商用电磁炉控制系统设计

当前位置: 主页 > 新闻动态 >
发布日期:2020-08-11 13:14

  桂林理工大学硕士学位论文 商用电磁炉控制系统设计 姓名:张明 申请学位级别:硕士 专业:检测技术与自动化装置 指导教师:邹自明 20100401 桂林理工大学硬士学位论文 商用电磁炉是应用于现代餐饮业的新型设备,与传统的灶具相比,商用电磁炉具有节能、高效、安全、环保等特点。目前商用电磁炉市场占有率不足传 统灶具的10%,主要问题是性能不稳定,价格昂贵。本文基于一项目要求,设 计了一款商用电磁炉的控制系统,完成了控制系统的软硬件设计。本文的主要 研究内容如下: 首先介绍了商用电磁炉的优点、现状和发展,分析了电磁感应加热原理在 电磁炉中的应用,深入研究了商用电磁炉的具体工作原理,确定了控制系统的 硬件电路设计方案。设计了以S3F9454为主控制器,采用负载电流和负荷电流 组成的双闭环保护反馈电路,利用脉冲调制芯片SG3525进行调频调功,以三 相不可控整流电路和单相电压型谐振逆变电路为主电路的硬件平台。 本文设计的硬件电路主要包括:主控制器及其外围电路,功率控制电路, 频率追踪电路,电压、电流、温度信号的检测电路,逆变器隔离驱动电路以及 报警保护电路等。逆变开关管IGBT由智能型集成驱动芯片HCPL.316J驱动, 并设计了软启动功能,提高了控制系统逆变电路的可靠性和安全性。 在软件设计上,提出了积分分离的PID控制策略,当系统检测到功率偏差 大于设定值时采用PD控制器,小于设定值时采用PID控制器,使系统调节具 有较好的瞬态性能和稳态性能。设计了准确、快速的锅具检测技术和长时间开 机无人操作自动关机等功能,不仅节约了电能还减少了电磁污染。 最终设计了一款输出功率为15KW,工作频率为20kHz---50kHz的商用电 磁炉的控制系统,通过样机反复实验,证明本文设计的控制系统,功率输出稳 定,整机运行安全、可靠,适合推广应用。 关键词:商用电磁炉;电磁感应加热;S3F9454;SG3525;积分分离PID控制; 独立驱动 桂林理工大学硕士学位论文 ABSTRACT Commercialinductioncookeristhenew equipment usedinmodern catering industry.Compared withthe conventional cooker,commercial inductioncooker possesses energysaving,high efficiencygood security environmental protection.Atpresent,the marketshareofcommercialinduction cookeris less than 1O%ofthe traditional stove.Themain problem instabilityofits performance andthe highprice.Due tothe requirement ofthis project,the control system ofcommercialinductioncookeris designed,and its softwareandhardwareare programmed.The maincontentsofthisthesisareas follows: Atfirstthethesisdescribesthe advantages,status aswellas development commercialinductioncookerandanalyzes howthe principle electromagneticinduction heating appliedtotheinductioncooker.Itstudies deeply specific workflowofcommercialinductioncookeranddeterminesthecircuit design controlsystem hardware.Theauthor designs themaincontroller¥3F9454,with thedouble closed-loopprotection feedbackcircuitmade up oftheloadcurrentand negativecurrent.It adjusts frequencymodulationandthe powerregulator through theuseofPulseModulation Chip SG3525.Thecommercialinduction