武漢理工大學碩士學位論文 摘要 節(jié)能減排是當今世界的重要主題之一，大功率電磁爐熱效率高、加熱速度快、 清潔環(huán)保，具有廣闊的應用前景。本文針對現(xiàn)有電磁爐功率小、穩(wěn)定性差等缺陷， 開展了基于半橋諧振電路電磁爐的關鍵技術研究，包括逆變電路參數(shù)設計、負載 等效電路建模、控制策略研究，主要內容如下： 在分析大功率電磁爐工作原理的基礎上，確定逆變電路方案，根據(jù)性能指標 要求設計了逆變電路中各器件參數(shù)，包括i g b t 選型，諧振電感、電容設計，并 設計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護電路，能夠及時地保護開關器件的正常運 行；最后設計了控制軟件，根據(jù)功能進行了軟件模塊劃分，重點設計了功率控制、 軟件保護軟件和智能鍋具檢測模塊軟件。 研究了逆變電路的核心元件i g b t 特性，進行了功耗分析和計算，針對大功 率電磁爐干擾大、噪聲嚴重的特點優(yōu)化設計了驅動電路，能夠及時地保護i g b t 正常運行；為滿足電磁爐并聯(lián)擴容需要，研究了i g b t 動、靜態(tài)特性對均流的影 響，并且提出柵極電阻補償法，通過對柵極電阻的補償，使得多管之間的動態(tài)性 能均衡，通過仿真驗證了該方法在i g b t 并聯(lián)中的可執(zhí)行性。 在感應加熱基本原理的基礎上，研究了基于變壓器原理的負載模型，此模型 可以反映感應線圈和鍋具的等效電路，但是不能反映負載隨工作頻率變化的缺 點，本文提出了基于網(wǎng)絡阻抗的動態(tài)負載模型，該模型能夠很好的反映工作頻率 和功率的關系，通過實驗數(shù)據(jù)和軟件仿真，驗證了該模型的準確性：最后針對負 載隨溫度的變化，提出了基于電磁爐的自適應恒溫控制；根據(jù)檔位的輸入和鍋具 溫度的反饋，自適應的執(zhí)行基于動態(tài)負載模型的恒功率和基于恒溫p i 控制的雙 向控制器，實驗結果驗證了該控制策略在節(jié)能和加熱速度方面具有良好的效果。 關鍵字：感應加熱；i g b t 驅動；負載；動態(tài)模型； 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o n i sa l li m p o r t a n tt h e m er e c e n t l y h i g h p o w e ri n d u c t i o n c o o k e rh a st h ea d v a n t a g eo fe l e c t r i ce f f i c i e n c y , h e a t i n gs p e e d ，e a s yo p e r a t i o n ，w h i c h h a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i st h e s i s ，t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea p p l i a n c ei s r e s e a r c h e db a s e do nh a l f - b r i d g er e s o n a n tc i r c u i t ，t os o l v et h es h o r to ft h ee x i s t i n g c o o k e rp o w e r ss m a l lp o w e ra n d p o o rs t a b i l i t y i ta n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e ra n df o r m st ob e u s e di ni n v e r t e rc i r c u i t ，t h e nd e s i g nt h ep a r a m e t e r so ft h ei n v e r t e rc i r c u i t ，i n c l u d i n g t h ei g b ts e l e c t i o n ，r e s o n a n ti n d u c t o ra n dc a p a c i t o rd e s i g n i ta l s od e s i g n si g b td e a d z o n ec i r c u i ta n di