即热式电热水器技术及原理研究

摘要：即热式热水器有体积小、即用即开无需提前加热等优点，已被市场认可并得到广泛使用。本文通过实例，结合传热学、自动控制等理论，介绍即热式热水器的相关技术原理，并分析一些设计思路。

关键词：即热式热水器；技术原理；传感器；自动控制；单片机

即热式热水器现已被广泛应用。笔者家里先后用过几台即热式热水器，通过实物拆装、器件拆解、电路分析、模拟测试等方法，结合查阅资料，分析其组成结构、相关技术和主要原理，本文介绍这些研究所得。

一、研究对象及方法

（一）研究对象

第一台是档位机，型号为诺克司DSTB8，额定功率8KW。档位机电路简单、成本低，但无法精确调节出水温度，适合水压稳定、对温控要求不高的地方使用。第二台为恒温机，型号为诺德朗OTR/C8000SF，额定功率8KW。恒温是指在进水温度、流量在动态变化时，热水器能实时、精确地调整加热功率，使出水温度及时稳定到预设温度。恒温机需要微电脑进行自动恒温控制，电路较复杂，本文主要介绍恒温机。

（二）研究方法

一是拆解整机及零部件研究其结构、功能；二是搭建模拟测试平台，观察其工作情况；三是对单片机各路信号进行逻辑分析，研究其算法设计要点。研究过程中，查阅的资料有相关理论书籍、器件资料数据表、相关专业论文，以及厂商及网店的宣传及技术资料。

二、即热式热水器的组成

热水器的结构，主要包括加热筒、电路板、机壳及附配三部分。

（一）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，型号为KSD307，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1mm，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、缺水甚至無水三种状态下，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。

加热筒进水管上安装的器件是可控硅，型号为TC35C60，这是用于恒温控制的关键器件。该器件满载导通电流18A时压降约1V，耗散功率近18W，因此需要有效散热。液态水的导热系数约为0.59W/（m·K），空气仅为0.026W/（m·K），因此将其安装在进水管壁上，能充分利用流动的冷水散热。

（二）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。

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、E2PROM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。

（三）外壳及附配件

外壳采用ABS塑料，铭牌上写明IPX4级防水，其含义是“防溅型，受任意方向的水飞溅无有害影响”，前盖、后盖采用套合设计，电源线、进出水管这3处开孔处，也均设置了防水皮圈。厂家的网上广告上有防溅测试视频，帮助消费者树立安全信念。

随机配件有防电墙、进水调节阀和安装配件。进水调节阀接在进水管前，用以控制最大进水量，避免水量太大时达不到设定出水温度。

三、加热管电路分析

（一）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。

（二）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。

（三）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（0π），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。

测试时用逻辑分析仪采集各路信号，测试条件为进水温度26℃、预定恒温50℃的。启动后，观察到单片机先后接通两组继电器，可控硅进入较大导通角状态，占空比（DutyCycle）为85.3%。

（四）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。

四、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。

五、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。

（一）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。

（二）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，产生磁感應，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。

（三）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。

本文介绍了即热式热水器的一些主要技术，限于篇幅，许多细节未分析到。随着技术、理论的创新和发展，即热式热水器必将会朝着更可靠、更安全、更智能的方向发展。

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作者简介：沈真真（2000），女，浙江海宁人，嘉兴市第一中学高三学生，对即热式电热水器的结构和原理进行了专门的研究。