CN110260507B - 一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法 - Google Patents

一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法，高功率准谐振电磁感应热水结构包括外壳，外壳上设置有进水口和出水口，进水口中设置有水流传感器，出水口中设有温度传感器，外壳内设置有铜块，铜块和外壳的内壁之间的空间形成水流通道，外壳外设置有与铜块相对的电磁线圈；还包括显示屏、高频电磁换能器和控制器，该热水结构具有环保性好、换热效率高、使用安全性高等优点。控制方法通过控制器对实时相角差、温度的分析处理，调节高频电磁换能器中的升降压电路输出电压和逆变电路的频率，从而激励所述电磁线圈，不断调整感应加热铜块产热，使得实时水温达到期望值，能避免输出效率低和水温不稳定的问题。

Description

一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及电磁感应加热领域，特别涉及一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法。
背景技术
随着经济的高速发展，人们生活水平日益提升，同时也越来越追求更加智能化的生活电器。科技不断进步，与人们生活息息相关的各种家用电器层出不穷，热水设备的发明创造为人们的生活提供了极其便利的条件，受到人们的热烈欢迎。然而就目前市场上的热水装置，多以电阻丝、加热管和燃气等为发热源，这些设备有各自的优点，但都或多或少存在一些缺点，如安全性有待提高、不够绿色环保、不够智能、能源利用率低等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高功率准谐振电磁感应热水结构及其控制方法，以解决现有热水设备在安全性、环保性、智能化、能源利用率低等方便的缺点问题。
本发明中高功率准谐振电磁感应热水结构包括外壳，外壳上设置有进水口和出水口，所述进水口中设置有水流传感器，所述出水口中设有温度传感器，外壳内设置有铜块，铜块和外壳的内壁之间的空间形成水流通道，水流通道分别与进水口和出水口连通，外壳外设置有与铜块相对的电磁线圈；
还包括显示屏、高频电磁换能器和控制器；
所述高频电磁换能器包括整流电路、升降压电路、逆变电路、阻抗匹配网络和静态匹配电容，所述整流电路的输入端与电源连接，整流电路的输出端与升降压电路的输入端连接，升降压电路的输出端与逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与阻抗匹配网络的输入端连接，所述阻抗匹配网络的输出端与静态匹配电容及电磁线圈连接；
所述控制器用于实时采集水流传感器信号、温度传感器信号、升降压电路输出电压、以及逆变电路输出电压和输出电流，并根据所采集的数据反馈控制高频电磁换能器的工作；
所述显示屏为触摸显示屏，显示屏与控制器连接，显示屏用于设置出水温度、显示控制器当前工作状态及当前温度。
进一步，所述铜块为矩形块，所述电磁线圈为成矩形盘绕而成的回字形线圈。
进一步，所述控制器和显示器设置在外壳上，且外壳与所述显示屏和控制器之间设置有隔热层和电磁隔离层。
本发明中高功率准谐振电磁感应热水结构的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给高功率准谐振电磁感应热水结构上电；
步骤2：控制器实时采集水流传感器信号、温度传感器信号Tsample、升降压电路输出电压VDC、逆变电路输出电压Vo和输出电流Io；
步骤3：通过触摸显示屏在控制器中设定水温期望值Tset；
步骤4：通过水流传感器检测塑料水管中是否有水流，若有，则控制器控制高频电磁换能器工作；若无，则直接结束；
所述控制器控制高频电磁换能器工作包括以下步骤：
步骤5：控制器控制升降压电路以初始额定电压VDC0运行；
步骤6：控制器控制逆变电路以初始运行频率为电磁线圈的静态谐振频率f0运行；
步骤7：温度传感器检测实时水温Tsample，逆变电路输出电压Vo和输出电流Io；
步骤8：控制器分析逆变电路输出电压Vo和输出电流Io的相角差θerr：
若相角差θerr未达到设定的阈值θth内，当θerr≥θth，则控制器调低逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；当θerr≤-θth，则控制器调高逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；
若相角差θerr达到设定的阈值θth内，即|θerr|≤θth，则判断水温是否达到期望值Tset，若水温未达到期望值，则控制器通过PI调节器自动调节升降压电路输出电压VDC,以使水温向期望值变化；若水温达到期望值，则返回步骤3。
本发明的有益效果：
1、本发明高功率准谐振电磁感应热水结构，其利用电磁感应加热原理使铜块发热，然后利用铜块加热水流，相对于现有利用燃气加热而言，其加热过程不产生废气，环保性好。且铜块浸在水流中，铜块四周侧面都与水流接触，与水流的换热效率高，铜块发出的热量能被水流全部吸收，能源利用率高。而且电磁感应加热，水流与电磁线圈之间不直接接触，使用安全性高。
