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生活电器

电热水器方案开发设计


按照国家标准,电热水器可分为贮水式电热水器和即热式电热水器。即热式电热水器因为消耗功率较大而多用于公共场所。贮水式电热水器又分为封闭式、水槽供水式、出口敞开式和开口式等。家用电热水器一般为贮水式电热水器中的封闭式和出口敞开式两种,且以前者为主。

一、电热水器方案技术介绍

1.1 内胆技术

电热水器制造的核心技术是内胆技术,又细分为内胆材料及防腐技术和内胆加工工艺。当前,国内市场上的电热水器按内胆技术的不同分为两大阵营,以海尔为代表的不锈钢内胆和以阿里斯顿为代表的搪瓷内胆。不锈钢内胆的优点是材质比较好且重量较轻,缺点是耐压性低,不耐撞击、特别是焊缝处易渗漏。但不锈钢内胆的生产工艺简单且设备投入少,因此为大多数国内厂家所采用。而阿里斯顿等一些国外品牌的厂家,采用了进口加厚特种钢板制造的搪瓷内胆,防腐性能卓越,且承受内部压力可达十多公斤,使用寿命长且极为安全,但生产搪瓷内胆设备投资巨大、工艺复杂、技术含量高。随着市场竞争的加剧,搪瓷内胆技术必将成为电热水器的主导技术。

1.2 安全性能、保温性能和热效率

与安全性能相对应的主要技术是水电分离技术。这主要集中体现为加热管的制造技术。目前,国内市场的名牌电热水器一般采用金钩加热管。现有加热管主材料一般采用紫铜管和特种不锈钢管,以后者为主。隔离手段一般采用氧化镁粉末作为水电隔离体。作为水电隔离技术的辅助和一种市场手段,有些厂家在电热水器上装了漏电保护装置和出水断电装置。

与安全性能相关的另一技术即温控器制造技术,好的温控器可以防止水温过高,避免烫伤事故。电热水器采用的温控器可分为两大类:机械温控和电子温控,并且以机械温控为主导。目前国内名牌电热水器均采用进口温控器。

与保温性能相对应的是电热水器的保温材料选择及加工工艺。材料的选择在一定程度上是由制造技术决定的,主要有三类:聚胺酯泡沫、聚丙烯泡沫和玻璃纤维棉。其中聚氨酯泡沫的密度最大,保温性能最好。

电热水器的热效率是一项综合性的指标。热效率与加热器质量和保温层质量有着密切的联系。保温材料越致密越厚则保温性能越好、保温性能越好则热效率越高。同时加热管效率越高则整机热效率也相应越高。

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二、电热水器的选购建议

2.1 即热式和贮水式的选择

家用电热水器分即热式和贮水式两种。比起燃气热水器来,电热水器具有安全、卫生、方便等优点,随时可提供热水,且水温易调节。即热式热水器体积小,不须预热,但功率大,通常在4-6kw以上,工作电流高达20A。受国内住宅配线的限制,难以广泛使用。再者,即热式电热水器是在水的流动过程中加热,又称过流式热水器,所以使用中易受水压的影响,水温产生变化。而贮水式热水器是以容积贮水方式加热,能自动保温恒温,停电时同样可以提供热水,并且可以作为家庭热水供应中心,供家庭多处使用温热水,但体积较大,需要预热。

2.2 封闭式和敞开式的选择

贮水式电热水器分为封闭式和敞开式两种。敞开式电热水器的内丹无耐压要求,不保温,结构也相对简单,不能同时供应多处用水;封闭式电热水器内胆可耐压,结构设计也相对安全合理,具有恒温保温功能,能同时供应多处用水。目前大部分的用户都是选用封闭式。

2.3 内胆的选择

贮水式电热水器的内胆是用来储水的,它必须具备保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水的特性,否则,一旦损坏难以修复,所以电热水器的寿命取决于内胆的材质和制作工艺,而用户在购买电热水器时,选择好的内胆则是关键。目前市场上的电热水器的内胆主要有以下几种:镀锌板内胆:这种锌保护层的内胆较薄,易于成形,便于加工,但长时间使用易生锈,影响使用寿命,所以一般不选用。不锈钢内胆:不锈钢在材质上要比镀锌板好,不易生锈;不少热水器内胆采用这种材料,但不足之处是不锈钢内胆焊缝缺陷难以发现,易造成隐患,长期使用后,不锈钢中的铬会被自来水中的氯离子腐蚀而产生焊缝漏水。热镀锌覆涂防锈树脂内胆:在内胆加工时,通过热镀锌工艺形成的锌合金保护层,厚度在0.7毫米以上,可防锈触、防电解,但内胆的质量和寿命取决于锌合金和防锈树脂的工艺和质量。搪瓷内胆:这种内胆的表面瓷釉为非金属材料,既不生锈,也无水垢;内胆本身用厚钢板制作,抗压力强,并有一定的抗冲击性,防腐性能良好。所以,搪瓷内胆的可靠性相对更好些。

