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電熱水器方案開發設計


按照國家標準,電熱水器可分為貯水式電熱水器和即熱式電熱水器。即熱式電熱水器因為消耗功率較大而多用于公共場所。貯水式電熱水器又分為封閉式、水槽供水式、出口敞開式和開口式等。家用電熱水器一般為貯水式電熱水器中的封閉式和出口敞開式兩種,且以前者為主。

一、電熱水器方案技術介紹

1.1 內膽技術

電熱水器制造的核心技術是內膽技術,又細分為內膽材料及防腐技術和內膽加工工藝。當前,國內市場上的電熱水器按內膽技術的不同分為兩大陣營,以海爾為代表的不銹鋼內膽和以阿里斯頓為代表的搪瓷內膽。不銹鋼內膽的優點是材質比較好且重量較輕,缺點是耐壓性低,不耐撞擊、特別是焊縫處易滲漏。但不銹鋼內膽的生產工藝簡單且設備投入少,因此為大多數國內廠家所采用。而阿里斯頓等一些國外品牌的廠家,采用了進口加厚特種鋼板制造的搪瓷內膽,防腐性能卓越,且承受內部壓力可達十多公斤,使用壽命長且極為安全,但生產搪瓷內膽設備投資巨大、工藝復雜、技術含量高。隨著市場競爭的加劇,搪瓷內膽技術必將成為電熱水器的主導技術。

1.2 安全性能、保溫性能和熱效率

與安全性能相對應的主要技術是水電分離技術。這主要集中體現為加熱管的制造技術。目前,國內市場的名牌電熱水器一般采用金鉤加熱管。現有加熱管主材料一般采用紫銅管和特種不銹鋼管,以后者為主。隔離手段一般采用氧化鎂粉末作為水電隔離體。作為水電隔離技術的輔助和一種市場手段,有些廠家在電熱水器上裝了漏電保護裝置和出水斷電裝置。

與安全性能相關的另一技術即溫控器制造技術,好的溫控器可以防止水溫過高,避免燙傷事故。電熱水器采用的溫控器可分為兩大類:機械溫控和電子溫控,并且以機械溫控為主導。目前國內名牌電熱水器均采用進口溫控器。

與保溫性能相對應的是電熱水器的保溫材料選擇及加工工藝。材料的選擇在一定程度上是由制造技術決定的,主要有三類:聚胺酯泡沫、聚丙烯泡沫和玻璃纖維棉。其中聚氨酯泡沫的密度最大,保溫性能最好。

電熱水器的熱效率是一項綜合性的指標。熱效率與加熱器質量和保溫層質量有著密切的聯系。保溫材料越致密越厚則保溫性能越好、保溫性能越好則熱效率越高。同時加熱管效率越高則整機熱效率也相應越高。

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二、電熱水器的選購建議

2.1 即熱式和貯水式的選擇

家用電熱水器分即熱式和貯水式兩種。比起燃氣熱水器來,電熱水器具有安全、衛生、方便等優點,隨時可提供熱水,且水溫易調節。即熱式熱水器體積小,不須預熱,但功率大,通常在4-6kw以上,工作電流高達20A。受國內住宅配線的限制,難以廣泛使用。再者,即熱式電熱水器是在水的流動過程中加熱,又稱過流式熱水器,所以使用中易受水壓的影響,水溫產生變化。而貯水式熱水器是以容積貯水方式加熱,能自動保溫恒溫,停電時同樣可以提供熱水,并且可以作為家庭熱水供應中心,供家庭多處使用溫熱水,但體積較大,需要預熱。

2.2 封閉式和敞開式的選擇

貯水式電熱水器分為封閉式和敞開式兩種。敞開式電熱水器的內丹無耐壓要求,不保溫,結構也相對簡單,不能同時供應多處用水;封閉式電熱水器內膽可耐壓,結構設計也相對安全合理,具有恒溫保溫功能,能同時供應多處用水。目前大部分的用戶都是選用封閉式。