2、本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的控制方法，通过控制器对实时相角差、温度的分析处理，当相角差θerr未达到设定的阈值θth内，控制器调节逆变电路运行的谐振频率fr直到相角差达到设定的阈值范围内；若相角差θerr达到设定的阈值θth内，而实时水温Tsample未达到期望值Tset,则控制器调节所述高频电磁换能器中的Buck-Boost电路输出电压VDC，从而激励所述电磁线圈，不断调整感应加热铜块产热，使得实时水温达到期望值。该控制方法能使输出水温恒定稳定在设定的期望值Tset，能避免输出效率低和水温不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的底视图。
图2为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的侧面剖视图。
图3为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的正面剖视图。
图4为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的原理框图。
图5为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的具体实施原理框图。
图6为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构的控制框图。
图7为本发明高功率准谐振电磁感应热水结构控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例中高功率准谐振电磁感应热水结构，包括外壳1，外壳上设置有进水口3和出水口2，所述进水口中设置有水流传感器5，所述出水口中设有温度传感器4，外壳内设置有铜块6，外壳外设置有与铜块相对的电磁线圈7。本实施例中铜块通过定位卡8设置在外壳内腔的中间，铜块和外壳的内壁之间的空间形成水流通道，水流通道分别与进水口和出水口连通；当然在不同实施例中，铜块还可通过其它定位结构固定在外壳内腔的中间。本实施例中，外壳1由壳体101和壳盖102通过螺栓连接组成，壳盖可拆卸，便于铜板的取放。当然在具体实施中，铜块还可以由钢块、铁块等同替换。
本实施例中高功率准谐振电磁感应热水结构还包括显示屏、高频电磁换能器和控制器，本实施例中的显示屏为触摸显示屏。
所述高频电磁换能器包括整流电路、升降压电路、逆变电路、阻抗匹配网络和静态匹配电容，所述整流电路的输入端与电源连接，整流电路的输出端与升降压电路电路的输入端连接，升降压电路电路的输出端与逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与阻抗匹配网络的输入端连接，所述阻抗匹配网络的输出端与静态匹配电容及电磁线圈连接。
所述控制器用于实时采集水流传感器信号、温度传感器信号、升降压电路输出电压、以及逆变电路输出电压和输出电流，并根据所采集的数据反馈控制高频电磁换能器的工作。
所述显示屏与控制器连接，显示屏用于设置出水温度、显示控制器当前工作状态及当前温度。
更具体的，如图5所示，本实施例中所述的整流电路具体由四个二极管(D1，D2，D3，D4)和稳压极性电容C1组成，整流电路的输入端与220V/50Hz交流电压源AC连接；交流电压经整流电路后产生直流电压，升降压电路(即图中的Buck-Boost电路)由电感L1、极性电容C2、通用全桥驱动和四个功率开关管(V1，V2，V3，V4)组成，逆变电路由通用全桥驱动和四个功率开关管(Q1，Q2，Q3，Q4)组成，直流电压经逆变电路后产生脉冲功率电压。所述阻抗匹配网络由电容C3、电感L2和电容C4组成，电容C3一端并联于逆变电路，电容C3另一端串联电感L2，电感L2末端并联电容C4，所述静态匹配电容由等效串联电阻rc与电容Cr串联组成，再与电容C4并联，所述电磁线圈由电阻rL与电感Lr串联组成，再与静态匹配电容并联。
本实施例中控制器采用STM32F103，控制器和水流传感器、温度传感器、显示屏和逆变电路的通用全桥驱动连接，同时控制器也采集Buck-Boost电路输出电压VDC信号、逆变电路输出电压Vo信号和输出电流Io信号。有水流过水流传感器，就会触发高电平信号给控制器，由控制器产生PWM波驱动逆变电路，从而激励电磁线圈；Buck-Boost电路输出电压VDC信号、逆变电路输出电压Vo信号和输出电流Io信号、以及温度传感器的检测信号送入控制器，控制器通过调节输出电压Vo信号和输出电流Io的相角差θerr，使得相角差θerr在设定期望阈值θth内，调节输出电压VDC，从而控制电磁线圈的输出功率，使得出水口温度Tsample保持在设定期望值Tset。
本实施例中，所述铜块为矩形块，所述电磁线圈为成矩形盘绕而成的回字形利兹线线圈。当然在不同实施例中，铜块还可做成其它形状，利兹线线圈也可以使用其他线束。
本实施例中，所述控制器和显示器设置在外壳上，且外壳与所述显示屏和控制器之间设置有隔热层和电磁隔离层。当然在不同实施例中，所示控制器和显示器还可与外壳分离设置。
本实施例中高功率准谐振电磁感应热水结构的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给高功率准谐振电磁感应热水结构上电。
