CN104684113A - 一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法，以及能够抑制谐波和闪烁的加热装置。本发明的有益效果如下：1、能够有效解决使用加热器加热水时引起的闪烁问题，能通过CE认证测试；2、谐波电流小，能通过CE认证测试；3、控制精度与控制周期为可控状态；4、可控硅过零触发低压低频动作控制，仅需要很少的滤波组件就可以通过所有EMC测试，成本低廉，经济实用。

Description

一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法及装置

技术领域

本发明涉及一种加热控制方法，更具体地说，涉及一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法及装置。

背景技术

依据国家标准GB17625和EN61000-6-3要求每相电流小于等于16A的电气设备必须满足电磁兼容限值、谐波电流发射限值及电压波动和闪烁限值。

对于用交流市电供电的电子产品，谐波电流和闪烁是必须要面对的EMC测试项目。在低压市电网络使用的电器设备，其供电电压是正弦波，但是电流波形未必是正弦波，可能都会有少许畸变。此类设备的大量使用，会造成电网电压畸变，使电网电能质量下降。

电网中存在过量的谐波电流，不仅会导致电机的工作效率降低，发热，严重会造成设备烧毁。正是出于保护电网电能质量，保证用户设备正常运行的目的，IEC提出了谐波电流的限制标准。

此外，电网中接有大量的自动接通和切断控制的负荷，如含有控温器和定时器的厨房器具，电加热器，空调器复印机和其他设备。当自动控制循环接通、断开时，将引起电源负荷的频繁变化，使电网电压产生波动，进而对接在同一网络的照明设备的亮度产生影响，这种灯光的闪烁对人的健康十分有害，严重时会引起癫痫病的发作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解决快速加热和EMC测试中的谐波和闪烁超标问题的能够抑制谐波和闪烁的加热方法及装置。

本发明的技术方案如下：

一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法，通过两路或两路以上独立控制的加热丝的开关进行加热；其中，一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝为全开或关闭状态。

作为优选，加热丝的开或关，由交流电源的过零点为基准，决定加热丝在交流电源的下一个半周期的开或关。

作为优选，利用PWM信号调制用于实时调节功率的一路加热丝的交流电源，加热丝的功率不大于全周期交流电源进行供电时的功率的一半。

作为优选，PWM信号的周期、占空比根据加热所需的功率进行调节，从而调节加载在加热丝上的电压幅值，改变加热功率。

作为优选，步骤如下：

1）采集进水温度、流量，设定目标温度；

2）通过PID迭代算法计算加热丝的输出功率；

3）判断用于功率调节的一路加热丝是否满足当前加热所述的功率，如果是，则关闭其他加热丝，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号；如果否，则接通其他加热丝，并计算需要叠加的功率，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号。

作为优选，交流电源的频率不大于100赫兹。

一种能够抑制谐波和闪烁的加热装置，包括交流电源、两路或两路以上加热丝、开关单元、控制单元，交流电源与通过开关单元与加热丝相连进行供电，加热丝分别受开关单元进行独立控制，控制单元分别与交流电源、开关单元相连，用于采集交流电源信息、控制开关单元，进而控制加载在加热丝的交流电源的幅值与通断，其中一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝分别为全开或关闭状态。

作为优选，调节功率的加热丝与另一路加热丝为一根加热管，加热管上连接有公共端，加热管两端分别连接有输出端，公共端将加热管分隔形成两路加热丝，两路加热丝分别独立受控加热。