n t e l l i g e n th a r d w a r ep r o t e c t i o nc i r c u i tt o p r o t e c tt h es w i t c h i n g d e v i c e s f i n a l l y i td e s i g n st h ec o n t r o ls o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o n so fe a c h m o d u l ea n dt h ep o w e rm o d u l ec o n t r 0 1 i g b ti n v e r t e rc i r c u i ti st h ec o r e c o m p o n e n t s i tr e s e a r c h e s t h ei g b t c h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w e rc o n s u m p t i o nc a l c u l m i o n ，a n dd e s i g n st h eg e n e r a ld r i v e c i r c u i ta n dt h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r sa n dg a t er e s i s t a n c e ，f o c u s i n go np r o t e c t i o no f i n d u c t i o nc o o k e rf i n a l l yi tr e s e a r c h e sd y n a m i ca n ds t m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi g b tf o r p a r a l l e le x p a n s i o na p p l i a n c ea n dp r o p o s e st h em e t h o do fg a t ec o m p e n s m i o nt o b a l a n c et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eg o o de f f e c to ft h i s m e t h o d r e s e a r c hh a sb e e nd o n eb a s e so nt h et r a n s f o r m e rl o a dm o d e l s a st h em o d e lc a n n o tr e f l e c tc h a n g e so fl o a d ，t h ep a p e r p r o p o s e sad y n a m i cw e b b a s e di m p e d a n c e l o a d m o d e l t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n ds o f t w a r es i m u l a t i o nv e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h e m o d e lw h i c hb u i l d st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e q u e n c ya n dp o w e rf i n a l l y , w h i l et h e l o a dc h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e ，i tp r o p o s e sa d a p t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h e a p p l i a n c e a c c o r d i n gt ot h ei n p u ta n dt e m p e r a t u r ef e e d b a c k ，i ta d a p t i v e l yi m p l e m e n t s c o n s t a n tp o w e rc o n t r