步骤2：控制器实时采集水流传感器信号、温度传感器信号Tsample、升降压电路输出电压VDC、逆变电路输出电压Vo和输出电流Io。传感器的检测数据及控制器的当前工作状态通过显示屏显示出来。
步骤3：通过触摸显示屏在控制器中设定水温期望值Tset。
步骤4：通过水流传感器检测塑料水管中是否有水流，若有，则控制器控制高频电磁换能器工作；若无，则直接结束。
所述控制器控制高频电磁换能器工作包括以下步骤：
步骤5：控制器控制升降压电路以初始额定电压VDC0运行。
步骤6：控制器控制逆变电路以初运行始频率为电磁线圈的静态谐振频率f0运行。
步骤7：温度传感器检测实时水温Tsample，逆变电路输出电压Vo和输出电流Io。
步骤8：控制器分析逆变电路输出电压Vo和输出电流Io的相角差θerr：
若相角差θerr未达到设定的阈值θth内，当θerr≥θth，则控制器调低逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；当θerr≤-θth，则控制器调高逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；
若相角差θerr达到设定的阈值θth内，即|θerr|≤θth，则判断水温是否达到期望值Tset，若水温未达到期望值，则控制器通过PI调节器自动调节升降压电路输出电压VDC,以使水温向期望值变化；若水温达到期望值，则返回步骤3。
本实施例中高功率准谐振电磁感应热水结构的控制方法，通过控制器对实时相角差、温度的分析处理，当相角差θerr未达到设定的阈值θth内，本实施例中设定阈值θth＝10，控制器调节逆变电路的运行频率fr直到相角差达到设定的阈值范围内；若相角差θerr达到设定的阈值θth内，而实时水温Tsample未达到期望值Tset,则控制器通过PI调节器调节所述高频电磁换能器中的Buck-Boost电路输出电压VDC，从而激励所述电磁线圈，不断调整感应加热铜块产热，使得实时水温达到期望值。该控制方法能使输出水温恒定稳定在设定的期望值Tset,能避免输出效率低和水温不稳定的问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高功率准谐振电磁感应热水结构，其特征在于：包括外壳，外壳上设置有进水口和出水口，所述进水口中设置有水流传感器，所述出水口中设有温度传感器，外壳内设置有铜块，铜块和外壳的内壁之间的空间形成水流通道，水流通道分别与进水口和出水口连通，外壳外设置有与铜块相对的电磁线圈；
还包括显示屏、高频电磁换能器和控制器；
所述高频电磁换能器包括整流电路、升降压电路、逆变电路、阻抗匹配网络和静态匹配电容，所述整流电路的输入端与电源连接，整流电路的输出端与升降压电路的输入端连接，升降压电路的输出端与逆变电路的输入端连接，逆变电路的输出端与阻抗匹配网络的输入端连接，所述阻抗匹配网络的输出端与静态匹配电容及电磁线圈连接；
所述控制器用于实时采集水流传感器信号、温度传感器信号、升降压电路输出电压、以及逆变电路输出电压和输出电流，并根据所采集的数据反馈控制高频电磁换能器的工作；
所述显示屏与控制器连接，显示屏用于设置出水温度、显示控制器当前工作状态及当前温度。
2.根据权利要求1所述的高功率准谐振电磁感应热水结构，其特征在于：所述铜块为矩形块，所述电磁线圈为成矩形盘绕而成的回字形线圈。
3.根据权利要求1所述高功率准谐振电磁感应热水结构，其特征在于：所述控制器和显示器设置在外壳上，且外壳与所述显示屏和控制器之间设置有隔热层和电磁隔离层。
4.一种权利要求1中所述高功率准谐振电磁感应热水结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：给高功率准谐振电磁感应热水结构上电；
步骤2：控制器实时采集水流传感器信号、温度传感器信号Tsample、升降压电路输出电压VDC、逆变电路输出电压Vo和输出电流Io；
步骤3：通过触摸显示屏在控制器中设定水温期望值Tset；
步骤4：通过水流传感器检测塑料水管中是否有水流，若有，则控制器控制高频电磁换能器工作；若无，则直接结束；
所述控制器控制高频电磁换能器工作包括以下步骤：
步骤5：控制器控制升降压电路以初始额定电压
Figure FDA0002108860770000021
运行；
步骤6：控制器控制逆变电路以初始运行频率为电磁线圈的静态谐振频率f0运行；
步骤7：温度传感器检测实时水温Tsample，逆变电路输出电压Vo和输出电流Io；
步骤8：控制器分析逆变电路输出电压Vo和输出电流Io的相角差θerr：
若相角差θerr未达到设定的阈值θth内，当θerr≥θth，则控制器调低逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；当θerr≤-θth，则控制器调高逆变器的运行频率fr，以使相角差θerr达到设定的阈值θth内；
若相角差θerr达到设定的阈值θth内，即|θerr|≤θth，则判断水温是否达到期望值Tset，若水温未达到期望值，则控制器通过PI调节器自动调节升降压电路输出电压VDC,以使水温向期望值变化；若水温达到期望值，则返回步骤3。
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