作为优选，开关单元中，控制实时调节功率的加热丝的开关元件为可控硅，控制全开或关闭的加热丝的开关元件为可控硅或继电器。

作为优选，还包括温度检测装置、流量检测装置、过零检测电路；

温度检测装置、流量检测装置分别与控制单元连接，分别用于采集进水温度、出水温度，与水流流量，并发送至控制单元；

过零检测电路连接于交流电源与控制单元之间，用于采集交流电源的过零点。

作为优选，开关单元中还包括隔离电路，连接在开关元件与控制单元之间，用于将控制单元输出的弱电的PWM信号与强电的用于加热的交流电源相隔离。

本发明的有益效果如下：

1、能够有效解决使用加热器加热水时引起的闪烁问题，能通过CE认证测试；

2、谐波电流小，能通过CE认证测试；

3、控制精度与控制周期为可控状态；

4、可控硅过零触发低压低频动作控制，仅需要很少的滤波组件就可以通过所有EMC测试，成本低廉，经济实用。

附图说明

图1是交流电源的电压和电流波形图；

图2是本发明所述的装置的结构框图；

图3是实施例的两路加热流程图；

图4是过零触发和控制编码控制后的电压波形图；

图5是闪烁Pst值测试曲线图；

图6是2次谐波测试曲线图；

图7是两路加热丝的内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

CE认证中EMC部分，需要通过的两个测试，即是与本发明所要解决的技术问题相关的闪烁Pst的测试，与2次谐波到40次谐波的测试。

本发明提供一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法，通过两路或两路以上独立控制的加热丝的开关进行加热；其中，一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝为全开或关闭状态。

为了使每路加热丝的功率比采用单加热管时有所下降，根据公式：P=U·I，相应的，在电压不变的情况下，通过加热丝的电流应当相应下降，各次电流幅度也相应下降，谐波量值与电流幅值成正比，因此谐波也同步下降，从而达到通过认证限制的目的。

本发明所述的方法通过控制交流电源的通断时间、电压幅值来调节加热丝的功率。并且本发明中，加热丝的开或关，由交流电源的状态变化进行控制。由交流电源的状态变化来间接改变加载在电热丝上的电压的通断与幅度，进而改变加热丝的功率。

出于易于实现，且保证实现效果的考量，由交流电源的过零点为基准，决定加热丝在交流电源的下一个半周期的开或关。由于交流电源的波形为正弦波，如图1所示，以过零点为间隔的半波同正或同负，更方便进行电压调节，实现功率的精确控制。

本发明所述的方法中，利用PWM信号调制用于实时调节功率的一路加热丝的交流电源，加热丝的功率不大于全周期交流电源进行供电时的功率的一半。依据加热所需功率输出PWM信号，控制调节加载在电热丝上的电压，电压的幅值与PWM信号的频率及占空比相关。PWM信号的周期、占空比根据加热所需的功率进行调节，从而调节加载在加热丝上的电压幅值，改变加热功率。

利用PWM信号控制的优点之一是周期可变，占空比随需要调整，控制精度随控制周期可变。

本发明所述的方法，具体步骤如下：

1）采集进水温度、流量，设定目标温度；

2）通过PID迭代算法计算加热丝的输出功率；

3）判断用于功率调节的一路加热丝是否满足当前加热所述的功率，如果是，则关闭其他加热丝，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号；如果否，则接通其他加热丝，并计算需要叠加的功率，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号。

本发明所述的方法，用于实现所要求的技术效果，则更适用于交流电源的频率不大于100赫兹的应用范围内。

用于实现所述的方法，本发明还提供一种能够抑制谐波和闪烁的加热装置，如图2所示，包括交流电源、两路或两路以上加热丝、开关单元、控制单元，交流电源与通过开关单元与加热丝相连进行供电，加热丝分别受开关单元进行独立控制，控制单元分别与交流电源、开关单元相连，用于采集交流电源信息、控制开关单元，进而控制加载在加热丝的交流电源的幅值与通断，其中一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝为全开或关闭状态。

以交流电源的过零点为基准，控制单元依据加热所需功率输出PWM（PULSE WIDTHMODULATION）信号，控制开关单元的导通和关断，调节输出电压。其中，输出电压幅值与PWM的频率及占空比相关。

调节功率的加热丝与另一路加热丝为一根加热管，加热管上连接有公共端，加热管两端分别连接有输出端，公共端将加热管分隔形成两路加热丝，两路加热丝分别独立受控加热。如图7所示，两路加热丝1从物理上看实际上是一根加热管2，内部分成两路加热线1，通过一个公共端连接输出，从外部看，包括三个输出端，可以分别独立控制两路加热丝1的加热动作。调节功率的加热丝1实际上可以与其他任一全开或关闭状态的加热丝1为一根加热管2。剩余加热丝可以是两两为一根加热管，或为独立的加热管。