2.3 內膽的選擇

貯水式電熱水器的內膽是用來儲水的,它必須具備保溫、耐壓、不生銹、無水垢、不滲水的特性,否則,一旦損壞難以修復,所以電熱水器的壽命取決于內膽的材質和制作工藝,而用戶在購買電熱水器時,選擇好的內膽則是關鍵。目前市場上的電熱水器的內膽主要有以下幾種:鍍鋅板內膽:這種鋅保護層的內膽較薄,易于成形,便于加工,但長時間使用易生銹,影響使用壽命,所以一般不選用。不銹鋼內膽:不銹鋼在材質上要比鍍鋅板好,不易生銹;不少熱水器內膽采用這種材料,但不足之處是不銹鋼內膽焊縫缺陷難以發現,易造成隱患,長期使用后,不銹鋼中的鉻會被自來水中的氯離子腐蝕而產生焊縫漏水。熱鍍鋅覆涂防銹樹脂內膽:在內膽加工時,通過熱鍍鋅工藝形成的鋅合金保護層,厚度在0.7毫米以上,可防銹觸、防電解,但內膽的質量和壽命取決于鋅合金和防銹樹脂的工藝和質量。搪瓷內膽:這種內膽的表面瓷釉為非金屬材料,既不生銹,也無水垢;內膽本身用厚鋼板制作,抗壓力強,并有一定的抗沖擊性,防腐性能良好。所以,搪瓷內膽的可靠性相對更好些。

2.4 外體形狀的選擇

早期電熱水器內膽的形狀五花八門,但從幾何學的角度來開,圓罐形的設計受力最均勻且最能承受高壓。經過20多年的發展,市場上的一些知名品牌的熱水器內膽都是圓罐形設計的。

2.5 容量和功率的選擇

一般3口之家選用30-40升較合適,4-5人宜選用60-80升;貯水式電熱水器的加熱功率一般為1-1.5KW,這樣,要求家中的電表(電負荷容量)最好大于10A。現在有些電熱水器已設計成雙功率加熱,為用戶使用提供了選擇,同時,也為大容量熱水器因長期保溫需要提供了方便。

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三、即熱式熱水器結構組成

熱水器的結構,主要包括加熱筒、電路板、機殼及附屬配件三部分。

3.1 加熱筒

加熱筒是熱水器的核心部件,是熱交換的場所。筒內安裝多組加熱管,筒頂引出電極。進水通道上設有水流傳感器(檔位機是水流開關),進水和出水通道上均安裝有溫度傳感器。加熱筒直徑5cm、長24.5cm,再擠下4根U型加熱管,實際容積不到300ml,因此水流可以迅速升溫,實現“即熱即用”。

筒身上安裝溫控開關,作用是超溫斷電,動作溫度98℃。為確保溫控開關底部與加熱筒有效接觸,接觸面處涂有導熱膏(硅脂),以減小熱阻。溫控開關內部有一塊硬幣大小的圓形雙金屬凹凸片,凹凸間距約為1 mm,凸面緊貼著開關的金屬底面,超溫時該雙金屬片凹凸翻轉,中心點上可產生2mm的行程,推動傳遞桿將開關的導電梁從觸點上頂開,從而切斷電路。動作后需要手動復位。

超溫可以發生在筒內滿水、缺水甚至無水三種狀態下,熱量通過水、水蒸氣或筒體頂部傳遞到筒身,筒身上部溫度最快升高,因此溫控開關也安裝在偏上部。據此分析,這類熱水器應豎直安裝。

3.2 控制電路板

電路板有兩塊,一塊為主電路板,直接固定在機殼上,另一塊是顯示及操作電路板,固定在前面板上,二者之間用一根多股排線連接。經查閱資料、對比實物,忽略一些電路細節,可以整理得到電路的邏輯框圖如下。

