生活電器
電熱水器方案開(kāi)發(fā)
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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?yàn)橄墓β瘦^大而多用于公共場(chǎng)所。貯水式電熱水器又分為封閉式、水槽供水式、出口敞開(kāi)式和開(kāi)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(kāi)式兩種，且以前者為主。
一、電熱水器方案技術(shù)介紹
1.1 內(nèi)膽技術(shù)
電熱水器制造的核心技術(shù)是內(nèi)膽技術(shù)，又細(xì)分為內(nèi)膽材料及防腐技術(shù)和內(nèi)膽加工工藝。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電熱水器按內(nèi)膽技術(shù)的不同分為兩大陣營(yíng)，以海爾為代表的不銹鋼內(nèi)膽和以阿里斯頓為代表的搪瓷內(nèi)膽。不銹鋼內(nèi)膽的優(yōu)點(diǎn)是材質(zhì)比較好且重量較輕，缺點(diǎn)是耐壓性低，不耐撞擊、特別是焊縫處易滲漏。但不銹鋼內(nèi)膽的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單且設(shè)備投入少，因此為大多數(shù)國(guó)內(nèi)廠家所采用。而阿里斯頓等一些國(guó)外品牌的廠家，采用了進(jìn)口加厚特種鋼板制造的搪瓷內(nèi)膽，防腐性能卓越，且承受內(nèi)部壓力可達(dá)十多公斤，使用壽命長(zhǎng)且極為安全，但生產(chǎn)搪瓷內(nèi)膽設(shè)備投資巨大、工藝復(fù)雜、技術(shù)含量高。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，搪瓷內(nèi)膽技術(shù)必將成為電熱水器的主導(dǎo)技術(shù)。
1.2 安全性能、保溫性能和熱效率
與安全性能相對(duì)應(yīng)的主要技術(shù)是水電分離技術(shù)。這主要集中體現(xiàn)為加熱管的制造技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的名牌電熱水器一般采用金鉤加熱管?，F(xiàn)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(shù)的輔助和一種市場(chǎng)手段，有些廠家在電熱水器上裝了漏電保護(hù)裝置和出水?dāng)嚯娧b置。
與安全性能相關(guān)的另一技術(shù)即溫控器制造技術(shù)，好的溫控器可以防止水溫過(guò)高，避免燙傷事故。電熱水器采用的溫控器可分為兩大類：機(jī)械溫控和電子溫控，并且以機(jī)械溫控為主導(dǎo)。目前國(guó)內(nèi)名牌電熱水器均采用進(jìn)口溫控器。
與保溫性能相對(duì)應(yīng)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(shù)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(xiàng)綜合性的指標(biāo)。熱效率與加熱器質(zhì)量和保溫層質(zhì)量有著密切的聯(lián)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(shí)加熱管效率越高則整機(jī)熱效率也相應(yīng)越高。
二、電熱水器的選購(gòu)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?xì)鉄崴鱽?lái)，電熱水器具有安全、衛(wèi)生、方便等優(yōu)點(diǎn)，隨時(shí)可提供熱水，且水溫易調(diào)節(jié)。即熱式熱水器體積小，不須預(yù)熱，但功率大，通常在4-6kw以上，工作電流高達(dá)20A。受國(guó)內(nèi)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(dòng)過(guò)程中加熱，又稱過(guò)流式熱水器，所以使用中易受水壓的影響，水溫產(chǎn)生變化。而貯水式熱水器是以容積貯水方式加熱，能自動(dòng)保溫恒溫，停電時(shí)同樣可以提供熱水，并且可以作為家庭熱水供應(yīng)中心，供家庭多處使用溫?zé)崴w積較大，需要預(yù)熱。
2.2 封閉式和敞開(kāi)式的選擇
貯水式電熱水器分為封閉式和敞開(kāi)式兩種。敞開(kāi)式電熱水器的內(nèi)丹無(wú)耐壓要求，不保溫，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，不能同時(shí)供應(yīng)多處用水；封閉式電熱水器內(nèi)膽可耐壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相對(duì)安全合理，具有恒溫保溫功能，能同時(shí)供應(yīng)多處用水。目前大部分的用戶都是選用封閉式。
2.3 內(nèi)膽的選擇