cookerformedthehardware platformcomposed phasenon— controllable rectifiercircuitand single-phasevoltage resonantinvertercircuitasmaincircuit. Then,thedesigned circuitsinclude:thehostcontrollerandits peripheral circuits,power control circuitj frequency track circuit,voltages,currents, temperaturesignal detection circuits,inverter isolationdrivecircuit,andalarm protection circuit.InverterswitchIGBTis driven IntelligentIntegratedDrive Chip HCPL-316JJ.To improve securityoftheinverter circuitcontrol system,the soft startfeatureis designed. Asforsoftware designing,the control strategy integralseparationPIDis proposed.Whenthe system detectsadeviation greater thanthesetvalue,thePD Controlleris used;while lessthantheset value,the PIDcontrolleris used.It provides systemregulationwithbettertransient performance steadystate performance.Withthe designs rapidcookwaredetection techniques wellaslong bootunmannedautomatic shutdown,notonly II桂林理工大学硕士学位论文 energy wouldbesavedbutalsothe electromagneticpollution isreduced. Finallythedesign ofacommercialinductioncookerwith outputpower 15KWandoperatingfrequency of20kHz-50kHzis completed.Throughrepeated prototype experiments,it controlsystempossesses goodpoweroutputstability,aswellas security operationofthemachine.Inaconclusion,itis suitablefor popularization application.Key words:commercialinductioncooker; Heating;S3F9454;SG3525; independent drive III Principle ElectromagneticInduction control integralseparation PID; 桂林理工大学硕士学位论丈 1.1引言 第1章绪论 电磁炉(Induetioneooker)也称为电磁灶,是根据电磁感应加热原理,利用交变电流 通过线圈产生交变磁场,交变磁场在铁质锅的底部产生感应电流(涡流),感应电流使锅 体迅速发热,用来加热和烹饪食物。根据功率的大小,电磁炉可分为家用电磁炉和商用 电磁炉两种。一般家用电磁炉功率在3.5kw以下,而商用电磁炉功率在3.5"--'25kw之间。 随着人们生活水平的提高和节能、环保意识的加强,家用电磁炉已走入千家万户。与家 用电磁炉相比,商用电磁炉目前仍处于起步阶段,与目前餐饮服务行业大量使用的商用 燃油炉、燃气炉相比,商用电磁炉无明火、无明烟、无废气、清洁卫生,大大改善了厨 房的工作环境【1】【21。具体而言,商用电磁炉主要具有以下优点: (1)高效、节能 电磁炉的电磁感应加热原理,热效应直接作用于锅底发热,其热效率高达80%一 90%,更好的满足中国人大火快炒的要求。 