電熱水器電路邏輯圖

首先分析加熱管電路,加熱管的通斷使用了繼電器,實現強電弱電隔離。第二路中可控硅器件也直接串聯在加熱管電路中,因此通過一個光耦器件來實現電氣隔離。光耦通過“電-光-電”的二次轉換,將單片機的控制信號送往可控硅。其次是單片機控制電路。廠方為了保密,單片機的型號標識已被擦除,但并不影響對電路的分析。單片機的輸入信號包括進水流量、進水溫度、出水溫度,由相應的傳感器電路負責提供。單片機的輸出控制信號包括兩路繼電器、一路可控硅。單片機另用多個I/O連接顯示屏、蜂鳴器、E2 PROM存儲器、操作按鍵等電路。此外,還有電源電路、漏電保護電路、過零檢測等電路。

四、熱水器的加熱管電路分析

4.1 檔位機加熱電路控制方式

檔位機設四根加熱管,功率為兩根1.7kW,兩根2.3kW,利用四個繼電器分別控制,可以組合出1.7-8kW共8種功率組合,對應8個檔位,以適合不同的溫度需要。

4.2 恒溫機加熱電路控制方式

恒溫機也有四根加熱管,每根2kW,分2組接線,每組4kW,第一組用繼電器控制負責“粗調”,第二組用繼電器加雙向可控硅串聯控制負責功率“細調”。可控硅是一種大功率半導體器件,改變導通角就能控制電流,實現0-4kW之間的任意功率分配。兩組結合起來就能實現0-8kW的任意功率值輸出。

4.3 可控硅控制原理

理解可控硅控制的工作原理,可以看懂電路更多設計細節。雙向可控硅是一種多層半導體器件,相當于一個特殊的開關,其特點為“觸發導通、通后保持、斷電才關”,T1、T2電極串聯在加熱管電路中,觸發信號由單片機輸出,通過光耦隔離后加載到門極G。

可控硅觸發導通后,即使移除觸發信號,器件也能保持導通狀態,直到斷電后才截止,等待下次觸發。斷電利用了交流電源50Hz正弦波的“過零”,在半個周期(角度π、時長10ms)中,設t1和t3是頭尾兩個“過零”時刻,t2為某個加載驅動信號的時刻,那么從t2到t3之間的角度就是導通角,只要改變導通角的大小(0-π),就能控制導通電流,從而實現0-100%間的任意功率分配。單片機在t1時刻采樣到過零信號,啟動計時,延時到t2時發出觸發信號。導通角大小及其計算周期,需要依據復雜的自動控制理論來確定。過零信號來自電源變壓器次級電壓,經整流整形后,送入單片機作為同步控制信號。

4.4 超溫保護電路

超溫保護電路有兩組:第一組用溫控開關,防止異常高溫。第二組超溫保護是“高水溫保護”,保護值一般設為60℃,由單片機軟件負責控制。,一旦超溫,切斷加熱管電路,給出顯示和聲音提示,當溫度回復到設定值以下時,自動恢復正常恒溫控制。測試時,當水溫大于60℃時,觀察到單片機切斷兩路繼電器、關閉可控硅觸發信號,同時蜂鳴器產生3次90ms長的短促報警聲。

恒溫機用到了溫度傳感器、流量傳感器、電流互感器、溫控開關等多種傳感器。其中溫控開關既是傳感器也是控制器。電流互感器用于漏電保護。這里介紹溫度傳感器和流量傳感器的原理及技術。

水溫傳感器用NTC熱敏電阻,NTC即負溫度系數。這類傳感器以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,采用陶瓷工藝制造而成的。溫度低時,這些氧化物材料的載流子(電子和空穴)數目少,所以其電阻值較高。隨著溫度的升高,載流子數目增加,電阻值降低。溫度傳感器的電阻值需要經單片機AD轉換后,變成電壓,再轉換成溫度值才能用于運算、控制、顯示。