貯水式電熱水器的內(nèi)膽是用來(lái)儲(chǔ)水的，它必須具備保溫、耐壓、不生銹、無(wú)水垢、不滲水的特性，否則，一旦損壞難以修復(fù)，所以電熱水器的壽命取決于內(nèi)膽的材質(zhì)和制作工藝，而用戶在購(gòu)買電熱水器時(shí)，選擇好的內(nèi)膽則是關(guān)鍵。目前市場(chǎng)上的電熱水器的內(nèi)膽主要有以下幾種：鍍鋅板內(nèi)膽：這種鋅保護(hù)層的內(nèi)膽較薄，易于成形，便于加工，但長(zhǎng)時(shí)間使用易生銹，影響使用壽命，所以一般不選用。不銹鋼內(nèi)膽：不銹鋼在材質(zhì)上要比鍍鋅板好，不易生銹；不少熱水器內(nèi)膽采用這種材料，但不足之處是不銹鋼內(nèi)膽焊縫缺陷難以發(fā)現(xiàn)，易造成隱患，長(zhǎng)期使用后，不銹鋼中的鉻會(huì)被自來(lái)水中的氯離子腐蝕而產(chǎn)生焊縫漏水。熱鍍鋅覆涂防銹樹(shù)脂內(nèi)膽：在內(nèi)膽加工時(shí)，通過(guò)熱鍍鋅工藝形成的鋅合金保護(hù)層，厚度在0.7毫米以上，可防銹觸、防電解，但內(nèi)膽的質(zhì)量和壽命取決于鋅合金和防銹樹(shù)脂的工藝和質(zhì)量。搪瓷內(nèi)膽：這種內(nèi)膽的表面瓷釉為非金屬材料，既不生銹，也無(wú)水垢；內(nèi)膽本身用厚鋼板制作，抗壓力強(qiáng)，并有一定的抗沖擊性，防腐性能良好。所以，搪瓷內(nèi)膽的可靠性相對(duì)更好些。
2.4 外體形狀的選擇
早期電熱水器內(nèi)膽的形狀五花八門，但從幾何學(xué)的角度來(lái)開(kāi)，圓罐形的設(shè)計(jì)受力最均勻且最能承受高壓。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，市場(chǎng)上的一些知名品牌的熱水器內(nèi)膽都是圓罐形設(shè)計(jì)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(fù)荷容量）最好大于10A?，F(xiàn)在有些電熱水器已設(shè)計(jì)成雙功率加熱，為用戶使用提供了選擇，同時(shí)，也為大容量熱水器因長(zhǎng)期保溫需要提供了方便。
三、即熱式熱水器結(jié)構(gòu)組成
熱水器的結(jié)構(gòu)，主要包括加熱筒、電路板、機(jī)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(chǎng)所。筒內(nèi)安裝多組加熱管，筒頂引出電極。進(jìn)水通道上設(shè)有水流傳感器(檔位機(jī)是水流開(kāi)關(guān))，進(jìn)水和出水通道上均安裝有溫度傳感器。加熱筒直徑5cm、長(zhǎng)24．5cm，再擠下4根U型加熱管，實(shí)際容積不到300ml，因此水流可以迅速升溫，實(shí)現(xiàn)“即熱即用”。
筒身上安裝溫控開(kāi)關(guān)，作用是超溫?cái)嚯?，?dòng)作溫度98℃。為確保溫控開(kāi)關(guān)底部與加熱筒有效接觸，接觸面處涂有導(dǎo)熱膏(硅脂)，以減小熱阻。溫控開(kāi)關(guān)內(nèi)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(kāi)關(guān)的金屬底面，超溫時(shí)該雙金屬片凹凸翻轉(zhuǎn)，中心點(diǎn)上可產(chǎn)生2mm的行程，推動(dòng)傳遞桿將開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電梁從觸點(diǎn)上頂開(kāi)，從而切斷電路。動(dòng)作后需要手動(dòng)復(fù)位。
超溫可以發(fā)生在筒內(nèi)滿水、缺水甚至無(wú)水三種狀態(tài)下，熱量通過(guò)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(kāi)關(guān)也安裝在偏上部。據(jù)此分析，這類熱水器應(yīng)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(jī)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(jīng)查閱資料、對(duì)比實(shí)物，忽略一些電路細(xì)節(jié)，可以整理得到電路的邏輯框圖如下。
首先分析加熱管電路，加熱管的通斷使用了繼電器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電弱電隔離。第二路中可控硅器件也直接串聯(lián)在加熱管電路中，因此通過(guò)一個(gè)光耦器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。光耦通過(guò)“電-光-電”的二次轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)的控制信號(hào)送往可控硅。其次是單片機(jī)控制電路。廠方為了保密，單片機(jī)的型號(hào)標(biāo)識(shí)已被擦除，但并不影響對(duì)電路的分析。單片機(jī)的輸入信號(hào)包括進(jìn)水流量、進(jìn)水溫度、出水溫度，由相應(yīng)的傳感器電路負(fù)責(zé)提供。單片機(jī)的輸出控制信號(hào)包括兩路繼電器、一路可控硅。單片機(jī)另用多個(gè)I/O連接顯示屏、蜂鳴器、E2 PROM存儲(chǔ)器、操作按鍵等電路。此外，還有電源電路、漏電保護(hù)電路、過(guò)零檢測(cè)等電路。