o lb a s e do nd y n a m i cl o a dm o d e la n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ep i c o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ec o n t r o lm e t h o di nt h ee n e r g ya n dh e a t i n gr a t e h a sag o o de f f e c t k e y w o r d ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；i g b t d r i v e r ；l o a d ；d y n a m i cm o d e l ； 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽 名：她日 期：型上盟 學位論文使用授權書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有 關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生c 簽名嘲葳聊c 簽名，薇跨期州酬 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 引言 第1 章緒論 家用電磁爐在市場已經(jīng)有了廣泛的應用，但是大功率電磁爐起步稍晚，主要 受到開關管的容量限制，隨著大功率開關器件的發(fā)展，很大的帶動了大功率電磁 爐功率擴展。 大功率電磁爐是基于感應加熱原理，主要是利用處在交變磁場中的導體內產 生的渦流而引起熱效應，通過能量轉換，將大量電能轉化成為熱能。高頻電流流 經(jīng)導體時，在它的周圍同時有交變的磁場產生。產生的磁場在被加熱的目標器件 上引起集膚效應，使大部分電流在導體的表面上流通，來加熱目標器伴1 1 。 大功率電磁爐熱效率高、加熱速度快、功率強勁、易操作，從安全上來說， 無油無味、清潔衛(wèi)生，無煙無火，能很好的改善廚房的環(huán)境，適用于酒樓、飯店、 工廠、學校、機關、部隊、企事業(yè)單位、火車、輪船等場合。 能源危機是任何一個國家都不能避免的問題，隨著石油的需求越來越大，能 源問題都在向著新的方向延伸和發(fā)展，而電磁爐則是用電來取代煤氣、柴油等基 本燃料，順應時代的發(fā)展。響應節(jié)能減排的口號，將逐步取代油和燃氣為主的爐 灶設備，成為今后主流的廚房設備。 電磁爐響應節(jié)能的口號，有很大的經(jīng)濟價值，其熱效率高達9 0 以上，從成 本上考慮，如果用電磁爐替換煤氣灶和柴油灶，一年可以為餐飲企業(yè)節(jié)約營業(yè)額 的5 左右，大大降低了成本。 目前市面上，技術比較成熟的產品都是小功率家用電磁爐，基本上都是以單 管，或者半橋電路為主電路設計的。但作為大功率電磁爐，對功率器件的要求比 較高，在9 0 年代，能夠耐高電壓，過大電流的功率器件還不穩(wěn)定，所以，使大 功率電磁爐遇到技術瓶頸，但是隨著功率器件的r 新月異的發(fā)展，在本世紀初， 各大廠家的大功率器件頻頻升級，而且穩(wěn)定性能越來越好，給大功率電磁路的研 發(fā)提供了很好的機遇。 大功率電磁爐市場發(fā)展還有一些障礙，主要有：( 1 ) 電磁爐的商用市場受到 傳統(tǒng)的明火烹飪習慣的影響。很多的廚師看不見明火，都感覺不習慣。這個要通 過具體的實驗來打消他們的顧慮，讓他們看到電磁爐確實比明火快。( 2 ) 商用廚 房電磁爐產品規(guī)格化過程( 規(guī)?；⒔党杀? 是一個不斷完善的過程，是在市場 不斷認識提高的基礎上完成的。( 3 ) 產品材料、工藝的可靠性。一個行業(yè)的發(fā)展， 需要相關的配套資源的同步發(fā)展【2 1 。 武漢理工大學碩士學位論文 1 2 課題的研究意義 大功率電磁爐發(fā)展迅速，市場增幅快，特別是在商用領域，各廠家對其開 發(fā)投入了大量的資金和科研隊伍，因此有著巨大的市場空間。 大功率電磁爐主要的應用環(huán)境在酒店、食堂、連鎖快餐、火鍋城等不能見 明火的場合，像火車、輪船、軍用艦艇、潛艇應用也比較廣泛。 現(xiàn)階段市場上大部分是3 千瓦以下小功率電磁爐，雖然技術比較成熟，但 是其功率難以滿足酒店、食堂等的需求 3 1 。而國內的大功率電磁爐技術上還不成 熟，穩(wěn)定性差，返修率高，導致成本大幅增加。