CN112781244A - 一种功率输出控制方法及即热式电热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率输出控制方法及即热式电热水器，所述方法包括：分别获取目标功率值和实际全功率值；根据所述目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，所述斩波时间为在半波周期内输出电压的时间；在各半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压。本发明的功率输出控制方法，根据目标功率值和实际全功率值，确定斩波时间，建立时间与功率的对应关系，保证该斩波时间内的输出的实际电压功率值等于目标功率值，控制输出精度高。采用该控制方法的即热式电热水器，控制输出功率的精度得到提高，因此所加热水温较为恒定，且加热的精度高，即使电网的电压发生波动，功率模块的加热温度也能稳定在设定温度附近，不会影响用户使用体验。

Description

一种功率输出控制方法及即热式电热水器

技术领域

本发明属于功率输出控制技术领域，具体地说，涉及一种功率输出控制方法及即热式电热水器。

背景技术

即热式电热水器通过采集电压和温度等数据，结合相应的控制算法，得到需要输出的功率，然后控制可控硅输出指定的功率。现有的功率输出控制方式采用全波的方式，控制精度低。

目前另外一种控制方式是通过可控硅斩波的方式，但是其输出不是线性的，其根据理论计算得到斩波时间，利用该斩波时间来控制可控硅，该种方式控制输出的功率精度较全波控制的方式高。但是该种方式通过计算电压曲线的面积，采用积分的方式来计算当前功率对应的斩波时间，此斩波时间因为是理论计算值，跟实际值有一定的误差，所以其控制精度仍然不是很高。此外，斩波控制需要进行过零检测，过零检测由外部过零检测电路检测后发送给控制模块，存在一定的时间延迟，时间延迟也会导致控制输出不准。

综上因素叠加到一起输出功率值误差就会较大，用作电热水器恒温控制时，导致恒温效果较差。

发明内容

本发明针对现有技术中功率控制输出精度低的技术问题，提出了一种功率输出控制方法，根据目标功率值和实际全功率值，确定斩波时间，保证该斩波时间内的输出电压功率值等于目标功率值，输出精度高。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种功率输出控制方法，包括：

分别获取目标功率值和实际全功率值；

根据所述目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，所述斩波时间为在半波周期内输出电压的时间；

在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压。

进一步的，按照所述斩波时间控制输出电压步骤中，还包括获取过零检测信号，相邻两个过零检测信号之间的时间间隔为半波周期。

进一步的，在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z之后，控制输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压，并重新计时；

其中，T/2为半波周期，Z为斩波时间。

进一步的，获取过零检测信号之后，还包括过零检测延时补偿步骤，获取延时时间Δt；

在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z-Δt之后，控制向功率模块输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压。

进一步的，延时时间Δt的获取方法为：

获取连续的三个过零检测信号；

计算每相邻两个过零检测信号之间的时间差，分别为t1和t2；

计算延时时间Δt：Δt＝|t1-t2|/2。

进一步的，所述斩波时间为将所述目标功率值与所述实际全功率值的比值进行三次拟合生成。

进一步的，所述斩波时间t的计算方法为：

其中，P₃为目标功率值，P₁为实际全功率值，a、b、c为与半波周期T/2相关的系数，d为常系数。

进一步的，所述实际全功率值P₁的获取方法为：

获取功率模块的额定电压U₀；

获取功率模块的额定功率P₀；

获取实际电压U₁；

根据U₁、U₀以及P₀计算所述实际全功率值P₁。

进一步的，所述实际全功率值P₁的计算方法为：

本发明同时提出了一种即热式电热水器，包括：

功率模块；

可控硅输出模块；

控制模块，其分别获取目标功率值和实际全功率值，根据所述目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，并在半波周期内按照所述斩波时间控制可控硅输出模块向所述功率模块输出电压，所述斩波时间为在半波周期内输出电压的时间。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的功率输出控制方法，根据目标功率值和实际全功率值，确定斩波时间，建立时间与功率的对应关系，保证该斩波时间内的输出的实际电压功率值等于目标功率值，控制输出精度高。采用该控制方法的即热式电热水器，控制输出功率的精度得到提高，因此所加热水温较为恒定，且加热的精度高，即使电网的电压发生波动，功率模块的加热温度也能稳定在设定温度附近，不会影响用户使用体验。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提出的功率输出控制方法的一种实施例流程图；