2.4 外体形状的选择

早期电热水器内胆的形状五花八门,但从几何学的角度来开,圆罐形的设计受力最均匀且最能承受高压。经过20多年的发展,市场上的一些知名品牌的热水器内胆都是圆罐形设计的。

2.5 容量和功率的选择

一般3口之家选用30-40升较合适,4-5人宜选用60-80升;贮水式电热水器的加热功率一般为1-1.5KW,这样,要求家中的电表(电负荷容量)最好大于10A。现在有些电热水器已设计成双功率加热,为用户使用提供了选择,同时,也为大容量热水器因长期保温需要提供了方便。

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三、即热式热水器结构组成

热水器的结构,主要包括加热筒、电路板、机壳及附属配件三部分。

3.1 加热筒

加热筒是热水器的核心部件,是热交换的场所。筒内安装多组加热管,筒顶引出电极。进水通道上设有水流传感器(档位机是水流开关),进水和出水通道上均安装有温度传感器。加热筒直径5cm、长24.5cm,再挤下4根U型加热管,实际容积不到300ml,因此水流可以迅速升温,实现“即热即用”。

筒身上安装温控开关,作用是超温断电,动作温度98℃。为确保温控开关底部与加热筒有效接触,接触面处涂有导热膏(硅脂),以减小热阻。温控开关内部有一块硬币大小的圆形双金属凹凸片,凹凸间距约为1 mm,凸面紧贴着开关的金属底面,超温时该双金属片凹凸翻转,中心点上可产生2mm的行程,推动传递杆将开关的导电梁从触点上顶开,从而切断电路。动作后需要手动复位。

超温可以发生在筒内满水、缺水甚至无水三种状态下,热量通过水、水蒸气或筒体顶部传递到筒身,筒身上部温度最快升高,因此温控开关也安装在偏上部。据此分析,这类热水器应竖直安装。

3.2 控制电路板

电路板有两块,一块为主电路板,直接固定在机壳上,另一块是显示及操作电路板,固定在前面板上,二者之间用一根多股排线连接。经查阅资料、对比实物,忽略一些电路细节,可以整理得到电路的逻辑框图如下。

电热水器电路逻辑图

首先分析加热管电路,加热管的通断使用了继电器,实现强电弱电隔离。第二路中可控硅器件也直接串联在加热管电路中,因此通过一个光耦器件来实现电气隔离。光耦通过“电-光-电”的二次转换,将单片机的控制信号送往可控硅。其次是单片机控制电路。厂方为了保密,单片机的型号标识已被擦除,但并不影响对电路的分析。单片机的输入信号包括进水流量、进水温度、出水温度,由相应的传感器电路负责提供。单片机的输出控制信号包括两路继电器、一路可控硅。单片机另用多个I/O连接显示屏、蜂鸣器、E2 PROM存储器、操作按键等电路。此外,还有电源电路、漏电保护电路、过零检测等电路。

四、热水器的加热管电路分析

4.1 档位机加热电路控制方式

档位机设四根加热管,功率为两根1.7kW,两根2.3kW,利用四个继电器分别控制,可以组合出1.7-8kW共8种功率组合,对应8个档位,以适合不同的温度需要。

4.2 恒温机加热电路控制方式

恒温机也有四根加热管,每根2kW,分2组接线,每组4kW,第一组用继电器控制负责“粗调”,第二组用继电器加双向可控硅串联控制负责功率“细调”。可控硅是一种大功率半导体器件,改变导通角就能控制电流,实现0-4kW之间的任意功率分配。两组结合起来就能实现0-8kW的任意功率值输出。

4.3 可控硅控制原理

理解可控硅控制的工作原理,可以看懂电路更多设计细节。双向可控硅是一种多层半导体器件,相当于一个特殊的开关,其特点为“触发导通、通后保持、断电才关”,T1、T2电极串联在加热管电路中,触发信号由单片机输出,通过光耦隔离后加载到门极G。

可控硅触发导通后,即使移除触发信号,器件也能保持导通状态,直到断电后才截止,等待下次触发。断电利用了交流电源50Hz正弦波的“过零”,在半个周期(角度π、时长10ms)中,设t1和t3是头尾两个“过零”时刻,t2为某个加载驱动信号的时刻,那么从t2到t3之间的角度就是导通角,只要改变导通角的大小(0-π),就能控制导通电流,从而实现0-100%间的任意功率分配。单片机在t1时刻采样到过零信号,启动计时,延时到t2时发出触发信号。导通角大小及其计算周期,需要依据复杂的自动控制理论来确定。过零信号来自电源变压器次级电压,经整流整形后,送入单片机作为同步控制信号。

