快熱式電熱水器模擬控制技術(shù)

楊友林

（上海林君電器有限公司 上海 200940）

1 引言

眾所周知，人們?cè)谌∮蒙顭崴畷r(shí)，對(duì)熱水溫度的精度要求不是很高，如冬天的淋浴熱水溫度在40℃到45℃之間，夏天的熱水溫度在35℃到40℃之間，可能還要低一點(diǎn)。還有如洗臉、刷牙等用水的溫度都沒有一個(gè)很明確的溫度要求，只要自己感覺舒適就可以了。因地理位置、氣候環(huán)境的不同，因人不同，如老人，孩子、中青年等，都沒有一個(gè)很定量的要求。不過按照國家對(duì)熱水器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，生活用水的溫度一定要在55℃以下，以免燙傷。當(dāng)前快熱式電熱水器因體型小巧、美觀大方、使用方便、安裝與維修都很容易，已經(jīng)在市場(chǎng)上占有一定的地位。

快熱式電熱水器經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)有了很明確的分類，所有的控制技術(shù)也一直與與快熱式電熱水器在同步發(fā)展。一般3000W以下的產(chǎn)品都分類于電熱水龍頭，包括開水機(jī)、開水爐等初級(jí)產(chǎn)品，5000W到8000W產(chǎn)品都是淋浴器系列產(chǎn)品了。初級(jí)產(chǎn)品3000W以下的大部分都沒有調(diào)溫控制技術(shù)的加入，就是簡(jiǎn)單的定額功率加熱，因?yàn)轶w積小，無法帶有可靠的控制裝置，所以就會(huì)造成各種弊端，如冬天在輸入一定的電功率、水流得到的出水溫度，但到了夏天就無法使用，出水溫度太高，造成了能源的浪費(fèi)。5000W到8000W的淋浴器系列產(chǎn)品目前大部分采用數(shù)碼精確控制技術(shù)，用感應(yīng)觸摸屏能精確控制出水溫度在正負(fù)1℃之間，內(nèi)部設(shè)有進(jìn)水流量傳感器、進(jìn)水溫度傳感器、出水溫度傳感器與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，通過單片機(jī)運(yùn)算，閉環(huán)控制，得出一個(gè)比較精確的加熱功率。如進(jìn)水溫度與進(jìn)水流量超過了控制范圍，只能報(bào)警出錯(cuò)，必需要手動(dòng)干預(yù)減少流量。控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。淋浴器大多數(shù)安裝于濕熱環(huán)境的淋浴房，控制PCB板表面結(jié)露容易產(chǎn)生故障。當(dāng)前的中、高檔快熱式電熱水器幾乎全部都采用這種控制模式，將適合工業(yè)控制的模式運(yùn)用到民用產(chǎn)品上，已經(jīng)嚴(yán)重限制了這個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

2 處理方法

以上種種弊端的產(chǎn)生引起我們的反思，既然小功率電熱水器由于體型小無法控制功率，中、大型電熱水器又太過度控制，而我們對(duì)現(xiàn)實(shí)生活用水要求是講究舒適度、多樣化。并不需要一個(gè)很精確的溫度值，所以在這種前提下我們提出了快熱式電熱水器的模擬控制技術(shù)，以真正適應(yīng)家用電器行業(yè)的需要，生產(chǎn)出一大批新的符合節(jié)能、環(huán)保、健康、生態(tài)的綠色新型產(chǎn)品。

圖1 功率控制模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 簡(jiǎn)易型控制電路

圖3 淋浴器控制電路圖

快熱式電熱水器模擬控制技術(shù)是以使用者感覺到的舒適度、多樣化為前提，以最可靠、最簡(jiǎn)約、最節(jié)能的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的功率控制。其核心技術(shù)是一種新型微型化的控制器，這個(gè)微型控制器完全能在交流電源下工作，就類似于雙向可控硅的工作電路，但不應(yīng)該有在濕熱環(huán)境下容易損壞的PCB控制板（見圖1）。圖1功率控制模塊是一個(gè)微型的大功率控制器，體積約8×15×20毫米，安裝于快熱式電熱水器的進(jìn)水管。如一臺(tái)7000W的電熱水器正常工作時(shí)在微型功率控制器二端要產(chǎn)生1.5～2V的壓降，通過電流約32A。這時(shí)要產(chǎn)生60W左右的熱能損失，現(xiàn)在這部分熱能通過預(yù)熱進(jìn)水，即提升了少量的進(jìn)水溫度，同時(shí)也對(duì)微型功率控制器件的散熱有很大的幫助，保證了功率控制器件在正常的工作溫度內(nèi)。這是一個(gè)十分節(jié)能的方案。比一般用繼電器分級(jí)控制方案更為成本低、節(jié)能、可靠、使用壽命長(zhǎng)。

