即熱式電熱水器技術(shù)及原理研究

摘要：即熱式熱水器有體積小、即用即開無需提前加熱等優(yōu)點(diǎn)，已被市場認(rèn)可并得到廣泛使用。本文通過實(shí)例，結(jié)合傳熱學(xué)、自動控制等理論，介紹即熱式熱水器的相關(guān)技術(shù)原理，并分析一些設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：即熱式熱水器；技術(shù)原理；傳感器；自動控制；單片機(jī)

即熱式熱水器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。筆者家里先后用過幾臺即熱式熱水器，通過實(shí)物拆裝、器件拆解、電路分析、模擬測試等方法，結(jié)合查閱資料，分析其組成結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)和主要原理，本文介紹這些研究所得。

一、研究對象及方法

（一）研究對象

第一臺是檔位機(jī)，型號為諾克司DSTB8，額定功率8KW。檔位機(jī)電路簡單、成本低，但無法精確調(diào)節(jié)出水溫度，適合水壓穩(wěn)定、對溫控要求不高的地方使用。第二臺為恒溫機(jī)，型號為諾德朗OTR/C8000SF，額定功率8KW。恒溫是指在進(jìn)水溫度、流量在動態(tài)變化時，熱水器能實(shí)時、精確地調(diào)整加熱功率，使出水溫度及時穩(wěn)定到預(yù)設(shè)溫度。恒溫機(jī)需要微電腦進(jìn)行自動恒溫控制，電路較復(fù)雜，本文主要介紹恒溫機(jī)。

（二）研究方法

一是拆解整機(jī)及零部件研究其結(jié)構(gòu)、功能；二是搭建模擬測試平臺，觀察其工作情況；三是對單片機(jī)各路信號進(jìn)行邏輯分析，研究其算法設(shè)計要點(diǎn)。研究過程中，查閱的資料有相關(guān)理論書籍、器件資料數(shù)據(jù)表、相關(guān)專業(yè)論文，以及廠商及網(wǎng)店的宣傳及技術(shù)資料。

二、即熱式熱水器的組成

熱水器的結(jié)構(gòu)，主要包括加熱筒、電路板、機(jī)殼及附配三部分。

（一）加熱筒

加熱筒是熱水器的核心部件，是熱交換的場所。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”。

筒身上安裝溫控開關(guān)，型號為KSD307，作用是超溫斷電，動作溫度98℃。為確保溫控開關(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1mm，凸面緊貼著開關(guān)的金屬底面，超溫時該雙金屬片凹凸翻轉(zhuǎn)，中心點(diǎn)上可產(chǎn)生2mm的行程，推動傳遞桿將開關(guān)的導(dǎo)電梁從觸點(diǎn)上頂開，從而切斷電路。動作后需要手動復(fù)位。

超溫可以發(fā)生在筒內(nèi)滿水、缺水甚至無水三種狀態(tài)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(guān)也安裝在偏上部。據(jù)此分析，這類熱水器應(yīng)豎直安裝。

加熱筒進(jìn)水管上安裝的器件是可控硅，型號為TC35C60，這是用于恒溫控制的關(guān)鍵器件。該器件滿載導(dǎo)通電流18A時壓降約1V，耗散功率近18W，因此需要有效散熱。液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.59W/（m·K），空氣僅為0.026W/（m·K），因此將其安裝在進(jìn)水管壁上，能充分利用流動的冷水散熱。

（二）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，因此通過一個光耦器件來實(shí)現(xiàn)電氣隔離。光耦通過“電光電”的二次轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)的控制信號送往可控硅。

其次是單片機(jī)控制電路。廠方為了保密，單片機(jī)的型號標(biāo)識已被擦除，但并不影響對電路的分析。單片機(jī)的輸入信號包括進(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)的輸出控制信號包括兩路繼電器、一路可控硅。單片機(jī)另用多個I/O連接顯示屏、蜂鳴器、E2PROM存儲器、操作按鍵等電路。

此外，還有電源電路、漏電保護(hù)電路、過零檢測等電路。

（三）外殼及附配件

外殼采用ABS塑料，銘牌上寫明IPX4級防水，其含義是“防濺型，受任意方向的水飛濺無有害影響”，前蓋、后蓋采用套合設(shè)計，電源線、進(jìn)出水管這3處開孔處，也均設(shè)置了防水皮圈。廠家的網(wǎng)上廣告上有防濺測試視頻，幫助消費(fèi)者樹立安全信念。