图2是实施例一中输入电压的波形图；

图3是实施例一中过零检测延迟示意图；

图4是本发明提出的即热式电热水器的一种原理方框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

交流电压施加在功率模块上，功率模块进行做功。若功率模块为电加热管，其用于将电能转化为热能。功率模块具有额定功率和额定电压，额定功率是指功率模块在输入额定电压时的输出功率。但是市电电网中的交流电一般会存在波动，与额定电压存在一定的误差，因此，功率模块在输入市电电压工作时，其实际输出功率也相应发生变化。输入电压的不确定性给功率模块的输出功率控制带来了难度，对于电加热管而言，若无法精确地控制功率输出，则反映在加热水温的控制精度低，恒温效果差，给洗浴带来不好的体验。

此外，功率模块一般工作电压为交流电压，电压值在时间轴上呈正弦波的波形变化。需要功率模块输出的功率根据设定获得，如将一定温度的水加热至设定温度，要求功率模块输出的功率可根据能量守恒定律相应确定，而功率模块在一个半波周期内的输出功率不一定恰好与要求输出的功率相等，因此，通过斩波控制的方式，仅在部分时间段为功率模块控制输出电压，实现输出功率调节。现有斩波控制方式通过计算电压曲线的面积，采用积分的方式计算当前功率对应的斩波值，此斩波值因为是按照额定电压进行的理论计算，跟实际输入电压存在差距，所以其输出功率控制精度较低。

为了解决现有输出功率控制精度低的技术问题，本实施例提出了一种功率输出控制方法，如图1所示，包括：

分别获取目标功率值和实际全功率值；实际全功率值是指通过采集实际的输入电压，功率模块在完整的半波周期内实际能够输出的功率。

在各半波周期内按照斩波时间控制输出电压。斩波时间是指控制在半波周期内，仅该时间内向功率模块提供电压输出，其他时间不提供电压输出。

根据目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，斩波时间为在半波周期内输出电压的时间；通过获取目标功率值和实际全功率值，也即相应获取了所需要输出的功率和完整的半波周期内实际能够输出的功率，通过该两个值获取斩波时间，使得在斩波时间内的实际输出功率与目标功率保持一致，达到提高控制精度的技术问题。这样即使电网的电压发生波动，那么功率模块的加热温度也能稳定在设定温度附近，不会影响用户的使用体验。

为了保证斩波的准确性，按照斩波时间控制输出电压步骤中，还包括获取过零检测信号，相邻两个过零检测信号之间的时间间隔为半波周期。可以理解的，正弦波的电压信号在时间轴上呈正负交替变化，正负交替时的电压值为0，通过进行过零检测，也即检测电压值为0的时刻，相邻两个过零检测信号之间即为完整的半波周期。本实施例中的斩波控制即在该半波周期内完成。

在半波周期内按照斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z之后，控制输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压，并重新计时；如图2所示，为输入电压的波形图，本方案中通过在半波周期内，将从零点至T/2-Z时间段的电压输入斩掉，从T/2-Z至下一个过零检测信号期间控制为功率模块输出电压。

其中，T/2为半波周期，Z为斩波时间。虽然电网中的电压值会变化，但是周期基本固定，如频率为50Hz的市电，其整波周期T也相应确定，为20ms。一个整波由两个半波组成，因此，半波周期为T/2，也即为10ms。