為了在技術上有所突破，各大 廠家都在加緊在研發(fā)上的投資，目前已有的大功率電磁灶具有以下缺陷： ( 1 ) 穩(wěn)定性差，回修率高。 大功率電磁爐的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在逆變電路的波動大、i g b t 容易燒管， i g b t 的爆管還易引起周邊元器件的損壞，造成的短路如果沒有空開等保護措施 還易引發(fā)火災等惡劣后果。 ( 2 ) 成本高，產品化難。 要提高大功率電磁爐的穩(wěn)定性，許多公司應用全橋逆變或者利用變壓器驅 動功率模塊，全橋需使用四個開關器件，變壓器驅動則大大增加產品體積，都 會在不同程度上增加成本。另一方面，由于內部的干擾嚴重，必須設計多種硬 件和軟件保護措施，也增加了成本。 ( 3 ) 模塊化設計缺乏創(chuàng)新。 目前市場上的功率擴容都是采用單機并聯(lián)，單機并聯(lián)從穩(wěn)定性來說有優(yōu)勢， 但是浪費了很多不必要的元器件，而i g b t 并聯(lián)應用在大功率電磁爐上的應用還 不是很廣泛，主要原因是不能解決均流問題。所以并聯(lián)擴容技術的研究很有意 義。 ( 4 ) 不能精確各檔位的功率。 大功率電磁爐一般采用定頻率控制策略1 4 1 ，即不同的檔位對應不同的工作頻 率，因此在實際應用中，隨著鍋具材質、溫度、在灶臺擺放的位置、不同種類 的食物、電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，電磁爐輸出功率也會隨之波動，不可調節(jié)。另 外，火力控制的最終對象實際上是鍋具溫度，如果持續(xù)功率輸出，鍋具在炒菜、 燒油等環(huán)境中溫度會持續(xù)上升，當超過廚師想要的溫度時，既浪費了能量，又 對被加熱食物不利。 所以對大功率電磁爐的研究意義重大，如果能解決上訴問題，大功率電磁 爐的產業(yè)化的道路將指r 可待，其商業(yè)前景不可估量。 為滿足日益增長的市場需求，各公司都在加緊在大功率電磁爐研發(fā)上有所突 2 武漢理工大學碩士學位論文 破。本課題主要擬解決關鍵技術，追求穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)功率擴容，研究負載 特性，實現(xiàn)精確火力控制，并且研制樣機，然后小批量試制，為產業(yè)化奠定基礎。 本課題來源于湖北省武漢市科技攻關計劃項目( 項目編號2 0 0 7 1 1 0 2 1 3 8 2 ) 。 1 3 國內外研究現(xiàn)狀 隨著人們生活水平的普遍提高，人們越來越關心節(jié)能、環(huán)保等問題。電磁 爐作為綠色能源，想對于傳統(tǒng)廚房設備有著絕對的優(yōu)勢，極有可能取代傳統(tǒng)廚 房設備。而現(xiàn)階段市面上流行的小功率電磁爐，盡管其穩(wěn)定性好和成本低，但 是其功率無法滿足酒店、食堂、大型機關等的要求。 目前國內市場上的大功率電磁爐主要基于半橋串聯(lián)諧振電容設計 5 1 ，主要缺 點是功率因素低、穩(wěn)定性差。逆變主回路上的功率因素低，大量電能損耗在電容 和電感上，同時由于電壓和電流的相位差會電網(wǎng)產生較嚴重的影響，產生諧波污 染。逆變電路的大電流和多次諧波極大地影響了i g b t 的正常運行，大電流導致 其發(fā)熱嚴重，多次諧波的影響容易導致其短路。 而全橋控制電路，首先研發(fā)成本上比半橋高出許多，另一方面，全橋電路的 鎖相控制也是設計難點，如果在設計上有點差錯，所有開關管將全部燒毀 6 1 。 在功率控制方面，現(xiàn)在主流的產品還是采用的定頻控制m ，即不同的檔位對 應不同的工作頻率，因此在實際應用中，隨著鍋具材質、溫度、在灶臺擺放的 位簧、不同種類的食物、電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，電磁爐輸出功率也會隨之波動， 不可調節(jié)。另外，火力控制的最終對象實際上是鍋具溫度，如果持續(xù)功率輸出， 鍋具在炒菜、燒油等環(huán)境中溫度會持續(xù)上升，當超過廚師想要的溫度時，既浪 費了能量，又對被加熱食物不利。 國外較領先的技術有應用模糊邏輯控制技術到電磁爐設計中【8 1 ，其中科技成 果“多功能氣電組合灶”利用模糊邏輯控制技術，開發(fā)出既可自動煮飯，又可炒 菜的電磁爐，并具有多種自動保護功能，抗干擾能力強，抗反向電流沖擊大等特 點；采用模糊邏輯控制和電磁爐相結合，研制出模糊邏輯控制高頻工作對象。 