ЭВАН WARMOS и "вечная" коммутация ТЭНов с защитой

В декабре 2022 года у меня в следствии "залипания" установленных силовых реле на отопительном котле ЭВАН WARMOS произошла авария с перегревом воды до 93 градусов цельсия. Здорово повезло что в этот момент рядом были люди и обесточили его....

Решил предпринять меры недопущения подобного в будущем и автоматического полного обесточивания. Т.к. толку от "загорания" светодиодного индикатора на лицевой панели "авария" - никакого. Залипшее (а по факту сваренное контактами) реле он не в силах починить.

Вначале посмотрим что там происходит с U/I в реальном времени, пока щелкает одно из реле коммутируя одну ступень мощности чуть больше 3кВт.

Дифференциальный щуп измеряющий напряжение установлен на контактах силового реле (в разрыв). На экране осцилографа это желтый цвет.

Щуп измеряющий ток одет на фазный провод у ТЭНа. На экране это синий цвет.

 

Кстати забавный момент: в 8 из 10 случаев включения выключателем первой ступени мощности, включается именно верхнее реле. В инструкции сказано что котел автоматически производит произвольную коммутацию разных ТЭНов производя их равномерное "использование". Получается это утверждение было спорным или не совсем честным...

Я знаю что версий плат управления этого котла было больше одной, возможно где-то другая, исправленная, прошивка была... У предыдущей версии платы управления был очевидный ляп: в цепи выпрямителя после диодного моста стоял конденсатор фильра на 25вольт...из 23-24имеющихся на выходе. Логично что он пшикал через одного... В моем варианте уже стоял на 50Вольт.

Но ответ почему залипла именно эта релюшка напрашивался сам собой - именно эта ступень почти всегда начинает включаться первой. Первая мысль была что если придется делать на основе микроконтроллера - эту ошибку можно "исправить" на моей плате.

 

 

Итак перейдем к самим замерам по приборам. Все осцилограммы кликабельны. Кстати, по первой осцилограмме видно что ток и напряжение коммутируются без практически без отставания, характерного для индуктивной нагрузки. Значит ТЭН это не индуктивный элемент, а холивары происходящие порой на просторах интернета по этому вопросу это бессмыслица. У примененных мной, для измерения, инструментов (дифференциальный и токовый щупы) есть собственный тот самый небольшой сдвиг.

Коммутация происходит не в нуле питания (50hz zero crossing point). Плохо.

 Присутствует дребезг контактов при замыкании.

Такой же дребезг при размыкании. Продолжительность 1-2мс.

По паспорту время коммутации реле при номинальном напряжении 12вольт составляет 15мс. Но спасибо инженерам которые разрабатывали котел - было применено "ноухау" в виде схемы накачивающей питание реле, на короткий интервал, большим напряжением, что-б оно быстрее сработало. Собственно поэтому переходный процесс осцилограф отображает существенно коротким. Это схемотехническое решение напоминает классику Хоровиц Хилл - "Искусство схемотехники". На это действо требуется два пина от микроконтроллера. Поэтому применный PIC16 используется сполна.

Ок. Для начала этого достаточно. Нам желательно не только полностью обесточивать вышедший из под контроля котел целиком но еще и постараться избавится от выжигания площадок контактов реле такими токами ну и бонусом постараться ввести правильный расчет "использования" ТЭНов для равномерности. Избавиться от первой проблемы (обесточивание) можно простым контактором установленным в нёдра и подключеным к тому-же индкатору "ошибка". Это прямо таки быстрофикс который купирует основную проблему но не устранит её причины.

Дальше начались инженерные изыскания. Сначала была "опробована" классическая идея с вечным таймером 555 для задержки реле.

Включение.

Выключение.

Та самая задержка видна. Симистор будет коммутировать быстрее 15мс (паспортная величина коммутации реле) но учитывая отсутствие ее в моменте включения и сложности синхронизации с переходом через ноль этого простого варианта то останавливаемся на другом варианте:

Силовым защитным "рубильником" выступают силовые бистабильные реле NCR NRL-08-24 которые способны
коммутировать аж до 80Ампер. В обычном режиме они замкнуты, а при обнаружении микроконтроллером
фактической ошибки - они, последовательно, отключают фазы с ТЭНами от электросети. У них сверху есть торчащий язык, которым руками можно перещелкнуть их положение.
Выключение этих реле делается с небольшой задержкой что-бы не вызывать огромного скачка нагрузки на подсистему
питания. Последним отключается фаза на которой "сидит" само питание логики. Опять же - если под рукой был бы контактор можно и им. Но у меня под рукой были эти реле. Да и если "down the rabbit hole" то можно в экстренном случае организовать  ВРЕМЕННУЮ коммутацию не через основые реле а через эти "вспомогательные".
Для повторного запуска необходимо снять кожух и перещелкнуть рычаги на самих реле.
Это сделано намерено что-бы оградить схему от шальных повторных включений с аварией без разбора причин.