笔者曾做过一个实验,用9kw、12kw商用电磁炉和普通燃油、燃气炉烧开重量20kg, 水温20的自来水(室温2l;水温结束状态100),对比结果如表1.1: 表1.1电磁炉与传统灶具实验比较 耗能 灶具 输入功率 耗时 耗费 燃料单价 燃气炉 风机370W 0.12Kw 0.4Kg 6.3元/Kg 7.7min .2.5元 (液化天然气) 燃油炉(柴油) 风机370W O.12Kw 0.4L 5.2元儿 7.0min 2.1元 9Kw电磁炉 9Kw 0.97Kw 1.1元/Kw 6.5min 1.O元 15Kw电磁炉 15Kw O.97Kw 1.1元/Kw 4.2min 1.0元 经过比较分析,电磁炉比燃油炉、燃气炉节约50%以上,一台9Kw电磁炉每7.7 分钟可节约1.5元,一小时可节约11元。如果每天使用4小时,节约费用44元;一年 可节省16060元。因此说商用电磁炉在节能、高效方面较普通燃油炉、燃气炉优势明显。 (2)安全 商用电磁炉具有锅具检测功能、工作状态自我检测功能、无人看管自动关机功能、 面板(中央超过240"C)过热自动保护功能、内部过温保护功能、过压过流保护功能、异 常报警等功能,确保了使用安全。 桂林理工大学硕士学位论文另外由于电磁炉线圈和锅体没有直接接触,而是靠电磁感应加热,所以没有漏电危 险。电磁炉发热线圈本身具有磁条阵列,加之锅体对磁力线的汇聚吸收作用,并且经过 金属外壳屏蔽,所以也不会对人体造成伤害。 (3)环保 商用电磁炉没有燃烧废气、燃烧烟尘排放,工作噪音小。传统的灶具燃烧时,因为 与空气中的氧气接合,导致热量散发,温度上升,同时释放一氧化碳、二氧化硫等有害 物质,影响人体健康。 商用电磁炉作为一个新兴事物市场占有率还不到10%,目前主要集中在酒店、宾馆、 大中专院校的食堂及大型商业中心等不能使用燃气的餐饮场所和电力火车、客货轮船等 需要节能的交通工具上,以及对品质、环保、安全要求高的各大厂矿企业中。由于商用 电磁炉在节能、高效、环保和安全方面的优势,随着技术的改进和成本的降低,相信其 会取代传统的燃油、燃气灶成为市场的主导产品。本文旨在改进商用电磁炉控制系统, 使其更加智能、高效,节能,从而进一步降低成本。 1.2商用电磁炉的国内外发展与现状 自从1831年法拉第发现了电磁感应现象,电磁感应开始了在各个方面的应用,同 时利用电磁感应的加热技术也开始发展起来。感应加热理论是由Foueault,Heaviside以‘ 及Thomson等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后,才 逐步确立的。1916年,美国的J.R.wyatt发明了“潜沟式”有心感应炉,这是现代人所说 电磁感应加热技术在民用领域的应用,这种有心感应炉就是现在广泛使用的有心炉的原 形【7】。1921年,美国人E.ENorthr又发明了无心感应炉,这是现代电磁炉的雏形。随着 晶闸管的出现,电磁感应加热技术得以迅速发展,1957年第一台家用电磁炉诞生于德 国,1972年,美国开始生产电磁炉,随着一系列新型自关断器件如MOSFET、IGBT、 SIT、McT等的出现,电磁炉的发展又进入了快速阶段,上世纪80年代电磁炉在西方发 达国家及日本开始热销。感应加热技术发展到今天,电磁炉的发展已取得了令人瞩目的 成果。 国内很早也开始了商业电磁炉的研究,浙江大学在这方面的研究比较超前。七十年 代末浙江大学研制成我国第一台IOOKw/IkHz晶闸管并联逆变式中频电源的电磁炉。国 内电磁炉的研究热潮,在20世纪80年代末到90年代末,形成了lkHz,2.5kHz,5kHz 三个标准系列的电磁炉,在厂矿企业有了比较广泛的使用。但因当时功率开关元器件缺 乏、电力电子技术以及控制技术的落后等原因,许多电磁炉产品可靠性很差,导致大量 电磁炉生产厂出现亏损。随着技术的进步,元器件质量的提高,国产电磁炉己有了很大 进步,近年来,一些单位开发了基于集成电路控制和单片机控制的中频感应加热电源, 桂林理工大学硕士学位论文在提高中频电源起动成功率和负载适应性方面取得了不错成绩。 然而,和国外商用电磁炉相比,国内还有不少差距。在商业电磁炉的控制技术手段 上,国外大量采用集成电路,数字显示,微机控制,国内则大部分是分立元件和继电器 控制,只有少部分采用集成电路控制,采用微机控制的则更少。在工作频率上,国外的 商用电磁炉基本没有空白,可满足不同用户的要求,而国内10kHz~100kHz基本属于 空白,100kHz以上以电子管式为主。在生产手段上,国外一般采取标准化大规模生产, 而国内仍处于家庭作坊阶段,工艺落后,外观质量差【43】【删【45】【46】。 1.3本课题研究的意义 1.3.1现实意义和经济意义 国外餐饮服务行业已习惯使用这类环保、高效、智能化程度高的电磁炉,而且产品 的更新速度很快,而国内商用电磁炉还处于起步阶段。2005年7月,铁路部门发出了 全国列车将全部使用电磁加热方式进行烹饪的通知。目前,我国火车保有量己达到42000 列以上,保守估计约有30000列以上可以配备餐车,以每辆客车配备两台电磁炉,每台 电磁炉单价在15000元计算,其市场容量在9亿以上。