另外，日本有一些專利中，研究了關于大功率電磁爐寬范圍調節(jié)輸出功率 的裝置f 9 1 ，其中主要是擬解決由電磁爐工作中產生的少量的熱響應回饋從而影響 準確控制電磁爐工作溫度，擬提供一種響應回饋方法使得精確的控制電磁爐工 作。 國內研究大功率電磁爐的高峰期在上世紀八九十年代，由于受到功率器件 的影響，大量產品可靠性差，功率低，難以被市場所接受。直到9 0 年代術，各 公司對研發(fā)上的投入增大，其穩(wěn)定性才得以保障。近十年，隨著技術上的突飛 猛進，以及產品維護上的日益完善，各大產品爭相涌現(xiàn)，比如沁鑫、金肯、廚 3 武漢理工大學碩士學位論文 中廚等，這些產品在市場上所占份額較大，這些廠家的產品經(jīng)歷了一代一代的 更新，在產品化的道路中，都遇到了比較大的困難，最后引領著大功率電磁爐 的進一步發(fā)展。 國外品牌如e g o 、高比、c 0 0 k t e k 、環(huán)球，也在占領國內的部分市場，從穩(wěn) 定性上，國外品牌占據(jù)很大優(yōu)勢，其穩(wěn)定性國內很多廠家都不敢高攀，另外在 功能方面，國外廠家做的非常人性化，受到用戶極大的青睞，但另一方面其價 格太貴、維修不方便，是許多國內用戶望而卻步，也是影響其銷量的主要原因。 電磁爐從家用到商用，經(jīng)歷了比較長的一段時間，現(xiàn)在家用電磁爐市場基 本穩(wěn)定，利潤越來越低，各廠家都把發(fā)展方向放在了商用電磁爐上。各廠家都 把方便、加熱速度快、熱效率高以及高效節(jié)能作為口號，并從耐用、美觀等多 方面考慮，增強競爭力。 1 4 本文的主要研究內容 本課題主要研制了大功率電磁爐逆變電路分析及參數(shù)確定、硬件死區(qū)電路、 智能保護電路以及i g b t 驅動模塊和大功率電磁爐動態(tài)負載模型。主要包括： ( 1 ) 逆變電路方案分析、參數(shù)設計及控制軟件設計 分析了大功率電磁爐工作原理，本課題采用的逆變電路形式，然后根據(jù)電路 形式設計了電路中各參數(shù)，包括i g b t 的選型，諧振電感、電容的設計；在此基 礎上，本文設計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護電路，保護開關器件。最后設 計了控制軟件，介紹了各模塊軟件的功能以及詳細介紹了功率控制模塊軟件。 ( 2 ) i g b t 驅動模塊設計 研究了i g b t 特性及功耗計算，介紹了一般驅動電路中應注意的參數(shù)和柵極 電阻的選取，重點針對大功率電磁爐設計了優(yōu)化的驅動電路，最后，為了電磁爐 能并聯(lián)擴容技術，研究了i g b t 均流問題，并且了通過仿真驗證了柵極補償法在 i g b t 并聯(lián)中的可執(zhí)行性。 ( 3 ) 動態(tài)負載模型的研究 分析了感應加熱的基本原理，然后研究了基于變壓器的負載模型，針對此模 型不能反映負載變化的缺點，提出了基于網(wǎng)絡阻抗的動態(tài)的負載模型，通過實驗 數(shù)據(jù)和軟件仿真，驗證了該模型的準確性，最后針對負載隨溫度的變化，提出了 自適應恒溫控制方法來實現(xiàn)精確功率控制。 4 武漢理i ：大學碩士學位論文 第2 章大功率電磁爐功率模塊主電路設計 電磁爐電路形式主要有單管逆變、半橋逆變、全橋逆變，負載工作方式分為 串聯(lián)逆變和并聯(lián)逆變，在整流側又分為可控整流和不可控整流，從設計成本、穩(wěn) 定程度、功率需求和安裝結構等多方面考慮，設計方案最終采用的是不可控半橋 串聯(lián)諧振電路。此電路形式的優(yōu)勢在于設計簡單、穩(wěn)定性能好、調功容易，但缺 點在于由于采用的是調頻調功方式，沒達到額定功率時，電路的功率因數(shù)較低， 電路自身熱損耗較大。 2 1 大功率電磁爐工作原理 大功率電磁爐主要是基于感應加熱原理，通過高頻的電磁場在鍋底產生渦流 加熱鍋具，設定不同的檔位，滿足烹飪需求。大功率主電路為交流一直流一交流 變換電路，三相的交流電經(jīng)過不可控整流橋和i _ c 濾波電路后變成直流電壓，然 后經(jīng)過半橋諧振電路產生高頻的交流電，其頻率在1 8 k h z - - 4 0 k h z ，此頻率屬于 音頻范圍，人耳聽不到，也不會產生很大的超音頻干擾。其工作流程大致如下圖 所示： _ _ _ _ - _ _ _ 。_ _ 。 審鳥 一 整流! 