水流傳感器的內部結構,從頂部往下看,在圓柱形內部空間里,安放一個葉輪,葉輪上套有磁環,然后用頂蓋密封,頂蓋有一凹槽,正好嵌入霍爾器件,使磁環與霍爾器件間距小于3mm。水流驅動葉輪轉動,利用霍爾效應,元件感應到磁極信號變化,輸出電信號。霍爾效應是指當有電流流過半導體薄片時,在垂直于電流I和磁場B的方向上將產生電動勢的現象。器件型號為W12,內部集成了霍爾元件及信號處理電路,包括參考電壓、放大器、施密特觸發器和驅動輸出三極管,能直接輸出已整形的脈沖方波。

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五、熱水器的溫度控制電路

按照自動控制理論,典型的溫度控制一般使用PID模擬控制,即“比例(P)-積分(I)-微分(D)”,其中r(t)是給定值,y(t)實際輸出值,偏差e(t)=r(t)-y(t),偏差值經PID運算并線性組合后,形成控制量u(t),對被控制對象進行控制。

比例控制是根據誤差大小成比例地輸出控制量,使被控量朝著誤差減小的方向變化,控制量的大小取決于比例系數Kp。假設設定溫度為40℃,比例帶寬為20℃,當出水溫度在30℃以下控制器滿功率輸出,50℃以上零輸出,兩者之間則按比例控制。理論上,比例控制就可以實現恒溫效果了。

但比例控制無法解決靜態誤差(也叫靜差或穩態誤差)問題,因此引入積分控制,對靜差進行記憶、積分,產生控制量向減少靜差的方向調節。積分控制需要對前幾次誤差采樣積分后再產生控制信號,因此存在較大的滯后性,因此再引入微分控制。微分反映的是誤差的變化趨勢(變化速率),從而及時產生控制量。實際系統中溫度值是采樣獲得的離散值,積分和微分項需要進行離散化處理。

另一種廣泛應用的自動控制器是模糊控制器,非常適合于即熱式熱水器。研究表明,模糊控制對于非線性及時變等不確定系統有較好的控制作用。模糊控制器的控制過程為:輸入信號經模糊化接口處理后,由推理機調取數據庫和規則庫存儲的邏輯,運用數據矢量按相關規則求解模擬方程,獲得模糊控制量,再通過解模糊接口轉換成控制電信號。其中,數據庫中存放各輸入輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值,規則庫存放控制規則,這些規則是通過專家及經驗來定義的。在俞紅杰的對比測試中,模糊控制在到達穩態時間、控制精度及抗干擾能力等指標上都優于PID控制模式。

六、熱水器的安全技術設計

安全是用戶選擇的首要考慮。如果加熱管破裂、穿孔,管內電熱絲就與水接觸,造成水體帶電。即熱式熱水器采取以下多項措施保障安全用電。

6.1 接地裝置和漏電保護器

規范的配電環境是安全使用的著道屏障,包括接地系統和漏電保護器。熱水器電源線中的地線必須與入戶地線可靠連接,漏電保護器應每月按一次測試按鈕檢測有效性。即熱式熱水器功率大,應配置40A斷路器,鋪設至少4mm2電源專線。

6.2 漏電檢測電路

熱水器內部有專門的漏電保護電路,電源進線(相線和零線,不包括地線)上套有一個互感器,且在互感器上纏繞一圈作為初級線圈,互感器次級線圈有一千多匝。如出現漏電,相線與零線的電流不一致,產生磁感應,次級感應出電壓,經CS54123芯片電路放大處理后,由單片機控制熱水器斷開繼電器。在模擬漏電測試中,觀察到單片機在77毫秒后關閉2路繼電器和可控硅的觸發信號,產生聲音報警信號和故障代碼顯示。

6.3 防電墻

防電墻實際上是一段絕緣水管,通過水體本身的電阻對漏電電流進行衰減。為達到足夠的長度,一般內部設計為螺旋管道,這種管道的使用具有很好的可靠性。

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