圖4 電源控制模塊結(jié)構(gòu)圖

圖1中微型功率控制模塊由功率器件、RC觸發(fā)電路和溫度控制器組成。溫度控制器是一個(gè)對(duì)溫度有敏感的傳感器。當(dāng)控制負(fù)載發(fā)生了變化，如加熱管產(chǎn)生泄漏而增加了工作電流，如產(chǎn)生干燒現(xiàn)象等，使功率控制器件本體溫度急速上升產(chǎn)生過熱，一般功率控制器80%的失效形式都是過熱損壞。微型功率控制模塊內(nèi)部的溫度控制器自動(dòng)減少對(duì)功率器件的觸發(fā)電流，同時(shí)也減少了功率器件的導(dǎo)通電流。如微型功率控制器件的溫度繼續(xù)上升，那最后就自動(dòng)關(guān)閉整個(gè)加熱系統(tǒng)的主電流，達(dá)到自動(dòng)智能識(shí)別故障的功能。微型功率控制模塊是對(duì)快熱式電熱水器多加了一道保護(hù)措施，能智能確保故障不再擴(kuò)大，直到故障排除。

因?yàn)楣β士刂颇K體積很小，所以能夠在不多占用空間的情況下組成一個(gè)基本的無級(jí)模擬控制系統(tǒng)，可精確地控制出水溫度，應(yīng)用于簡(jiǎn)易型產(chǎn)品（見圖2）。圖中加熱器4500W可作為小廚寶、可調(diào)溫電熱水龍頭和太陽能熱水器伴侶等產(chǎn)品。圖2中的LED發(fā)光二極管可根據(jù)發(fā)光的亮度來確定功率控制器的可調(diào)范圍，電位器可設(shè)定出水溫度。也就是基本從零功率一直到最大，十分方便簡(jiǎn)單。

微型控制器在模擬控制系統(tǒng)具備智能工作功能，能感知到外界工作條件的變化，如遇發(fā)熱系統(tǒng)過溫、加熱器過載等故障，就會(huì)自動(dòng)對(duì)控制加熱器的限流，甚至全部自動(dòng)切斷工作電流，確保快熱式電熱水器的安全。應(yīng)用于中、高檔淋浴器中，只要加上一個(gè)有限溫55℃的LED顯示屏和一個(gè)供電轉(zhuǎn)換模塊，就可以很方便組成一個(gè)新的模擬控制系統(tǒng)（見圖3、4）。

表1 數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)性能比較表

圖3中電路由電源控制模塊、顯示屏和功率控制模塊組成。電源控制模塊提供顯示屏直流工作電源并可按顯示屏的設(shè)定過溫溫度，一般是55℃～60℃。會(huì)自動(dòng)關(guān)斷功率控制模塊的工作，停止加熱。圖4是電源控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由AC/DC開關(guān)電源和控制轉(zhuǎn)換器組成。開關(guān)電源提供顯示屏工作的直流源，使安裝于出水口的溫度傳感器正確工作并在顯示屏上通過LED或者液晶顯示出來。控制轉(zhuǎn)換器能把顯示屏的過溫信號(hào)、水流開關(guān)工作狀態(tài)或者漏電保護(hù)等信號(hào)，輸出到功率控制模塊得到有效控制。整個(gè)中、高檔淋浴器（熱水器）內(nèi)沒有通常所見的PCB板，裝配結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別在濕熱工況下對(duì)很容易產(chǎn)生的結(jié)露有很好的防預(yù)。

3 產(chǎn)生的結(jié)果

生產(chǎn)成本大為下降，而且可靠性提高了。因?yàn)槿慷际侨芊獾哪K化器件，防水等級(jí)已大大的提高，增加了產(chǎn)品的壽命，使產(chǎn)品的性價(jià)比更高。對(duì)于產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)提升檔次有重大意義。

表1是數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)的性能比較表。

4 結(jié)論

快熱式電熱水器應(yīng)用模擬控制是一項(xiàng)具有突破性的技術(shù)，如家用電器行業(yè)的洗衣機(jī)從手動(dòng)控制到數(shù)字控制，再升級(jí)到模擬控制是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步過程。快熱式電熱水器也從手動(dòng)有級(jí)控制到數(shù)字控制，再升級(jí)到模擬無級(jí)控制也是這樣一個(gè)技術(shù)進(jìn)步的過程。從理論上說可得到比數(shù)字控制更為高精度的輸出水溫。