Внутри пространства отопительного прибора инженерами-конструкторами было зачем-то оставлено много
свободного места и торчащие болты. Это хорошо видно на первом обзорном фото. Именно туда мы и добавляем дополнительную плату.

Так-же эта плата будет выполнять стабилизацию +12вольт линии питания современным импульсным стабилизатором
(КПД выше примененного в штатной схеме олдскульного линейного 7812 линейного с выгоном вагона мощности в виде тепла). С котла плата забирает +24вольта, после диодного мостика и +5 вольт (для мозгов) а так-же три сигнала включения "ступеней мощности".
На плате расположены разьемы подключения питания (повышенное сечение проводов), подключения цифрового
сигнала, разьем для ICSP внутрисхемного программирования, а так-же дополнительные выводы +12В питания на случай чего.
Провода вполне достаточно МГТФ 0.75мм2 (питание и земля) и 0.2мм2 для цифровых сигналов. Не забываем
про экранирование цифровых проводов вследствии наводок коммутационных!

Сердцем системы будет имеющийся под рукой микроконтроллер AVR ATTINY24 в исполнении позволяющем работать в среде высоких температур которые присутствуют внутри отопительного прибора. Нам не нужно много памяти и быстродействия от него. Клокаем его на 1мгц. Вся его задача выполнять простейшее перещелкивание 9ти выходами в хитрой последовательности, следя за состоянием других 6ти входов. Т.е. ножек самого МК нам не хватит поэтому применим сдвиговые регистры на вход и выход.

А ноги управляющие силовым рубильником аварийным зацепим за сам МК.

Серьезные стандарты Европейской электронники говорят о том что в такого рода оборудовании после коммутации цепи надо проверить (read-back) её фактическое состояние а не просто "я нажал, а чо там дальше - меня не волнует".

Узел коммутации состоит из силовых реле и симистора образующих вместе "гибридное реле".
Примененные штатно в котле реле расчитано на коммутацию тока величиной 30А, ставим в пару ему симистор расчитанный на 24А. Этого должно вполне хватать для примененных в котле ЭВАН ТЭНов расчитаных на 3.15кВт мощности (~13.6Ампер). Алгоритм коммутации таков:
1. Включаем симистор, ждем 15миллисекунд (полупериод в 50гц сети 10мс) что-бы гарантированно
он включился.
2. Включаем реле, ждем времени взвода реле (из документации) плюс накидываем несколько
миллисекунд для гарантии соединения его силовых контактов.
3. Отпускаем наш симистор. и ждем двойного времени полупериода сети. Во первых чтобы гарантированно
симистор отпустил а во вторых на устойчивое срабатывание детектора напряжения на оптроне.
4. проверяем по детектору напряжения его фактическое наличие. Если нету - значит сваливаемся в ошибку.

Работа гибридного реле иллюстрирует прекрасно вот эта осцилограмма. Желтым - канал РЕЛЕ, Голубым - канал Симистора.

Временные характеристики в переходный период "коммутации" иллюстрирует эта картинка

Тоже самое "с цифровой" стороны логическим анализатором выглядит вот так:

Первые три канала это SPI-шина. четвертый это симистор, пятый это реле.

Поскольку мы применяем безснабберный симистор и наша нагрузка резистивна то опционально указанная
на схеме снабберная цепочка C1+R3 нам не нужна. Её из-за опциональности помечаем на схеме пунктиром.
В случае если она будет необходима - стоит учитывать что конденсатор должен быть Х2 типа расчитаным на
300Вольт переменного напряжения. Резистор в этой цепи 1Ватта мощности.
Мы применяем симисторный драйвер с автоматическим обнаружением нуля сетевого и взводом его MOC3063.
Для гарантированного отпирания ему нужно ток в первичной цепи 6мА. Для запитывания низкой стороны
используем номинал сопротивления 330ом. Это дает ток порядка 9мА. Учитывая непродолжительное время
(~30мс) работы узла этого, к деградации диода это не должно приводить. Питать от минимального тока не стоит - нам надо гарантированно и побыстрее коммутировать основной силовой симистор.

Детектор наличия сетевого напряжения собран на SFH628A-3 опторазвязке (на первой опытной плате был вариант с LTV-814).
Оптимальной комбинацией деталей "конденсаторного БП" стала емкость 0.022мкф + два резистора 4.3к.
Это позволило добиться средней потребляемой мощности первичной цепи (сетевой) - 0.19Ватта
из розетки в интервале 200-240вольт.
Применять следует конденсаторы C6 (C9,C11) полипропилен X2-типа на переменное напряжние 305Вольт.
Я использовал имеющиеся в наличии EPCOS B32921C3473K.
Резисторы R22,R25 () углеродные 0.5Ватта на 4.3кОм ставим с обеих сторон сети (L+N). Мощность выделяемая
на балластных резисторах в сумме равно 0.04ватта и поделится на два. Но поскольку не всякий ноунейм 0.25Вт резистор можно пихать в сеть с её напряжениями, то мы лучше перестрахуемся и возьмем 0.5Вт. Не забываем что это не "помигай светодиодом" а система жизнеобеспечения.