全国有普通本科院校679所、普 通高职院校1078所,独立学院259个,分校办学点158个,每个学校平均按三个食堂, 每个食堂按5台需求,每台单价以15000元计算,其市场价值在5亿以上,尽管总的需 求量并不大,但是其潜在的市场带动作用是很大的。截止2008年底,全国的餐饮业数 量(不含食堂)已超过400万家,体育彩票,但使用商用大功率电磁炉的餐饮店不到1/10。如果按照 400万家计算,每家平均使用3---'4台的电磁炉,每台单价以15000元计算,市场容量为 1800亿元【5】【研。如再加上机关食堂,厂矿,部队食堂,商业电磁炉的市场空间非常巨大。 商用电磁炉正被越来越多的人接受,正处于产品生命周期中的成长期,国内市场容 量和发展潜力更是巨大。因此在这样的市场背景下,开发出智能、高效、节能、环保型 以及带有各种保护功能的新型商用电磁炉,具有重要的现实意义和经济意义。 1.3.2技术意义 虽然商用电磁炉在节能、环保、高效、安全方面较传统的燃油、燃气炉具有很大优 势,但在国内的市场占有率还不到10%。造成国内商用电磁炉市场普及率低的原因是多 方面,例如受传统明火烹饪习惯影响,许多厨师烹饪时看不到明火不习惯;例如价格较 高,一台8KW的普通单眼电磁炉价格也要过万元,而普通的商用单眼燃油燃气炉价格 在2000元.4000元之间;但造成市场占有率低的主要原因还是我国商用电磁炉本身的技 术性能和配套设置不完善,具体而言主要包括以下几个方面: 桂林理工大学硕士学位论文一是我国的商业电磁炉技术性能不够稳定。我国的商用电磁炉控制电路不完善,主 电路工作不够稳定,在运行的过程中停机现象时有发生。某些电路元件质量差,由于我 国的商用电磁炉多为家庭作坊生产,趋利的考虑,许多生产商为降低成本,采用质量差 的元件,这些也是造成我国商业电磁炉技术性能不够稳定的原因之一。 二是我国商用电磁炉的规格化和产业化不高。我国商用电磁炉起步晚,品牌多而杂, 技术标准不统一,多以家庭作坊生产为主,在国内尚未形成具有龙头影响力的品牌,更 谈不上国际竞争力。通过完善商业电磁炉的控制系统,进一步提高我国商用电磁炉控制 系统的规格化水平,制定技术统一标准,形成规模化、产业化,这对提高商用电磁炉的 普及率,降低商用电磁炉的价格具有重要意义。 三是零件设置“层次不齐”,配套资源不够完善。一个行业的良性发展需要完善的配 套资源。IGBT是主电路的主要部件,可靠的IGBT基本都是外国品牌。微晶玻璃也是 如此。商用电磁炉使用的锅具体积大,重量大,这就要求微晶玻璃具有很强的耐冲击性。 但国内产品的耐冲击力差,我国的微晶玻璃80%以上依赖进口,而进口成本高、供货时 间长。这大大降低了我国商用电磁炉的国际竞争力。 商用电磁炉作为一个新兴产业,具有无限前景,在提高电磁炉技术性能和相关配套 部件的品质,完善相关配套行业的基础上,我国的商用电磁炉一定能成为真正的朝阳产 业。同时本文对商用电磁炉控制系统的研究也对电磁感应加热技术在民用领域的应用提 供了一定的参考数据。 1.4本论文研究的主要内容 本论文主要是基于商用电磁炉的电磁感应加热原理,综合运用电力电子技术,研究 与设计了商用电磁炉感应加热系统的主电路、隔离驱动电路、控制与保护电路。具体如 (1)通过研究商用大功率电磁炉的感应加热原理,对电磁炉主电路的核心部分,逆变电路进行了分析和研究,详细说明了单相半桥电压型逆变电路在商用电磁炉中的工作过 程,为设计性能稳定的商用电磁炉控制系统主电路做好了理论基础。 (2)商用电磁炉硬件电路设计是本论文研究的核心。商用电磁炉硬件电路包括强电和 弱电两部分。强电部分是整个系统的主电路,弱电部分包括控制单元模块、独立驱动单 元模块以及保护单元模块等。通过研究、分析、计算、仿真以及实验,我们在主电路中 选用了合适的整流电路、逆变电路以及谐振电路,针对商用电磁炉特定的应用环境,设 计完善了驱动电路和控制电路以及过压、过流、过温保护电路等,然后制作了实际的硬 件电路版,应用于样机进行数据检测和实验。 (3)对商用电磁炉的控制软件进行了优化设计。提高了商用电磁炉的智能化水平。对 桂林理工大学硕士学位论文功率输出、过压、欠压、过流、过温进行实时跟踪检测,在发生故障情况下迅速关闭脉 冲输出,保证大功率开关器件IGBT以及整流桥的安全,使整个系统运行更加安全可靠。 (4)研究积分分离PID控制策略,采用负荷电流和负载电流的双闭环反馈电路,接 合PID控制和PD控制的优点,通过脉冲调制控制器来改变IGBT的驱动频率,采用调 频调功(PFM)的方式,使系统具有较好的瞬态性能,稳态性能,通过实验证明该控制策 略下的调功方式,具有较高的控制精度,能达到实时跟随商用电磁炉的档位给定功率, 满足商用大功率电磁炉在特定使用环境下快速,稳定的功率调节要求。 (5)对设计样机进行了现场试验调试,并对其性能进行了测试、分析和研究。 桂林理工大学硕士学位论文第2章商用电磁炉工作原理分析 商用电磁炉的工作原理与家用电磁炉一样,都是电磁感应加热现象的具体应用。感 应加热在金属材料的热处理,锻造、挤压等冶金行业中以及在淬火、焊接的机械制造行 业中得到了广泛的应用。在这些应用中,通过设定加热参数,来控制加热效果。感应加 热有很多优点:可以避免许多电气事故的发生,因为被加热物体和加热设备之间没有电 气接触;还可以在很短的时问内可以产生足够的能量,迅速的对物体加热【8】【10】。感应加 热又是电磁感应的特殊现象,电磁感应是法拉第于1831年发现的,主要内容是:当一 个回路中的电流变化时,靠近它的另外一个闭合回路中就会有感应电流产生【391。 2.1电磁感应加热基本原理 9=九siIl刎 公式(2.2)桂林理工大学硕士学位论文 由此可以得到感应电动势为: 感应电动势的有效值为:罾=警“44以九 公式(2.3) 公式(2.4) 其中厂:流过锅具的感应电流的频率;矽:为磁通量。 感应电势E在工件中产生感应电流(涡流)i2,使工件加热,其频率与感应线圈通过 的电流频率相同,12使工件内部(工件表面的电流穿透深度LX)开始加热,根据焦耳一楞 次定律得,其焦耳热为: Q=(212Rt=0.2412Rt 公式(2.5) 其中,I为感应电流(A),R为负载电阻(在此R表示锅具的电阻Q),T为负载通 电时间(S),Q表示焦耳热(J)。 由上面的焦耳热Q的表达式可以看出,发出热量的大小与电流的平方成正比,在 锅具负载一定的情况下,感应电流I越大,产生的热量越大。而感应电流的大小,与感 应线圈中磁通的变化有关,磁通量的变化是因为发热励磁线圈中有高频交变的电流,因 而可以通过增大发热励磁线圈中的电流,使得感应电流增大;同时,一定条件下提高感 应线圈中电流的工作频率也可以提高负载锅具中的感应电流,从而使负载锅具发热效果 更好,加热速度更快。感应涡流的大小同时也与金属工件的形状、截面大小、工件材料 的导电率、导磁率及透入深度等因素有关。 当感应交流电通过负载锅具时,负载锅具表面电流大小的分布是不均匀的,最大的 电流密度集中在负载锅具的表面上,电流的密度从锅具的外表面到内表面的方向上,是 逐渐衰减的,这种在锅具表面集聚电流的现象就是集肤效应。从这个物理规律中我们得 出的结论是:由电能转换成热能的过程中,热能主要集中在锅具的外表面,从锅具外表 面到内表面的方向上,距外表面的距离越大,感应电流的密度就越小,产生的热能就小, 反之越大,即在锅具的表面产生的热能最高。 iD:距离负载表面锅具0处的电流密度‘:距离负载锅具X处的电流密度 t:电流穿透深度(由电流频率决定) 公式(2.7)公式(2.8) 桂林理工大学硕士学位论文 P:负载锅具的电阻率 “:负载锅具的磁导率 彩:线圈中的电流角频率 .厂:线圈中的电流频率 ‰:负载锅具的相对磁导率 “,:线式我们可以得出,电流穿透深度与负载锅具的电阻率P的平方根成正比,与负载锅具的磁导率“和电流频率缈的平方根成反比。频率越高,电流穿透深度£,越小, 因此在实际的加热中我们可以通过调节频率来控制加热的效果。 2.2商用电磁炉工作原理分析 商用电磁炉跟家用电磁炉基本原理类似,但是商用电磁炉是大功率电磁炉,所以电 路设计与家用电磁炉又有所不同。商用电磁炉是由交流380V供电的,加热线圈需要的 功率是家用电磁炉的几倍甚至十多倍,无论从主电路、控制电路还是驱动保护电路,与 家用电磁炉又有很大的不同。商用电磁炉的工作原理如下: 三相工频三相整流 LC滤波 逆变电路 谐振回路 锅具负载 交流电 模块 电路 八厂、厂、一上.~ 厂|Ill|II lIIIIIllllllVVVV “tm^lIllIlIl lI……川l 图2.2商用电磁炉工作原理框图 由工作原理图可知,商用大功率电磁炉的工作过程,主要是对供电电源的一种变化, 使之满足感应加热的要求,商用大功率电磁炉是由380V交流电提供电能的,励磁线V交流电经过桥式整流电路转化为539V的直流电压,直流电经过 逆变电路,转换为高频的交流电,高频交流电相当于电磁感应现象中,初级线圈的电源, 为励磁线圈供电。励磁线圈与谐振电容在逆变器功率开关的控制下,形成高频高压谐振 电路,并产生高频交变的电流,交变的电流周围产生变化的磁场,被加热锅具就相当于 放入磁场中的导体,由于感应电动势的存在,锅体上产生感应电流(涡流),由于涡流 桂林理工大学硕士学位论文的趋肤效应和焦耳效应,达到加热锅具的目的。简单的说,商用电磁炉的工作原理包含 有三个阶段的能量转换,首先是电能转变为磁能,利用电磁感应原理将磁能转变为电能, 最后由具有导电性的物体(锅具)吸收电能转换为热能,达到升温的效果【16】。 