałki. A to oznacza że grzałki raz połączone są szeregowo, w drugim przypadku pracuje 1 grzałka a w trzecim dwie grzałki spięte są równolegle. Dla zainteresowanych tu trochę teorii jak to działa 
W nowym układzie będzie 1 grzałka o mocy 2P i regulator elektroniczny symulujący przełącznik mocy grzania. Elektronika pozwala niemal na płynną zmianę mocy ale jak się okazuje dla wielu użytkowników regulacja skokowa jest bardziej czytelna i pożądana. W tym przypadku nie ma też potrzeby znacznego zwiększania liczby stopni regulacji - podwojenie liczby w stosunku do obecnego układu uznane zostało za całkowicie wystarczające.

Sposób regulacji mocy

Do regulacji napięcia/mocy prądu przemiennego zwykle stosuje się regulatory fazowe. Ściemniacze żarówek, regulatory silników i większość regulatorów grzałek bazuje na regulacji fazowej.

Tu jednak ze względu na sporą bezwładność cieplną układu zakładam regulację grupową napięcia (mocy) grzałki. Ten sposób regulacji jest dużo prostszy w implementacji w układzie mikrokontrolera. Dodatkowa zaleta to taka, że układ nie sieje harmonicznymi (zakłóceniami) po sieci co często wpływa zabójczo na znajdujące się w pobliżu systemy mikroprocesorowe.

Do regulacji grupowej najlepiej wykorzystać tanie i dobre styczniki SSR.

Ich podstawowe zalety to:

• duży poziom bezpieczeństwa - sterowanie i strona mocy są separowanie galwaniczne optoizolacją, zaciski chronione plastikową klapką
• duże prądy załączania - w podstawowej wersji do 40 A/ fazę
• włączanie i wyłączanie w zerze napięcia - minimalizacja zakłóceń i przepięć
• szeroki zakres napięcia sterowania 3-30 V
• niewielkie prądy sterowania 3-25 mA
• możliwość bezpośredniego sterowania z mikrokontrolerów nawet 3 V
• cena - ok 3 $

Generalnie warto kupować SSR na prądy 40 A. Typowe zabezpieczenia na fazie to w domu to 16-25 A. 40A SSR gwarantuje nam że przy zwarciu wyskoczy bezpiecznik a nie przekaźnik.

Regulacja Mocy

Jak pokazano powyżej regulacja mocy polega na przepuszczaniu lub blokowaniu odpowiedniej ilości sinusoid napięcia przemiennego do odbiornika.

Dla dużej bezwładności odbiornika nie ma znaczenia jak to zrobimy czy sposobem po prawej czy po lewej stronie rysunku. Ważny jest jedynie stosunek przepuszczonych do odbiornika sinusoid w określonym okresie regulacji (control period).

W rzeczywistości SSR pozwala załączać nie całe sinusoidy napięcia a ich połówki a więc minimalny czas załączenia przekaźnika to 10 ms.

Jeżeli potrzebujemy 10 stopni regulacji mocy trzeba kontrolować kolejnych 10 połówek napięcia sieci - czyli okres regulacji wyniesie 100 ms.
Gdy chcemy mieć regulację 100 stopniową okres regulacji wzrasta do 1 sekundy.
To wyjaśnia czemu regulacja grupowa nie nadaje się do sterowania jasnością żarówek. Co 1 sek żarówka błyśnie nam na chwilę zależną od nastawy wypełnienia.

Wielkość mocy przekazywanej do odbiornika rośnie wprost proporcjonalnie do liczby przepuszczanych okresów napięcia sieci. Fakt ten znakomicie upraszcza sterowanie grupowe mocą odbiorników. Ale skuteczna wartość napięcia (i prądu) na odbiorniku są proporcjonalne do pierwiastka współczynnika wypełnienia.

Prostota sterowania okupiona jest jednak dokładnością sterowania mocą. Najmniejszym czasem otwarcia przekaźnika jest 10 ms i to jest najmniejsza jednostka mocy (oprócz oczywiście zera) jaką możemy dostarczyć do odbiornika. Mniej się fizycznie nie da.

Sterowanie SSR

Sterowanie SSR jest banalnie proste. Podanie napięcia sterującego załączy przekaźnik przy najbliższym przejściu przez zero napięcia sieci.
Jeśli napięcie sterujące w żaden sposób nie jest synchronizowane z siecią to moment pojawienia się impulsu sterującego i moment załączenia są przypadkowe. I ma to znaczenie dla dokładności regulacji mocy.
W poniższym przykładzie impuls sterujący uruchamia przepuszczenie 4 połówek sinusoid do odbiornika.

Dla tej samej długości impulsu sterującego jego nieznaczne przesunięcie w stosunku do napięcia sieci może wyzwolić już 5 połówek sinusoid.

Tak więc długość impulsu nie daje nam najczęściej jednoznacznej odpowiedzi jaka będzie wyjściowa moc na odbiorniku, W praktyce należy założyć że dokładność sterowania grupowego odpowiada +/-1 ilości impulsów w okresie tz. dla 10 połówek sinusoidy mamy +/- 1/10 tz. 20% zaś dla 100 wynosi +/- 1/100 tzn. 2%. Zwiększenie dokładności sterowania mocą wiąże się zawsze z wydłużeniem okresu sterowania.

Jak bardzo można wydłużyć okres sterowania? Tak by nie był on dłuższy niż stała czasowa obiektu, w którym zamontowana jest grzałka. Stała czasowa to czas po którym temperatura obiektu podniesie się do 0,7 wartości maksymalnej. Np dla czajnika z wodą stała czasowa to czas od jego włączenia  do chwili gdy temperatura wody osiągnie ok 70 st.  czyli kilka minut. Dla  bojlera będą to już dziesiątki czy setki minut. Ale np. nagrzewnice powietrza, suszarki mają ten czas rzędu sekund.

Schemat typowego SSRa jest wielce nieskomplikowany

Sterowanie przekaźnikiem to proste zasilenie LEDa załączającego fototriak z układem detekcji zera napięcia roboczego. Wielkość napięcia sterującego od dołu ograniczona jest koniecznością skutecznego wysterowania optotraka a od góry maksymalnym prądem LEDa i stratami mocy w szeregowym rezystorze. Z danych technicznych wynika możliwość bezpośrednigo sterowania układu SSR z mikroprocesora ESP ale dla bezpieczeństwa lepiej zrobić to z zastosowaniem tranzystora.
Ale dalsze szczegóły budowy bezprzewodowego regulatora grupowego w następnym odcinku.
Czekamy więc spokojnie na cd.

Wykorzystano materiały z
https://elportal.pl/pdf/k07/78_18.pdf
https://www.dacpol.eu/files/pl/katalog/3/242-251/242.html
http://www.silego.com/products/571/312/Cycle-Stealing-Control.html
http://www.askix.com/hackear-un-horno-tostador-para-soldadura-de-reflujo_20.html

130