四、熱水器的加熱管電路分析
4.1 檔位機(jī)加熱電路控制方式
檔位機(jī)設(shè)四根加熱管，功率為兩根1．7kW，兩根2．3kW，利用四個(gè)繼電器分別控制，可以組合出1．7－8kW共8種功率組合，對(duì)應(yīng)8個(gè)檔位，以適合不同的溫度需要。
4.2 恒溫機(jī)加熱電路控制方式
恒溫機(jī)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(fù)責(zé)“粗調(diào)”，第二組用繼電器加雙向可控硅串聯(lián)控制負(fù)責(zé)功率“細(xì)調(diào)”?？煽毓枋且环N大功率半導(dǎo)體器件，改變導(dǎo)通角就能控制電流，實(shí)現(xiàn)0－4kW之間的任意功率分配。兩組結(jié)合起來(lái)就能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。雙向可控硅是一種多層半導(dǎo)體器件，相當(dāng)于一個(gè)特殊的開(kāi)關(guān)，其特點(diǎn)為“觸發(fā)導(dǎo)通、通后保持、斷電才關(guān)”，T1、T2電極串聯(lián)在加熱管電路中，觸發(fā)信號(hào)由單片機(jī)輸出，通過(guò)光耦隔離后加載到門極G。
可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，即使移除觸發(fā)信號(hào)，器件也能保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到斷電后才截止，等待下次觸發(fā)。斷電利用了交流電源50Hz正弦波的“過(guò)零”，在半個(gè)周期(角度π、時(shí)長(zhǎng)10ms)中，設(shè)t1和t3是頭尾兩個(gè)“過(guò)零”時(shí)刻，t2為某個(gè)加載驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻，那么從t2到t3之間的角度就是導(dǎo)通角，只要改變導(dǎo)通角的大小(0-π)，就能控制導(dǎo)通電流，從而實(shí)現(xiàn)0－100%間的任意功率分配。單片機(jī)在t1時(shí)刻采樣到過(guò)零信號(hào)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，延時(shí)到t2時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。導(dǎo)通角大小及其計(jì)算周期，需要依據(jù)復(fù)雜的自動(dòng)控制理論來(lái)確定。過(guò)零信號(hào)來(lái)自電源變壓器次級(jí)電壓，經(jīng)整流整形后，送入單片機(jī)作為同步控制信號(hào)。
4.4 超溫保護(hù)電路
超溫保護(hù)電路有兩組:第一組用溫控開(kāi)關(guān)，防止異常高溫。第二組超溫保護(hù)是“高水溫保護(hù)”，保護(hù)值一般設(shè)為60℃，由單片機(jī)軟件負(fù)責(zé)控制。，一旦超溫，切斷加熱管電路，給出顯示和聲音提示，當(dāng)溫度回復(fù)到設(shè)定值以下時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)正常恒溫控制。測(cè)試時(shí)，當(dāng)水溫大于60℃時(shí)，觀察到單片機(jī)切斷兩路繼電器、關(guān)閉可控硅觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)蜂鳴器產(chǎn)生3次90ms長(zhǎng)的短促報(bào)警聲。
恒溫機(jī)用到了溫度傳感器、流量傳感器、電流互感器、溫控開(kāi)關(guān)等多種傳感器。其中溫控開(kāi)關(guān)既是傳感器也是控制器。電流互感器用于漏電保護(hù)。這里介紹溫度傳感器和流量傳感器的原理及技術(shù)。
水溫傳感器用NTC熱敏電阻，NTC即負(fù)溫度系數(shù)。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(shí)，這些氧化物材料的載流子(電子和空穴)數(shù)目少，所以其電阻值較高。隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，電阻值降低。溫度傳感器的電阻值需要經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后，變成電壓，再轉(zhuǎn)換成溫度值才能用于運(yùn)算、控制、顯示。