两路加热丝的功率可相等，也可以不相等。两路加热丝，其中一路加热丝的占空比可调整，另一路加热丝包括两种状态，为固定全开或者关闭。占空比可调的一路加热丝由交流电源的过零信号触发动作，对交流电压以半波为单位进行控制。

开关单元中，控制实时调节功率的一路加热丝的开关元件为可控硅，控制另一路全开或关闭的加热丝的开关元件为可控硅或继电器。

本发明所述的装置还包括温度检测装置、流量检测装置、过零检测电路；交流电源的EMI（ELECTRO-MAGNETIC INTERFERENCE）滤波电路。

温度检测装置、流量检测装置分别与控制单元连接，分别用于采集进水温度、出水温度，与水流流量，并发送至控制单元；

过零检测电路连接于交流电源与控制单元之间，用于采集交流电源的过零点。

开关单元中还包括隔离电路，连接在开关元件与控制单元之间，用于将控制单元输出的弱电的PWM信号与强电的用于加热的交流电源相隔离。PWM信号经过隔离单元控制开关元件的导通和截止。

控制单元依据目标温度、采集的进水温度及出水温度、以及流量，计算出加热所需的功率，进而计算出加热丝中，其中可调节功率的电热丝的PWM信号的占空比，以交流电源的过零点为基准，输出PWM信号。其他几路加热丝根据计算结果全开或者全关其中的几路。

结合所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法与装置，本实施例以两路加热丝，一路可调节功率，一路固定全开或关闭，每路额定功率为700w的加热丝为例，进行说明。

采用可控硅半波过零触发控制方式，原理为：由于可控硅只能在过零点才能关断，通过过零信号和控制单元（本实施例中，控制单元可以是PID控制器）的计算，可以在每一个过零点输出控制信号，达到控制加热功率的目的。通过在过零点输出高低电平控制下一个半波的开关。

通过半波过零控制，可以把功率最大化地平均分配到整个控制周期，结合控制编码输出，可以有效抑制闪烁的幅度。同时，由于在过零点动作，可以最大限度的减小谐波的幅度。

当采用两路加热丝时，每路加热丝的功率比采用单加热管（1400w）下降一半，根据公式：P=U·I，相应的，在电压不变的情况下，各次电流谐波的幅度均下降一半，从而达到通过认证限制的目的。

每路加热丝的加热功率比采用单加热管（1400w）下降一半，加热丝通过的电流相应降到功率一半，在电压不变的情况下，各次电流幅度相应下降，谐波量值与电流幅值成正比，因此谐波也同步下降。

如图3所示，将本发明所述的方法应用到具体的加热控制装置中，两路加热程序控制步骤为：

1）上电，初始化A/D转换电路、串口、定时器、端口、及其他外设；

2）查询来自串口的主机命令，设定加热档位；

3）启动A/D转换电路，采集进水温度、出水温度、流量信息、故障信息；

4）判断是否有故障，如果有，则报告主机，停止进程；如果没有，则利用PID迭代算法计算加热丝需要的输出功率；

5）判断是否需要功率大于700w，如果是，则计算可调节功率的加热丝的功率，并且另一路加热丝全开加热；如果否，则计算可调节功率的加热丝的功率，并且另一路加热丝关闭；

6）根据步骤5）的计算结果，将功率转化为控制编码，并输出控制编码，形成PWM信号，对交流电源进行控制；

7）当前加热周期结束后，循环步骤2）至步骤7）。

当采用两路以上加热丝，且需要功率大于两路加热丝的总功率时，步骤5）中，需要计算全开与关闭的加热丝的数量，并且计算可调节功率的加热丝的功率。

通过类似于如图4所示的控制信号，触发可控硅，可以精确调节每路加热丝的工作功率和能量分配，从而规避EMC测试中对闪烁的限制，同时过零点动作也可以有效减小2次到40次谐波的幅度。

图5所示的闪烁Pst值的测试曲线，其中，横轴代表功率从0到100%增加，每小格代表1/64总功率，纵轴代表Pst值。测试中出现的最大值出现在功率在130瓦的位置，Pst=0.63最小的5个点在功率为0，350，700，1050，1400瓦的位置。当一路电热丝全开，另一路电路丝全关，很明显是不会有闪烁超标的问题出现。当一个加热管50Hz动作时，也会出现极小的Pst值。闪烁是和能量的不均衡有关的，在Pst值比较大的位置，通常都是信号不均衡性比较突出的时候。基本上，在本测试中，Pst绝大部分在0.3到0.63之间。而本测试中，Pst限值为1.0，本发明所述的方法实施后，明显能够通过闪烁限值测试。