虱 橋墓魁i 堂l堅； 艫嚴f 二蛔! l i l l i l l l l 貺l i i l l i l l l i f 佃- i - 田 三懶電源撕直流濾波臌覷嫩商懶渦燃 圖2 - 1 大功率電磁爐能量轉換方式 半橋串聯(lián)諧振電路如下圖2 2 所示，主要由兩個諧振電容和兩個大功率開關 器件組成，每個開關器件并聯(lián)一個續(xù)流二極管，感應線圈是專用線圈，專門用在 電磁爐中，除了基本設計參數(shù)要滿足以外，另個很重要的是外形要和鍋具負載 匹配，不然電磁場不能完全將能量轉換成焦耳熱，會導致能量泄露。 5 武漢理工大學碩士學位論文 圖2 2 半橋串聯(lián)諧振電路原理圖 半橋串聯(lián)諧振電路啟動簡單，由于功率頻率高于諧振頻率，因而不會出現(xiàn)斷 續(xù)情況，電路穩(wěn)定，應用很廣泛。另一方面，半橋電路的成本較低，適合批量生 產。 電磁場在磁導率較高的金屬中，產生的渦流更大，因此電磁爐鍋具一般為電 阻率和磁導率較高的鐵質材料。電磁感應實物圖如2 3 所示： 圖2 3 電磁爐感應加熱示意圖 交變電流通過導體時，導體周圍會形成交變磁場，電流強度直接影響磁場的 強弱。當高頻磁場內放有導體材料時，磁力線會切割導體，在導體中產生感應電 勢，從而產生渦流。渦流和高頻電流一樣，同樣具有高頻電流的一些高頻特性。 由于電阻的熱效應，使導體材料發(fā)熱，利用渦流感應的熱效應進行加熱。 電磁爐主要是利用處在交變磁場中的導體內產生的渦流而引起熱效應，通過 能量轉換，將大量電能轉化成為熱能。當導體中有高頻電流時，在它的周圍同時 有交變的磁場產生。產生的磁場在被加熱的目標器件上引起集膚效應，使大部分 電流在導體的表面上流通，來加熱目標器件。交流電流的頻率越高，集膚效應就 越明顯。在導體表面處由焦耳定律可知，導體的發(fā)熱量變大。同時，由于電流主 要集中在導體表面處，焦耳熱量主要集中于導體的表面層，因此利用高頻電流加 熱導體有利于熱傳導，提高效率。 當然，感應加熱與鍋具的材質、形狀、距離都有很大關系，其中對功率影響 最大的是交流電流的工作頻率。另外，采用磁導率比較大的鐵質材料，有更有利 6 武漢理工大學碩士學位論文 于感應加熱。 2 2 功率模塊電路設計 本系統(tǒng)研究開發(fā)的電磁爐電控系統(tǒng)可分為三個主要部分：整流模塊、逆變模 塊、主控制單元模塊。如下圖所示： 2 2 1 整流模塊設計 圖2 4 大功率電磁爐電控設計圖 整流模塊將三相交流電變成穩(wěn)定平滑的直流電源，主要由e m i ( 抑制電磁干 擾) 濾波器、整流橋、l c 平波電路組成，如圖2 5 所示： 7 武漢理工大學碩士學位論文 抑制電 相磁干擾 整 平波 進 7 濾波電 流 線i 路 橋 電路 i ，一 圖2 5 濾波電路系統(tǒng)框圖 電磁爐本身就是一個干擾源，在大功率電磁爐電路中，功率器件三相整流橋 模塊、高速i g b t 模塊的應用會產生大量電磁干擾信號，這些干擾信號能夠影響 到其他電路以及電網(wǎng)中其他的設備的正常運行，同時也會影響到電網(wǎng)的用電安 全。 如圖2 - 6 所示，其中l(wèi) 1 ，l 2 ，l 3 為共模扼流圈，由于它的兩個線圈匝數(shù)相 等，這三個電感對于差模電流和主電流所產生的磁通是方向相反、互相抵消的， 因而不起作用而對于共模干擾信號，能夠得到一個大的電感量呈現(xiàn)高阻抗，以獲 得最大的濾波效果，因此對共模信號其有良好的抑制作用。 在共模扼流圈兩端分別有三組電容接到中線，在每個電容上并聯(lián)一個大電阻 用來吸收靜電。c y l 、c y 2 、c y 3 并接在相線和大地之間。當差模噪聲經(jīng)電源線 a 相時，分別經(jīng)c x l 和l 1 、c x 4 返回中性線n ，并得到衰減，減小干擾。共模 噪聲是從電源線a b c 與n 對地e 加入的干擾信號，當干擾信號進入電磁干擾濾 波器時，經(jīng)l 1 、c y l 入地，信號通過共模電感線圈l 1 時，因產生的磁場方向 相同而受到急劇的衰減，然后經(jīng)c y l 入地，從而抑制了電網(wǎng)對設備的干擾。 ar 1 i 20 整 b“。r 1 i 30流 c，1 橋 1lc 、4 特 ： 【 -! 、 ! 、曲上”【】：f1 ： c 、：= nr t 。像r嚏丁l 吖 c 、； - c 、3 e 2 2 2 逆變模塊設計 圖2 - 6 抑制電磁干擾濾波電路 逆變模塊的設計包括諧振電路的設計，本論文采用的是電壓型串聯(lián)諧振電 路，諧振電路的設計則主要為諧振電容和諧振電感的參數(shù)設計以及i g b t 的選型。 