4.4 超温保护电路

超温保护电路有两组:第一组用温控开关,防止异常高温。第二组超温保护是“高水温保护”,保护值一般设为60℃,由单片机软件负责控制。,一旦超温,切断加热管电路,给出显示和声音提示,当温度回复到设定值以下时,自动恢复正常恒温控制。测试时,当水温大于60℃时,观察到单片机切断两路继电器、关闭可控硅触发信号,同时蜂鸣器产生3次90ms长的短促报警声。

恒温机用到了温度传感器、流量传感器、电流互感器、温控开关等多种传感器。其中温控开关既是传感器也是控制器。电流互感器用于漏电保护。这里介绍温度传感器和流量传感器的原理及技术。

水温传感器用NTC热敏电阻,NTC即负温度系数。这类传感器以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成的。温度低时,这些氧化物材料的载流子(电子和空穴)数目少,所以其电阻值较高。随着温度的升高,载流子数目增加,电阻值降低。温度传感器的电阻值需要经单片机AD转换后,变成电压,再转换成温度值才能用于运算、控制、显示。

水流传感器的内部结构,从顶部往下看,在圆柱形内部空间里,安放一个叶轮,叶轮上套有磁环,然后用顶盖密封,顶盖有一凹槽,正好嵌入霍尔器件,使磁环与霍尔器件间距小于3mm。水流驱动叶轮转动,利用霍尔效应,元件感应到磁极信号变化,输出电信号。霍尔效应是指当有电流流过半导体薄片时,在垂直于电流I和磁场B的方向上将产生电动势的现象。器件型号为W12,内部集成了霍尔元件及信号处理电路,包括参考电压、放大器、施密特触发器和驱动输出三极管,能直接输出已整形的脉冲方波。

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五、热水器的温度控制电路

按照自动控制理论,典型的温度控制一般使用PID模拟控制,即“比例(P)-积分(I)-微分(D)”,其中r(t)是给定值,y(t)实际输出值,偏差e(t)=r(t)-y(t),偏差值经PID运算并线性组合后,形成控制量u(t),对被控制对象进行控制。

比例控制是根据误差大小成比例地输出控制量,使被控量朝着误差减小的方向变化,控制量的大小取决于比例系数Kp。假设设定温度为40℃,比例带宽为20℃,当出水温度在30℃以下控制器满功率输出,50℃以上零输出,两者之间则按比例控制。理论上,比例控制就可以实现恒温效果了。

但比例控制无法解决静态误差(也叫静差或稳态误差)问题,因此引入积分控制,对静差进行记忆、积分,产生控制量向减少静差的方向调节。积分控制需要对前几次误差采样积分后再产生控制信号,因此存在较大的滞后性,因此再引入微分控制。微分反映的是误差的变化趋势(变化速率),从而及时产生控制量。实际系统中温度值是采样获得的离散值,积分和微分项需要进行离散化处理。

另一种广泛应用的自动控制器是模糊控制器,非常适合于即热式热水器。研究表明,模糊控制对于非线性及时变等不确定系统有较好的控制作用。模糊控制器的控制过程为:输入信号经模糊化接口处理后,由推理机调取数据库和规则库存储的逻辑,运用数据矢量按相关规则求解模拟方程,获得模糊控制量,再通过解模糊接口转换成控制电信号。其中,数据库中存放各输入输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值,规则库存放控制规则,这些规则是通过专家及经验来定义的。在俞红杰的对比测试中,模糊控制在到达稳态时间、控制精度及抗干扰能力等指标上都优于PID控制模式。

六、热水器的安全技术设计

安全是用户选择的首要考虑。如果加热管破裂、穿孔,管内电热丝就与水接触,造成水体带电。即热式热水器采取以下多项措施保障安全用电。

6.1 接地装置和漏电保护器

规范的配电环境是安全使用的着道屏障,包括接地系统和漏电保护器。热水器电源线中的地线必须与入户地线可靠连接,漏电保护器应每月按一次测试按钮检测有效性。即热式热水器功率大,应配置40A断路器,铺设至少4mm2电源专线。

6.2 漏电检测电路

热水器内部有专门的漏电保护电路,电源进线(相线和零线,不包括地线)上套有一个互感器,且在互感器上缠绕一圈作为初级线圈,互感器次级线圈有一千多匝。如出现漏电,相线与零线的电流不一致,产生磁感应,次级感应出电压,经CS54123芯片电路放大处理后,由单片机控制热水器断开继电器。在模拟漏电测试中,观察到单片机在77毫秒后关闭2路继电器和可控硅的触发信号,产生声音报警信号和故障代码显示。

6.3 防电墙

防电墙实际上是一段绝缘水管,通过水体本身的电阻对漏电电流进行衰减。为达到足够的长度,一般内部设计为螺旋管道,这种管道的使用具有很好的可靠性。

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