图6为2次谐波测试曲线。很明显由测试结果可以看出，出现两个基本对称的图形。这是因为一路加热丝总是处于或者全开或者全关的情况，而另一路加热丝处于功率动作。全开或者全关基本上不会有谐波产生，因此就出现了近似等于0的情况。三个极低的点就是以下三种情况：两路全关；一路全开、一个全关；两路全开。

谐波和可控硅动作次数以及电流量值有关，在当下控制编码，越接近350瓦或者1050瓦，可控硅动作越频繁，越可能出现较大谐波数值。因此两个高点聚集区基本上是平均分布在这两个功率两侧的。当下控制编码所得到的2次谐波数值在0.1到0.83A之间。可以看出，测试结果全部通过0.972A的限值测试。本测试中，2次谐波限值为0.972。

需要说明的是，谐波测试中，比较容易超标的是2次谐波，其他次谐波一般较小，因此以下提到的谐波主要指2次谐波。当下采用的CE认证的EMC测试标准中，2次谐波限值Harmonics2nd<0.972A，闪烁限值Pst<1。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，通过两路或两路以上独立控制的加热丝的开关进行加热；其中，一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝为全开或关闭状态。

2.根据权利要求1所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，加热丝的开或关，由交流电源的过零点为基准，决定加热丝在交流电源的下一个半周期的开或关。

3.根据权利要求1所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，利用PWM信号调制用于实时调节功率的一路加热丝的交流电源，加热丝的功率不大于全周期交流电源进行供电时的功率的一半。

4.根据权利要求3所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，PWM信号的周期、占空比根据加热所需的功率进行调节，从而调节加载在加热丝上的电压幅值，改变加热功率。

5.根据权利要求1所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，步骤如下：

1）采集进水温度、流量，设定目标温度；

2）通过PID迭代算法计算加热丝的输出功率；

3）判断用于功率调节的一路加热丝是否满足当前加热所述的功率，如果是，则关闭其他加热丝，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号；如果否，则接通其他加热丝，并计算需要叠加的功率，并将功率转化为控制编码，根据输出的控制编码生成PWM信号。

6.根据权利要求1所述的能够抑制谐波和闪烁的加热方法，其特征在于，交流电源的频率不大于100赫兹。

7.一种能够抑制谐波和闪烁的加热装置，其特征在于，包括交流电源、两路或两路以上加热丝、开关单元、控制单元，交流电源与通过开关单元与加热丝相连进行供电，加热丝分别受开关单元进行独立控制，控制单元分别与交流电源、开关单元相连，用于采集交流电源信息、控制开关单元，进而控制加载在加热丝的交流电源的幅值与通断，其中一路加热丝的功率根据水温进行实时调节，其他加热丝分别为全开或关闭状态。

8.根据权利要求7所述的能够抑制谐波和闪烁的加热装置，其特征在于，调节功率的加热丝与另一路加热丝为一根加热管，加热管上连接有公共端，加热管两端分别连接有输出端，公共端将加热管分隔形成两路加热丝，两路加热丝分别独立受控加热。

9.根据权利要求7所述的能够抑制谐波和闪烁的加热装置，其特征在于，开关单元中，控制实时调节功率的加热丝的开关元件为可控硅，控制全开或关闭的加热丝的开关元件为可控硅或继电器。

10.根据权利要求7所述的能够抑制谐波和闪烁的加热装置，其特征在于，还包括温度检测装置、流量检测装置、过零检测电路；

温度检测装置、流量检测装置分别与控制单元连接，分别用于采集进水温度、出水温度，与水流流量，并发送至控制单元；

过零检测电路连接于交流电源与控制单元之间，用于采集交流电源的过零点。

11.根据权利要求7所述的能够抑制谐波和闪烁的加热装置，其特征在于，开关单元中还包括隔离电路，连接在开关元件与控制单元之间，用于将控制单元输出的弱电的PWM信号与强电的用于加热的交流电源相隔离。