開關管的峰值電壓： 8 武漢理工大學碩士學位論文 v 。；4 6 u i 嘞；, 6 2 2 0 x 1 1 0 一5 9 3 1 ( 2 - 1 ) 一般取實際值的2 3 倍為i g b t 的額定值，所以選取i g b t 耐壓值為1 2 0 0 v 。 考慮電網(wǎng)電壓的波動，輸入電壓為i l 血- - - 2 3 4 u ( 1 - 1 0 ) = 4 6 3 v ，逆變電路 的基波分量v 竺型建童= 2 0 8 v 。 諧振電路中電流的最大有效值為： i 。：邋；1 8 0 0 0 x 0 9 7 7 9 a ( 2 2 ) o v 2 0 8 i g b t 的峰值電流為： i 。= 4 2 1 。一2 7 7 9 ；1 1 0 a ( 2 3 ) 考慮i g b t 的安全性選用額定電流為2 0 0 a ，最后選定的是歐佩克 f f 2 0 0 r 1 2 k s 4 。 串聯(lián)諧振電路輸出電壓的有效值為 一竽粵一等半勉”5 v ( 2 4 ， 根據(jù)串聯(lián)諧振電路的輸出電流，可以得到諧振電容兩端電壓的最大值為 v c = q ( 2 5 ) q 為負載的品質因數(shù)，一般取5 ，有： v c 一a ；2 2 9 5 5 x 5 1 1 4 8 v ( 2 - 6 ) 由電容上的電壓和電流可以得到容抗為 x ；堡。一1 1 4 8 ：1 4 7 q ( 2 7 ) f 。 7 8 再由 小去(2-8) 所以： c ，上； ! ；0 6 1 u f 戤。2 a t 1 8 0 0 0 x 1 4 7 逆變器的工作頻率在1 8 k h z ，3 5 k h z ，再經(jīng)過實際工程調試， 個0 1 u f 、1 6 0 0 v 的高頻電容器并聯(lián)成0 7 u f 。 諧振電路的電感參數(shù)包括線圈盤的電感、鍋具等效電感，有： l ；魚；! ! ：!，1 3 0 u h l 眚一= 一 u n 9 ( 2 9 ) 最后選擇由7 ( 2 1 0 ) 武漢理工大學碩士學位論文 考慮到有鍋具等效電感的存在，結合實際工程調試，最后選取線圈盤的參數(shù) 為9 0 u h 。 2 2 3 硬件死區(qū)電路 所謂硬件死區(qū)電路就是由硬件延時電路來讓p w m 信號帶有死區(qū)功能，避免 了微控制器在受到干擾下輸出錯誤信號，而造成兩i g b t 同時導通，導致短路燒 毀i g b i i 1 0 l 。另外，為防止i g b t 模塊過流甚至是短路現(xiàn)象的發(fā)生，裝置還集成 有安全保護控制電路，增強了電磁爐工作的安全穩(wěn)定性。 f f w m 圖2 7 死區(qū)控制電路原理 硬件死區(qū)電路能夠很好的保護半橋電路的上下開關管不會出現(xiàn)同時導通的 情況，可以有效保護i g b t 。上下開關管的同時導通的狀況受多種因素影響，主 要內部電磁干擾、軟件程序控制不當?shù)?，硬件死區(qū)電路有著軟件所沒有的穩(wěn)定性， 有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 硬件死區(qū)電路的原理主要是通過t e f - j 電路和r c 延時電路組成，將一路p w m 信號分成兩路，然后分別對兩路p w m 信號進行上升沿延時，就得到了兩路互補 的p w m 信號，即兩路存在死區(qū)的p w m 信號。 首先單片機發(fā)送一路p w m ，此信號經(jīng)非門u 1 a 和u i b 成兩路互補p w m 信號，p w m 信號經(jīng)過r c 時，如果p w m 信號是由上升沿，通過電阻r 對電容 充電，在充電這段時間內，仍是低電平，直到電壓上升到與門的高電平門檻電壓， 與門才輸出高電平，如果p w m 信號是下降沿，由于與門端輸入為為低，所以 輸出也為低，低電平?jīng)]有延時。兩路p w m 信號分別經(jīng)r c 電路進行上升沿跳轉 延時，然后輸出帶死區(qū)的兩路p w m 波形，波形圖如下： 1 0 武漢理工人學碩士學位論文 t e k幾 s + mp ：- 96 0 * 1nr 一卜1 牿八硅形 i | + 豳 ，u 川一l 目 翻稿 鎮(zhèn)出鬣彤 圖2 - 8 硬件死區(qū)控制電路輸入輸出波形 死區(qū)時間的計算，通過一階電路的零狀態(tài)響應柬求得， u 。一u ，o e 。