本实施例中斩波时间确定方式是：通过将功率模块的实际全功率值看作在各个时刻点的功率值与时间的积分，将全功率值均分成若干份，所分成的份数越多，精度越高，根据目标功率值确定所取的份数，所取份数的功率值之和等于目标功率。从功率上看是将功率值进行均分，但是在时间上看则时间不是均分关系，因为此波形是个正弦波形，要想功率均分则时间不是均分的关系。

具体地说，按照上述原理，本实施例中斩波时间为将目标功率值与实际全功率值的比值进行三次拟合生成。

本实施例中优选斩波时间t的计算方法为：

其中，P₃为目标功率值，P₁为实际全功率值，a、b、c为与半波周期T/2相关的系数，d为常系数。

a、b、c可与半波周期T/2呈正相关。

如图2所示，其为正弦曲线，图2为一个全波周期，半个周期为一个半波。将此半波按照功率均分为1000份，在时间轴不是均匀分布。获取目标功率值和全功率值后，若计算得到需要输出840份，则控制按照如图2中所示的从过零点之后的时间t_n开始进行输出，直至下一个过零点，可输出840份的功率值，也即目标功率值。

实际全功率值P₁的获取方法为：

获取功率模块的额定电压U₀；

获取功率模块的额定功率P₀；

获取实际电压U₁；

根据U₁、U₀以及P₀计算实际全功率值P₁。

每个功率模块都有一个额定电压U₀条件下的额定功率P₀，当实际输出电压为U₁时，即可计算在实际电压下的功率模块输出功率值P₁。

优选本实施例中实际全功率值P₁的计算方法为：

在即热式电热水器的工作中，水的加热主要是靠电来完成的(电加热管通电发热，将水加热)，在一定水流、进水温度、目标温度下其需要的电功率是一定的。

目标功率值的获取方法为：

获取设定温度；

获取进水温度；

获取所加热水的质量；

根据能量守恒定律计算目标功率值。

具体的，水吸入热量然后水温才能升到设置水温，即：

P＝C*m*δT

C为水的比热容(单位：J/(Kg*℃))，

m为水的质量(单位：Kg)，

δT为升温的温差(单位：℃)(设定温度–进水温度)

P为加热需要功率(单位：W)

功率和焦耳的转换关系为1(W)＝1(J*s)

上面中P即为可控硅需要输出的目标功率值P₃。

过零检测是由外部的光耦元件检测得到，而光耦元件检测到过零点需要一定的开启电压，如图3所示，也即当电压值从0上升至v1时，光耦元件开启，此时才可检测到过零点，产生一个中断信号，而此时离实际过零已经过去时间t1。因此，所获取的过零检测信号存在延时。

同理的，当电压值到达波峰后，开始下降，当下降至电压值v1时，光耦元件截止，产生第二个过零点中断信号，而此时实际还未达到过零点。因此，该两个中断信号之间的时间长度小于实际的半波周期。在电压值为负的半波周期内光耦元件保持截止，直至进入下一个电压值为正的半波周期，此时会检测到第三个过零点的中断信号。与前述原理相同，当检测到第三个过零点时，离实际过零已经再次过去时间Δt。

由于电压按照正弦波变化的特性，时间的微小误差可能会给输出功率带来较大的误差，进而导致输出功率精度降低，为了解决上述问题，本方案中在获取过零检测信号之后，还包括过零检测延时补偿步骤，获取延时时间Δt，用于对过零检测时间误差进行补偿。

相应的，在半波周期内按照斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z-Δt之后，控制向功率模块输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压。也即，控制向功率模块输出电压的开始时间提前Δt，用于抵消由于检测延时带来的延时误差。

如图3所示，每个整波周期会有两个中断信号，会形成两个时间差，第一个中断信号与第二个中断信号之间具有时间差t1，第二个中断信号与第三个中断信号之间具有时间差t2，两个时间差t1和t2可以计算出，时间段t1比实际的半波周期短，而时间段t2比实际的半波周期长，而t1与t2的差值等于两倍的延时时间Δt，因此可计算出延时时间Δt，将此延时时间补偿到斩波输出时间上即可，这样就能保证输出的功率准确。