2.2.1电磁炉锅具的等效输出电路 在电磁炉的加热过程中,被加热的锅具就相当于变压器原理中的一个单匝副边电 路,原边为发热励磁线圈与高频电容组成的振荡电路。因此锅具就构成了主电路中的一 个元件。没有锅具,电磁炉就没有功率输出。所以,锅具与电磁炉主电路中的励磁线圈 盘共同构成了电磁炉的输出电路,目前,电磁炉所使用的锅具还局限在电阻率与磁导率 都比较高的铁质锅。 电磁炉能够加热锅具,是发热励磁线圈利用电磁感应加热原理向锅具传输能量的过 程。当线圈盘的线圈中流过交变的高频电流时,沿线圈盘半径方向会产生闭合的磁力线, 磁力线通过锅具的底部时,在锅具底部沿圆周会产生环形电流。在任一时刻,这个电流 的方向总是与线圈盘中电流的方向相反。由于高频电流的趋肤效应和邻近效应,锅具底 部距离线圈盘最近的表面,电流密度为最大;锅具底部距离外表面远的地方,电流密度 则按一定的指数规律减弱。因此,在电流流通的圆环上,高频电流流通的截面是基本固 定的,并不因锅具底部的厚度而变化。所以说在被通过励磁线圈产生的磁力线切割的区 域里,锅体材料的电阻就是电磁炉的负载电阻。高频电流在该电阻上产生热量表达式为: Q=,2RT,这就是电磁炉在锅具表面生成的热源。一般情况下励磁线圈距离锅底表面的 距离为15mm左右【I。 实际上还有一部分磁力线并不穿过锅具,而是从励磁线圈与锅底表面的间隙中通 过。因此,使得励磁线圈在传输功率的过程中还保持一定的电感量,这样,线圈在传输 能量的同时,还储存了能量,为产生谐振创造了条件。综合上面的分析,负载锅具与励 磁线圈之间的关系,好比变压器的主副边的关系,利用变压器的原理,我们可以把锅具 负载输出电路等效为变压器的原边与副边,等效电路如图2.3所示: Rc 图2.3负载等效电路图 其中,Rc为加热线圈导体电阻;Rw为锅具等效电阻。 为了便于计算和电路分析,我们还可以把上图进一步简化等效为图2.4。 桂林理工大学硕士学位论文图2.4简化等效电路图 其中,Lx为励磁发热线圈的等效电抗;Rx为励磁线圈和锅具的等效电阻。则有: Z=疋+jtoL, 公式(2.9) 可得出锅具负载的功率因数为: 负载电感中的电流为i时,负载的输出有功功率和无功功率分别为:P:i2R Q=f2心 那么负载的品质因数为: 公式(2.10) 公式(2.11) 公式(2.12) 公式(2,从而得到如下关系 eosq'-1/l+92 公式(2.14) 在电磁炉的感应加热中,由于等效电阻RX远远的小于功t,所以功率因数不高, 为了补偿无功功率,我们加入了补偿电容,如图2.5所示: Cx图2.5负载锅具输出等效电路图 由于电容的存在,从而使负载锅具的等效输出电路就构成了LC组成的谐振电路。 因为电容是串联在电路中,与发热线圈以及等效电阻共同构成了串联谐振电路。通过原 理分析,等效输出电路是连接于逆变电路的,与逆变电路共同组成谐振式逆变电路。 10 桂林理工大学硕士学位论文 2.2.2电压型与电流型逆变电路比较分析 在电磁炉的主电路中,电流的逆变部分是核心内容,逆变器是组成逆变电路的中心, 作用就是使直流电逆变为高频交流电,提供给振荡电路的感应加热线圈,满足加热的要 求。逆变器的主开关元件是常称为功率开关管的功率晶体管,目前,大多采用绝缘栅双 极型晶体管。逆变电路是根据直流侧电源性质的不同分为两种:直流侧是电压源的称为 电压型逆变电路(Voltage Source TypeInverter-.VSTI);直流侧是电流源的称之为电流型 逆变电路(Cureent Source TypeInvert“STI)。 a.电流型谐振逆变器【埔J 电流型谐振逆变器是指直流侧为电流源的逆变电路。一般情况是在逆变电路的直流 侧串联有一个大的电感,因为大电感中的电流脉动很小,可以近似的认为是直流电流源。 电流型逆变电路主要特点如下: (1)直流侧串联有大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流回路呈 现高阻抗。 (2)电路中开关器件的作用仅仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电 流为矩形波,并且与负载阻抗角没有关系。并且交流侧输出电压波形和相位因为负载阻 抗的不同而不同。 (3)电流型谐振逆变器起动比较困难,起动时间较长,需对滤波大电感预充电, 故控制系统也相对比较复杂。电流型谐振逆变器一般只能工作在他激状态,当工作频率 不等于负载固有谐振频率时,就起动不起来,所以电流型逆变器起动前必须预先测定负 载固有谐振频率,然后将触发脉冲频率调整到与其近似相等,才能起动。 (4)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电感起到缓冲无功能量的 作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样,要给 开关器件反并联二极管。这是电流型逆变电路的一大优点。 (5)电流型谐振逆变器采用大电感滤波,因此短路保护比较容易,这是电流型谐 振逆变且的优点,但同时也带来了缺点:在大功率加热电源中,需要大电感的容量非常 大,导致个装置设计体积太大。 (6)电流型逆变器换流期间,逆变开关器件有可能承受反压,而用于高频感应加 热电源的自关断器件IGBT,所承受反压的能力低。如果用反并联二极管予以保护,则 会出现环流,损坏器件。 b.电压型谐振逆变器 电压型谐振逆变电路有两个桥臂,每个桥臂由一个可控件和一个反并联二极管组 成,直流侧接有大电容用以提供稳定的直流电源。电压型逆变电路主要有以下优点: (1)直流侧为电压源或者并联有大电容,相当于电压源。直流侧基本无脉动,直 桂林理工大学硕士学位论文 流回路呈现低阻抗特性。 (2)由于直流侧电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形,并且与负载阻 抗角没有关系,但是交流侧输出的电流波形和相位角因为负载的阻抗情况的不同而不 (3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,本课题研究的商用电磁炉就有无功功率,这时直流侧的电容起到缓冲无功功率的作用。一般情况下,为了给交流侧向直 流侧反馈的无功能量提供通道,在逆变电路的各桥臂并联有反馈二级管。 (4)电压型谐振逆变器起动比较简单。因为电压型逆变器可以自激工作,也可以 他激工作。起动后,随着工件温度的升高,负载参数发生变化,负载谐振频率也发!£变 化,这时如果触发频率不能迅速跟踪谐振频率,将有可能使逆变器停止振荡甚至造成逆 变颠覆,这就要求控制电路必须能够快速而且稳定的工作,从而增加了控制系统设计的 难度。在电压型谐振逆变器中就不会发生这种问题,负载谐振频率发生变化,只会使功 率因数角发生变化,输出功率也发生变化,但不会造成停止振荡或逆变颠覆的后果。 (5)电压型谐振逆变器中电流为正弦波,换流时反并联二极管续流,所以开关器 件承受的反压仅为反并联二极管的正向导通压降,是非常低的,这一特点正是MOSFET, IGBT等器件要求的。一般这些器件内部都集成有反并联二极管,非常适合于串联谐振 逆变器。使用时可以直接使用这些反并联二极管,而无需再外加反并联二极管。 通过比较分析电压型逆变器与电流型逆变器的特点,我们可知电压型逆变器输出电 压为方波,电流为正弦波,电路结构简单,容易控制,不需要虑波电感等特点,决定选 择电压型逆变器作为商用电磁炉的逆变主电路。因此与上一节分析的电磁炉的等效输出 电路构成了电压型谐振逆变电路。 2.2.3电磁炉单相半桥电压型谐振逆变器的工作过程 考虑到本课题中研究的商用大功率电磁炉应用环境和需要频繁启动的特殊性,最终 我们选用的是单相半桥电压型谐振逆变电路,作为逆变电路的主电路【17][40j,其原理如 图所示: 图2.6单相半桥电压型谐振逆变器原理图 12 桂林理工大学硕士学位论文 通过原理分析可知,单相桥式逆变电路有两个桥臂,每个桥臂由一个可控元器件和 一个反并联二极管组成。在直流侧连接有两个相互串联的电容,在实际的应用中电容 C1与C2均为多个电容并联组成的电容组,假设C1与C2足够大,因此两电容平分直 流电源电压Ud,电容C1与C2中点和两个桥臂之间连接负载。 设开关器件S1和S2的栅极信号在一个周期内各有正偏、反偏半周,并且两者构成 互补。为了防止上下桥臂直通,考虑到大功率器件开通和关断时的延时,在开关元器件 的驱动信号的之间,设计有死区时段,死区时间的设计长短,由脉冲调制控制器SG3525 的7脚与第5脚之间的电阻大小决定,只要死区时间控制合适就能保证,在S1开关开 通时,S2开关关闭。单相桥式电压型逆变电路的工作过程可以分为如下四个阶段【42】: 第一阶段[t1.t2】:在tl时刻以前,开关S1开通,开关S2关闭,由于直流电压的作 用,负载电感中的电流逐渐增大,电流方向如图2.7所示。由于电流的变化引起周围产 生磁场,当一个负载导体(锅具)放入这个交变的磁场中的时候,由法拉第电磁感应定 律、集肤效应和邻近效应,在导体(锅具)的表面会产生感应电流和涡流,由于电流的 热效应而产生热量。对锅具加热的同时,电感中也储存了能量。等效电路如图2.7,负 载上的电压和电流输出波形如图2.11所示: 去去去 州VzDIC1 图2.7逆变电路第一阶段电流方向第二阶段[t2一t3】:在t2时刻,开关器件Sl关断,S2开通,负载中由于电感的存在, 由于在第一阶段中储存了能量,电感开始释放能量,负载中继续有电流通过,而且电流 不能立即改变方向,于是VD2导通续流,电流开始逐渐减小,在电流未到零之前电流 方向不变。