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電磁即熱式熱水器的研究與開發

2019-05-08 15:39:18 浙江晟泰光伏有限公司 瀏覽次數 620

本文在對電磁加熱即熱式熱水器進行較深入研究和試制的基礎上,提出利用電磁感應傳遞能量、渦流加熱的方法制作高效的、水電完全隔離的安全型即熱式電熱水器的思路。

電熱水器分為儲水式和即熱式兩種。其中儲水式電熱水器由于加熱過程比較長,需要用水時要提前1-2小時開始加熱,因加熱其間熱量散失較大,熱效率較低;另外其體積大,需要安裝空間大,這些缺點限制了它的使用。即熱式熱水器有著熱水即開即用,體積小、安裝使用方便等優點。即熱式熱水器為了獲得高的熱效率,多采用把電熱絲、電熱板直接裝在水中的加熱方式,然而這樣做的結果會造成漏電觸電的安全隱患。雖然有些廠家采用了諸如在出水口加屏蔽金屬網等安全措施,但這些并沒有從根本上解決問題。對于強調安全性的生產商則利用新型發熱材料如電熱膜、PTC發熱元件及非金屬發熱材料等)對石英玻璃制成的水管加熱,從而達到水電分離、確保安全性的目的。但是由于新材料價格較貴,導致熱水器價格偏高,更主要的是隔著石英玻璃管加熱,使熱效率變低,因而需要的電熱功率相對要大??傊?,上述兩種電熱水器在安全、高效、方便快捷及成本價格等方面存在這樣或那樣的問題。針對以上問題,本人嘗試開發一種新型電磁即熱式熱水器,以克服上述熱水器的缺點和不足。

2電磁即熱式熱水器的原理我們都知道,將金屬導磁材料置于高頻電磁場,金屬中會產生渦流電流),并使其溫度升高。這種利用渦流加熱的方式在工業與民用方面已獲得廣泛應用。其優勢是這種感應加熱方式有著很高的功率密度,單位加熱面上的功率可達0.1-2kW/cm2,加熱速度極快,能在數秒至數十秒內將金屬表面加熱到800-1000/.電磁即熱式熱水器正是根據這一特性通過電磁轉換傳遞足夠能量,將浸在絕緣隔熱水槽中的金屬導磁材料迅速加熱升溫,進而使流經水槽的水迅速加熱。這便是這種電磁熱水器的工作原理。

3電磁即熱式熱水器的結構和特點如為研制的熱水器結構示意。它主要由水槽、加熱線圈L、屏蔽板、線路板、水槽支架和外殼等構成。其中水槽和加熱線圈L構成了熱水器換能的主要部分,水槽設計和主要電路的設計體現出該熱水器的特點。

3.1水槽的結構和特點熱水器水槽結構如所示。它是由具有一定機械強度的耐熱絕緣材料注模而成,在水槽的中間夾有一圓形不鎊鋼薄板,其直徑與加熱線圈L直徑相同。加熱線圈L的功能是將從線路板過來的高頻電流轉換成高頻磁場,在水槽中的不鎊鋼薄板產生渦流、加熱里面的流水。為滿足功率需求,流過線圈電流較大試驗電壓220V電流20A),為降低在加熱線圈L上的損耗,減少高頻電流集膚效應的影響,線圈采用多股細漆包線,先絞織在一起,再繞成圓盤形。此外在不鎊鋼薄板兩側水槽內部還加有耐熱隔柵,其作用一是將不鎊鋼發熱板與水槽隔開、防止二者直接接觸;二是用來引導水流流向,增加流動距離,讓水流得到充分的加熱。屏蔽板是強導磁的材料制成,作用是把加熱線圈后面的磁力線屏蔽掉,防止對電路部分造成干擾。水槽支架主要用來固定水槽的,材料為非導磁材料。內殼主要是隔開電路包括線圈)與導水槽,防止水槽出現漏水時,也不會給電路造成短路或漏電。外殼為整個熱水器提供保護。