隨機(jī)配件有防電墻、進(jìn)水調(diào)節(jié)閥和安裝配件。進(jìn)水調(diào)節(jié)閥接在進(jìn)水管前，用以控制最大進(jìn)水量，避免水量太大時達(dá)不到設(shè)定出水溫度。

三、加熱管電路分析

（一）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，利用四個繼電器分別控制，可以組合出1.7-8kW共8種功率組合，對應(yīng)8個檔位，以適合不同的溫度需要。

（二）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)合起來就能實(shí)現(xiàn)0-8kW的任意功率值輸出。

（三）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)于一個特殊的開關(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)信號由單片機(jī)輸出，通過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，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“過零”，在半個周期（角度π、時長10ms）中，設(shè)t1和t3是頭尾兩個“過零”時刻，t2為某個加載驅(qū)動信號的時刻，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?。?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時刻采樣到過零信號，啟動計時，延時到t2時發(fā)出觸發(fā)信號。導(dǎo)通角大小及其計算周期，需要依據(jù)復(fù)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(jīng)整流整形后，送入單片機(jī)作為同步控制信號。

測試時用邏輯分析儀采集各路信號，測試條件為進(jìn)水溫度26℃、預(yù)定恒溫50℃的。啟動后，觀察到單片機(jī)先后接通兩組繼電器，可控硅進(jìn)入較大導(dǎo)通角狀態(tài)，占空比（DutyCycle）為85.3%。

（四）超溫保護(hù)電路

超溫保護(hù)電路有兩組：第一組用溫控開關(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，自動恢復(fù)正常恒溫控制。測試時，當(dāng)水溫大于60℃時，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，同時蜂鳴器產(chǎn)生3次90ms長的短促報警聲。

恒溫機(jī)用到了溫度傳感器、流量傳感器、電流互感器、溫控開關(guān)等多種傳感器。其中溫控開關(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，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)動葉輪轉(zhuǎn)動，利用霍爾效應(yīng)，元件感應(yīng)到磁極信號變化，輸出電信號。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)有電流流過半導(dǎo)體薄片時，在垂直于電流I和磁場B的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。器件型號為W12，內(nèi)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(fā)器和驅(qū)動輸出三極管，能直接輸出已整形的脈沖方波。

四、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(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），對被控制對象進(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。

但比例控制無法解決靜態(tài)誤差（也叫靜差或穩(wěn)態(tài)誤差）問題，因此引入積分控制，對靜差進(jìn)行記憶、積分，產(chǎn)生控制量向減少靜差的方向調(diào)節(jié)。積分控制需要對前幾次誤差采樣積分后再產(chǎn)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(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(tǒng)有較好的控制作用。模糊控制器的控制過程為：輸入信號經(jīng)模糊化接口處理后，由推理機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫存儲的邏輯，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，再通過解模糊接口轉(zhuǎn)換成控制電信號。其中，數(shù)據(jù)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(guī)則庫存放控制規(guī)則，這些規(guī)則是通過專家及經(jīng)驗(yàn)來定義的。在俞紅杰的對比測試中，模糊控制在到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間、控制精度及抗干擾能力等指標(biāo)上都優(yōu)于PID控制模式。

五、安全技術(shù)設(shè)計

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。

（一）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)每月按一次測試按鈕檢測有效性。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。

（二）漏電檢測電路

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(xiàn)漏電，相線與零線的電流不一致，產(chǎn)生磁感應(yīng)，次級感應(yīng)出電壓，經(jīng)CS54123芯片電路放大處理后，由單片機(jī)控制熱水器斷開繼電器。在模擬漏電測試中，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，產(chǎn)生聲音報警信號和故障代碼顯示。

（三）防電墻

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

本文介紹了即熱式熱水器的一些主要技術(shù)，限于篇幅，許多細(xì)節(jié)未分析到。隨著技術(shù)、理論的創(chuàng)新和發(fā)展，即熱式熱水器必將會朝著更可靠、更安全、更智能的方向發(fā)展。

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作者簡介：沈真真（2000），女，浙江海寧人，嘉興市第一中學(xué)高三學(xué)生，對即熱式電熱水器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了專門的研究。