等效电路如图2.8。 13 桂林理工大学硕士学位论文 S21气VD2 图2.8逆变电路第二阶段电流方向第三阶段[t3-t4】:在t3时刻负载电感中的电流释放完毕,即电流将为零时,VD2截 止,S2导通,负载电感中的电流开始反向增大。通过电磁感应将电能传给锅具,使锅 去去去 斗<VzDlC1 图2.9逆变电路第三阶段电流方向第四阶段[t4.t5]-t4时刻给S2关断信号,给S1开通信号,由于电感中电流的存在, 电流不能立即改变方向,于是VDI导通续流,电流开始逐渐减小,在电流未到零之前 电流方向不变。等效电路如图2.10。 图2.10逆变电路第四阶段电流方向14 桂林理工大学硕士学位论文 IG盯驱动波形 S11.S2i GBT输出波形 S10.S20 }N;Ni卜一图2.11负载上的电压输出波形和电流输出波形 从T5时刻开始,又开始一个新的周期,不断地重复以上四个阶段的过程,通过电 磁感应加热现象,从而使锅具加热。当开关Sl或者S2为通态时,负载电流和电压的方 向相同,直流侧向负载提供能量;而当反并联二极管VDl或者VD2为通态时,负载电 流和电压反向,负载电感也就是电磁炉中的励磁线圈中储藏的能量向直流侧反馈,也就 是把励磁线圈吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器 中,直流侧的电容器Cl和C2又起着缓冲这种无功能量的作用,在这个电路中二极管 VDl和VD2有两个作用,一是负载向直流侧反馈能量的通道,二是使负载电流连续的 作用。 2.2.4商用电磁炉工作过程功率调节方式分析比较 在商用大功率电磁感应加热系统中,功率调节方式分为两大类:一类是直流调功法 (PAM),另一类是调节逆变器的输出电压或电流的工作频率也就是逆称变调功法。对 电磁炉的功率调节方式大部分采用后一类。逆变调功法分为,脉冲频率调制法(PFM)、 脉冲宽度调制法(PWM)以及脉冲密度调制法(PDM)。 (1)直流功率调制法(PAM) 直流调功法(PAM)是通过调节逆变电路之前,整流电路之后的直流电压幅度来达 到调节功率的目的。直流调功法可以实现输出电压与电流的固定相位关系,软开关容易 实现。该方法的功率调节与逆变侧没有影响,逆变侧与负载工作在一个固定的模式,根 据负载的不同,电压于电流的相位关系不同,电路工作在不同的状态。如果电压超前电 15 桂林理工大学硕士学位论文 流,电路表现为感性状态,如果电压与电流的相位相同,电路处在谐振状态;如果电压 相位在电流相位之后,电路表现为容性状态。直流调功的特点是:电源始终工作在谐振 状态,负载功率因数高,适用于较大功率的感应加热中,但是直流调功法必须采用相控 整流,电路很复杂,进线电流的谐波比较大,如果用在大功率商用电磁炉中,还有很多 需要解决的问题。 (2)脉冲宽度功率调制法(PWM) 脉冲宽度调功法是通过调节逆变开关一个周期内导通的时间长短的方式来调节输 出功率,该方法等同开关电源的调制方法,调节范围大,调节线性好,但是不易实现软 开关。 (3)脉冲频率功率调制法(PFM) 脉冲频率调功法采用不可控整流电路得到直流电压,通过调节脉冲控制芯片的频率 改变逆变侧输出电压的频率来改变负载的功率因数,从而达到调节输出功率的目的。输 出电压、电流与控制脉冲的关系如图2.12所示: JL Ug啪 一一7——卜\.十7l 图2.12PWM功率调节方式从图中可以看出,只要脉冲的频率发生变化,输出电压与电流的相位也发生变化。 输出功率为: ‰=瓦4U丽4U cos=墨耐 公式(2.15) 其中:电压与电流的相位角乙为输出阻抗 功率因数角为: 础一上 tg#=1严 频率和功率可以表示为 公式(2.16) 桂林理工大学硕士学位论文 +—tg—p公式(2.17) 0.51.0 1.5 向频率标么值 图2.13功率输出与工作频率的变化关系 由上图可以得到,脉冲频率变化会引起负载功率因数角的变化,通过调节功率因数 脚就可以改变输出功率。当输出频率等于谐振频率时即:f=.厶时,此时的输出功率最 大;当f>fo即为输出频率大于谐振频率时,这时负载成感性,频率越大,Izl越大,输 出功率就越小;当f<fo时,即为输出频率小于谐振频率,负载工作在容性区,频率越 小容抗变大,功率减小,输出功率就越小。 (4)脉冲密度功率调制法(PDM)‘20】 脉冲密度调制法就是通过输出脉冲的密度调节输出功率,实际上就是通过控制电路 向负载馈送能量的时间来控制输出功率。例如,在一个采样周期内有N个功率输出单 位,逆变器向负载输出功率的单位为M个,其余的单位时间逆变器停止工作,负载的