對上述結構的熱水器在多次,主要包括功率和驅動部分、檢測和功率調節和保護比較)電路等部分,為了提高電路的可靠性和穩定性,采用了集成電路元件。

3.2.1功率及驅動電路采用由新型的功率開關器件IGBT絕緣柵雙極型晶體管)組成的橋式逆變電路。

首先,IGBT元件本身與先前用于家用電熱器的電力電子器件相比,具有耐壓高、輸出功率大幾千瓦到幾十千瓦)、輸入阻抗大、電壓驅動功率小、工作頻率高!20kH-)及綜合性能高等特點。其次主電路采用4個IGBT功率元件組成的橋式逆變電路。與所示的單管組成的功率電路相比,雖然電路功率和驅動元件增多,形式復雜,但其穩定性和可靠性增大。在所示的單管電路中輸出頻率與電感、電容參數的影響。輸出給電感線圈L的電流大小對電路電壓有直接影響;以實驗中一組數據為例,當電磁加熱器電流為7A左右,功率管兩端電壓承受的電壓峰值約700伏,當把電流提高到10A時,管子承受電壓則提高到900多伏。這表明功率元件承受的電壓受輸出電流變化的影響較大。要求元件耐壓高,因而價格也高;另外,電路失諧和高電壓導致功率元件損壞率高,表現為電路穩定性和可靠性差。采用橋式逆變電路,功率元件所承受的最高電壓即為整流直流電壓,電路可以做到改變電磁線圈L的電流,而不影響元件承受的最高電壓。因此這種電路更加穩定可靠。

驅動電路米用兩集成驅動器,它適于驅動各種功單管電路簡圖率的M0S- FETJGBT等功率器件。其電路芯片體積小DIP14)、集成度高可驅動同一橋臂兩路)、響應快、浮置電壓高小于600V)、驅動能力強、內設欠壓封鎖,而且其成本低、易于調試。并設有外部保護封鎖端口,高頻信號送入驅動器,驅動器輸出兩路有足夠死區時間的驅動信號,送到IGBT控制端,控制VT1,VT3或VT2,VT4導通/關斷,保證功率電路安全切換。從而在電感L上形成交變電流。

3.2.2檢測和功率調節電路采用SG3524國產型號CW3524)是雙列直插式16腳陶瓷或塑料封裝集成塊。該器件具有完整的P:M功率控制功能,工作頻率可以大于100kHz,它提供一正一負的兩路方波振蕩信號送至驅動電路。通過調節輸入3524的負載反饋電壓信號大小,可以方便的調節主電路的輸出電流,很簡單地實現功率的無級調節。

3.2.3保護電路保護電路采用電壓比較器LM339,具有低功耗,高性能的特點。比較電路的輸出接3524驅動器的脈沖封鎖端,設置保護主要有:防止空燒保護。采用后制式水流檢測出水側裝設水流檢測開關)有水流動時,比較器輸出低電平,524工作,熱水器加熱;當檢測不到有水流動無水或關閉水閥A時,比較器輸出高電平,封鎖3524輸出,熱水器停止加熱。

過熱保護利用熱敏電阻檢測,當溫度超過預設最高溫度時,比較器輸出高電平,封鎖3524輸出3524;當溫度低于預設最高溫度時,比較器輸出低電平,不工作。

使用水流檢測和過熱雙重保護確保熱水器的安全。

過流保護。利用檢測"兩端電壓來實現,小于設定值,3524正常工作。大于設定值,封鎖3524輸出。

設有通常的過電壓、欠電壓和漏電保護。

3.2.4電源部分熱水器功率為4.5k:,其主電路電流達20安培,用一個35A/600V的橋堆整流,因為主電路對紋波要求不高,濾波電路只加了一個2%F/400V的電容??刂齐娫床捎脝坞娫垂╇?,要求的電源品質較高,整流后經一三端穩壓電路,815)穩壓,向P:M電路、驅動電路、保護電路提供穩定的電壓。整個電源電路較簡單。

4結論由于這種即熱式熱水器利用電磁感應原理加熱、采用特殊水槽結構設計、加之穩定可靠的電路設計和完善的保護措施,與其它熱水器相比,具有水電分離、安全性好、升溫快、效率高、成本適中等特點。另外熱水器水槽簡單獨特結構使這一關鍵部件的成本幾乎達到最低價格,這給水垢處理帶來新的方式,即當水槽水垢結到一定程度時,可以提供新水槽及時更換之,舊水槽回收再生利用。從而保證了熱傳遞效率和消除廢棄水槽污染??傊?,這種新熱水器在性價比方面較以往熱水器有了較大的提高,給用戶使用和維護帶來極大方便,因此它必定具有廣闊的市場前景。

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