本实施例中延时时间Δt的获取方法为：

获取连续的三个过零检测信号；

计算每相邻两个过零检测信号之间的时间差，分别为t1和t2；

计算延时时间Δt：Δt＝|t1-t2|/2。

由于所获取的连续的三个过零检测信号，可能先输入的电压值为正的半波周期，也可能先输入的电压值为负的半波周期，因此，t1和t2的差值应取绝对值进行计算。

实施例二

本实施例提出了一种即热式电热水器，如图4所示，包括功率模块、可控硅输出模块以及控制模块，其中，功率模块为电加热管，其用于接受控制模块的控制加热水；可控硅输出模块，其接受控制模块的控制，用于为功率模块提供电压；功率模块具有电压输入时，可工作产生热量。

控制模块分别获取目标功率值和实际全功率值，根据目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，并在半波周期内按照斩波时间控制可控硅输出模块向功率模块输出电压，斩波时间为在半波周期内输出电压的时间。

本实施例的即热式电热水器，根据目标功率值和实际全功率值，确定斩波时间，建立时间与功率的对应关系，保证该斩波时间内的输出的实际电压功率值等于目标功率值，控制输出精度高。在功率输出时会检测当前的实际电压，根据当前电压情况计算功率的输出值，这样即使电网的电压发生波动，那么温度也能稳定在设定温度附近。

本即热式电热水器的其他控制方式可参见实施例一记载，在此不做赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种功率输出控制方法，其特征在于，包括：

分别获取目标功率值和实际全功率值；

根据所述目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，所述斩波时间为在半波周期内输出电压的时间；

在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压。

2.根据权利要求1所述的功率输出控制方法，其特征在于，按照所述斩波时间控制输出电压步骤中，还包括获取过零检测信号，相邻两个过零检测信号之间的时间间隔为一个半波周期。

3.根据权利要求2所述的功率输出控制方法，其特征在于，在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z之后，控制输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压，并重新计时；

其中，T/2为半波周期，Z为斩波时间。

4.根据权利要求3所述的功率输出控制方法，其特征在于，获取过零检测信号之后，还包括过零检测延时补偿步骤，获取延时时间Δt；

在半波周期内按照所述斩波时间控制输出电压的方法为：

收到过零检测信号后开始计时，在经过时间T/2-Z-Δt之后，控制向功率模块输出电压，在收到下一个过零检测信号时停止输出电压。

5.根据权利要求4所述的功率输出控制方法，其特征在于，延时时间Δt的获取方法为：

获取连续的三个过零检测信号；

计算每相邻两个过零检测信号之间的时间差，分别为t1和t2；

计算延时时间Δt：Δt＝|t1-t2|/2。

6.根据权利要求1所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述斩波时间为将所述目标功率值与所述实际全功率值的比值进行三次拟合生成。

7.根据权利要求6所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述斩波时间t的计算方法为：

其中，P₃为目标功率值，P₁为实际全功率值，a、b、c为与半波周期T/2相关的系数，d为常系数。

8.根据权利要求1-7任一项所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述实际全功率值P₁的获取方法为：

获取功率模块的额定电压U₀；

获取功率模块的额定功率P₀；

获取实际电压U₁；

根据U₁、U₀以及P₀计算所述实际全功率值P₁。

9.根据权利要求5所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述实际全功率值P₁的计算方法为：

10.一种即热式电热水器，其特征在于，包括：

功率模块；

可控硅输出模块；

控制模块，其分别获取目标功率值和实际全功率值，根据所述目标功率值和实际全功率值计算斩波时间，并在半波周期内按照所述斩波时间控制可控硅输出模块向所述功率模块输出电压，所述斩波时间为在半波周期内输出电压的时间。

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