Параллельно гасящему конденсатору ставим резистор 1мОм на 0.5Вт который будет помогать разряжать конденсатор при снятии питания. Это дает нам примерное время разряда равное 8мс. При чтении "детектора напряжения" следует учитывать это время. Поэтому мы закладывали двойное время полупериода сети. В слаботочной части оптрона приходится делать "very weak pullup" резистором на 39к из-за крайне низкого тока в первичной цепи. В итоге при наличии сетевого напряжения низкий уровень это 0.1Вольт, высокий 4.9Вольт. Завышать совсем сильно номинал сопротивления нехорошо т.к. снизит помехозащищенность.
У примененного 74HCT165 регистра низкий уровень считается всё что ниже 1.5Вольта. Мы вполне вписываемся
в это.
При наличии сетевого напряжения (гибридное реле замкнуто) уровень на входе регистра будет низким.
При отсутствии сетевого напряжения - высоким. Так называемая ревесная логика.

При отсутствии конденсатора фильтра в цепи выхода фототранзистора опторазвязки, будет хорошо видно выбросы с пиками. Период равен половине сетевого напряжения (переход через ноль тот самый).

Поэтому для устранения этой проблемы использован конденсатор малой емкости на выходе. На осцилограмме ниже его время разрядки.

Цепочка R39+C18 используется как фильтр для подавления помех на последовательной шине т.к. без неё у высокоскоростной 74HC595 будет отрывать крышу. На осцилограмах (без цепочки фильтра) видны некоторые неприятные вещи

 

В процессе разработки (НИОКР) было разведено и изготовлено две ревизии плат. Первая ревизия справа, вторая слева.

Для первичной настройки использовалась лампочка 60Ваттная (а потом и 150Ваттная) и простой переключатель фиксирующий включение первой ступени нагрева. Одним из отдельных проводов "симулировалась" авария залипания реле коммутирующего и по детектору напряжения контроллер понимал что следует обесточиться.

В дальнейшем работоспособность схемы была "опробована" через ЛАТР в условиях пониженного и повышенного напряжения (200-245вольт) сети. в России это обыйденное явление в сетях увы. После чего для силовых испытаний был скоммутирован теплоэлектронагреватель на основе ТЭНов мощностью 2.5 кВт.

Осцилограммы ниже - финальные испытания конструкции с нагрузкой 2.5 кВт. Дифференциальные щупы зацеплены за выход платы (фаза-ноль).

А вот здесь осцилограмма с дифференциальными щупами на контактах реле (как в начале)

 

Монтаж:

Силовые реле выпаиваем из их оригинальных посадочных мест с основной платы и впаиваем в нашу.
Сигналы для запуска (0/+5в) ступеней мощности снимаем с самих ножек штатного PIC-контроллера
котла отопления на основной плате управления.
В ходе комплекса НИОКР было первоначально применена оптопара LTV-814 поэтому осцилограмы сигналов
записанные именно с этим вариантом. Примененная "в продакшен" SFH628A-3 обладает гораздо лучшим CTR.

При подключении фазных(L) проводов к силовым реле стоит учитывать последовательность их отключения. Питание котлового насоса (в редакции М) как и питание оригинальной платы с трансформатором должно быть ПОСЛЕ силового коммутационного реле выключающегося последним при аварии.

Финальный вариант платы с полностью установленными деталями первого канала (ступени) нагрева выглядел вот так.

К сожалению после изготовления платы и начале работ по её установке, выяснилось что приобрести в РФ оригинальные Чешские ТЭН Backer использующегося в приборе типа более невозможно. По всей видимости - слишком устарело т.к. сейчас этот производитель делает ТЭНы имерсионного нагрева воды ввиде сборок из нескольких ТЭН на едином фланце. Собственно их последние модели котлов именно с такими нагревателями и идут...

Поэтому финальный, практически законченый, проект пришлось полностью остановить и убрать в чулан...

Файлы:

• Принципиальная схема (PDF)
• Печатная плата (SVG)
• Прошивка для МК attiny24SSR (C source code)

 Литература:

• WAN011 - Logic Level Sensitive Gate Triacs
• AN5114 - Controlling a Triac with a phototriac
• AN4363 - how to select TRIAC ACS ACST
• AN3004 - Applications of Zero Voltage Crossing Optically
• AN3008 - RC Snubber Networks for Thyristor Power Control And Transient Suppression
• Paul Horowitz, Winfield Hill-The Art of Electronics-Cambridge University Press (2015)