1.2 国内外研究现状
1.3 本课题主要研究内容
本课题主要研究了家用电磁炉逆变电路分析及参数确定、硬件死区电路、智能保护电路以及以单片机为控制核心的IGBT驱动电路和家用电磁炉动态负载模型。主要包括:
(1)逆变电路方案分析、参数设计:本课题采用的是逆变电路形式,根据此电路形式设计了电路中各参数,包括IGBT的选型、谐振电感、电容的设计;并在此基础上,设计了IGBT硬件死区电路和智能保护电路,保护开关器件。
(2)IGBT驱动电路设计:介绍了一般驱动电路中应注意的参数和栅极电阻的选取,重点针对家用电磁炉设计了优化的驱动电路,最后,为了电磁炉能并联扩容,研究了IGBT均流问题。
(3)控制策略研究及系统调试及分析:提出了基于网络阻抗的动态负载模型,针对负载随温度的变化,提出了自适应恒温控制方法来实现精确功率控制。并设计了控制软件,介绍了各模块软件的功能以及详细介绍了功率控制模块软件。最后对系统进行调试及结果分析。
2 工作原理分析
2.1 感应加热基本原理
家用电磁炉是基于感应加热原理,主要是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流而引起热效应,通过能量转换,将大量电能转化成为热能。高频电流流经导体时,在它的周围同时有交变的磁场产生。产生的磁场在被加热的目标器件上引起集肤效应,使大部分电流在导体的表面上流通,来加热目标器件。交流电流的频率越高,集肤效应就越明显。在导体表面处由焦耳定律可知因,导体的发热量变大。同时,由于电流主要集中在导体表面处,焦耳热量主要集中于导体的表面层,因此利用高频电流加热导体有利于热传导,提高效率。交变电流通过导体时,导体周围会形成交变磁场,电流强度直接影响磁场的强弱。当高频磁场内放有导体材料时,磁力线会切割导体,在导体中产生感应电势,从而产生涡流。由于电阻的热效应,使导体材料发热,利用涡流感应的热效应进行加热,叫感应加热。根据安培定则、法拉第电磁感应定律和集肤效应,有交流电经过的线圈会产生交变的磁场,当一个导体放入其中时,导体的表面会产生涡流,涡流在物体的表面产生热量,达到加热的目的。文献综述
感应加热的等效模型与变压器类似。图2.1(a)是变压器的基本形式,原边N1,副边NZ。图2.1(b)为感应加热等效模型,可以看成由变压器原边、副边组成的一个简单系统。根据法拉第电磁感应定律,交流电通过线圈时,线圈周围产生交变的磁场,变化的磁场导致变化的磁通,从而在导体内产生感应电动势,导体表面产生涡流。
图2.1变压器等效电路与次级短路等效电路
当感应线圈匝数为N1、通以交变的电流I1时,线圈内部会产生磁通 ,负载导体中产生感应电势e,导体表面会产生涡流i。根据电磁方程式,感应电动势为:e=. * ,N2是工件等效匝数,则有: = sin 。则感应电动势e为:e=.N2* =. ,有效值E为: E= = 。
负载导体中产生感应电流(涡流)I2,加热工件,其频率与感应线圈通过的电流频率相同,I2使导体负载内部开始加热,根据感应加热原理,其焦耳热为:Q=CI R*t=0.24I R*t。
由此可见,感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流的原理是相同的,但是一般电气设备中涡流产生的热量属于能量的浪费,而感应加热却是利用涡流进行加热的。感应加热通过线圈把电能传递给金属导体,然后电能在金属导体内转变为热能。感应线圈与被加热金属导体并不直接接触,而是通过电磁感应传递能量的。