水流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從頂部往下看，在圓柱形內(nèi)部空間里，安放一個(gè)葉輪，葉輪上套有磁環(huán)，然后用頂蓋密封，頂蓋有一凹槽，正好嵌入霍爾器件，使磁環(huán)與霍爾器件間距小于3mm。水流驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用霍爾效應(yīng)，元件感應(yīng)到磁極信號(hào)變化，輸出電信號(hào)?；魻栃?yīng)是指當(dāng)有電流流過(guò)半導(dǎo)體薄片時(shí)，在垂直于電流I和磁場(chǎng)B的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。器件型號(hào)為W12，內(nèi)部集成了霍爾元件及信號(hào)處理電路，包括參考電壓、放大器、施密特觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)輸出三極管，能直接輸出已整形的脈沖方波。
五、熱水器的溫度控制電路
按照自動(dòng)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(shí)際輸出值，偏差e(t)=r(t)-y(t)，偏差值經(jīng)PID運(yùn)算并線性組合后，形成控制量u(t)，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。
比例控制是根據(jù)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(shù)Kp。假設(shè)設(shè)定溫度為40℃，比例帶寬為20℃，當(dāng)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(shí)現(xiàn)恒溫效果了。
但比例控制無(wú)法解決靜態(tài)誤差(也叫靜差或穩(wěn)態(tài)誤差)問(wèn)題，因此引入積分控制，對(duì)靜差進(jìn)行記憶、積分，產(chǎn)生控制量向減少靜差的方向調(diào)節(jié)。積分控制需要對(duì)前幾次誤差采樣積分后再產(chǎn)生控制信號(hào)，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(shì)(變化速率)，從而及時(shí)產(chǎn)生控制量。實(shí)際系統(tǒng)中溫度值是采樣獲得的離散值，積分和微分項(xiàng)需要進(jìn)行離散化處理。
另一種廣泛應(yīng)用的自動(dòng)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(duì)于非線性及時(shí)變等不確定系統(tǒng)有較好的控制作用。模糊控制器的控制過(guò)程為:輸入信號(hào)經(jīng)模糊化接口處理后，由推理機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)存儲(chǔ)的邏輯，運(yùn)用數(shù)據(jù)矢量按相關(guān)規(guī)則求解模擬方程，獲得模糊控制量，再通過(guò)解模糊接口轉(zhuǎn)換成控制電信號(hào)。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)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(guī)則庫(kù)存放控制規(guī)則，這些規(guī)則是通過(guò)專家及經(jīng)驗(yàn)來(lái)定義的。在俞紅杰的對(duì)比測(cè)試中，模糊控制在到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間、控制精度及抗干擾能力等指標(biāo)上都優(yōu)于PID控制模式。
六、熱水器的安全技術(shù)設(shè)計(jì)
安全是用戶選擇的首要考慮。如果加熱管破裂、穿孔，管內(nèi)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(xiàng)措施保障安全用電。
6.1 接地裝置和漏電保護(hù)器
規(guī)范的配電環(huán)境是安全使用的著道屏障，包括接地系統(tǒng)和漏電保護(hù)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(hù)器應(yīng)每月按一次測(cè)試按鈕檢測(cè)有效性。即熱式熱水器功率大，應(yīng)配置40A斷路器，鋪設(shè)至少4mm2電源專線。
6.2 漏電檢測(cè)電路
熱水器內(nèi)部有專門的漏電保護(hù)電路，電源進(jìn)線(相線和零線，不包括地線)上套有一個(gè)互感器，且在互感器上纏繞一圈作為初級(jí)線圈，互感器次級(jí)線圈有一千多匝。如出現(xiàn)漏電，相線與零線的電流不一致，產(chǎn)生磁感應(yīng)，次級(jí)感應(yīng)出電壓，經(jīng)CS54123芯片電路放大處理后，由單片機(jī)控制熱水器斷開(kāi)繼電器。在模擬漏電測(cè)試中，觀察到單片機(jī)在77毫秒后關(guān)閉2路繼電器和可控硅的觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生聲音報(bào)警信號(hào)和故障代碼顯示。
6.3 防電墻
防電墻實(shí)際上是一段絕緣水管，通過(guò)水體本身的電阻對(duì)漏電電流進(jìn)行衰減。為達(dá)到足夠的長(zhǎng)度，一般內(nèi)部設(shè)計(jì)為螺旋管道，這種管道的使用具有很好的可靠性。
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