7 ) ，t = r c ( 2 - 1 1 ) 以為與門的高平門檻電壓，以為5 v ， 計算求得r = i7 3 2 k ，c = 00 1 u f ，測得死區(qū)時間為3 u s 。 2 24 過流、過壓快速保護技術 為有效保護i g b t 的正常運行，對其保護措施必不可少”，主要是過壓、過 流的快速保護，當出現(xiàn)意外情況時，就必須立即關閉l g b t 的驅動信號?？焖俦?護電路如圖2 - 9 所示。 圖2 - 9 過流、過壓快速保護原理圖 首先設定電壓、電流的保護值，硬件實時檢測實際電壓電流，當實際電壓電 流超過設定時由運放輸出低電平，三輸入與門就輸出低電平，封鎖了p w m 輸出， 此時i g b t 驅動模塊就不會繼續(xù)輸出，系統(tǒng)停止工作。 在硬件上檢測到過壓、過流信號后，封鎖驅動信號，關f j j 驅動模塊，但是系 統(tǒng)的主控系統(tǒng)仍然在工作，所阻同時要在軟件上也停止輸出p w m 信號，這樣整 個系統(tǒng)才停止工作，有效保護了i g b t 。 武漢理工大學碩七學位論文 2 2 5 防電磁干擾設計 因為電子設備是一個復雜的的多源體【1 2 】，整個電子設備受到的干擾為各個干 擾產生的總和。設備中單個干擾主要是設備中的元件和導線。元件本身的情況及 其放置位置都會影響空間場強大小，因此元件一定要放置合理避免相互干擾。元 件的安放不能使之相互產生影響，輻射大的元件不僅要遠離易受干擾的元器件， 而且還要注意所產生的電磁場的方向，盡量避免所產生的電磁場直接切割其它元 器件，減少干擾。關于導線，導線長度多出一厘米，就會增加額外的干擾，特別 是導線過長，盤旋在一起，就會增加工作附近的場強。因此在線路原理設計時， 將盡量采用簡單的線路。 為防止電磁輻射外泄，根據(jù)高頻電磁學的機理，本課題對電磁爐屏蔽體進行 了設計。單層完整屏蔽結構的屏蔽效能十分優(yōu)秀，電場屏蔽主要依靠對電場進行 反射原理進行屏蔽，一層極薄的實壁銅屏蔽層對電場的屏蔽效能就能達到 1 0 0 d b ，因此對電場屏蔽而言，一層屏蔽就能取得很好的效果。而對磁場屏蔽而 言，電磁波遇到導體表面時，既會產生反射也會吸收，使電磁能量大大衰減，從 而起到屏蔽作用。在高頻時，大部分能量被吸收，在低頻時大部分能量被反射， 屏蔽效能隨頻率越高也越高。在大功率電磁爐系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)工作頻率較高， 因此采用單層屏蔽已經(jīng)足夠。 常見的屏蔽材料有鋁、銅及合金材料，通過對常見幾種金屬的電導率及磁導 率對比分析后【1 3 1 ，在屏蔽材料的選擇中，全鋁合金材料比較適合應用在大功率電 磁爐中，首先其密度小，有較好的屏蔽效果，比一般的鋼、銅等材料的吸收電磁 波的效果都要好很多。一般為了達到好的屏蔽效果，使屏蔽層的厚度等于干擾信 號的一個波長。因此，合理屏蔽罩的厚度d 即屏蔽罩材料中電磁干擾信號電磁波 的波長a 。屏蔽罩的厚度的計算公式為 d ：a ：善 珈仃 ( 2 1 2 ) 其中，為待屏蔽對象的電磁波的頻率，u 為相對磁導率，仃為電導率。屏蔽 體的電導率，相對磁導率通過資料手冊可知1 5 i 。逆變電路工作的最低頻率為 2 0 k h z ，經(jīng)過公式2 1 2 的計算，鋁板的最小厚度為1 6 7 r a m 。設計的機殼如圖 3 1 1 所示： 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 在內部結構中，為了避免電路板的相互干擾，將整流電路和逆變電路整合到 一塊電路板中，這樣就避免了由于連接導線而引起的相互干擾，兩塊電路板集成 在一起后，元器件之間的相互干擾也大大減小了。另外風扇采用抽風設計，避免 將過多的灰塵雜質帶入到設備中。 2 3 控制軟件設計 大功率電磁爐程序主要包括：初始化子程序；數(shù)據(jù)采集子程序；功率控制 子程序；人機接口子程序模塊；信息處理子程序模塊等部分。軟件流程圖如圖 2 1 0 。 圖2 1 0 主程序系統(tǒng)框圖 武漢理工大學碩士學位論文 在完成各個模塊的初始化之后，進入一個w h i l e ( 1 ) 的循環(huán)程序中，首先是 a d 采樣子程序，在這個子程序里面完成直流電流、高頻電流有效值、三相電流 有效值、直流電壓、檔位旋鈕電壓、i g b t 和鍋底溫度的采樣；接下來進入讀檔 位子程序，根據(jù)檔位電壓采樣值判斷檔位，在程序中主要設置了7 個檔位，并且 有檔位去抖動，在檔位改變一秒鐘后才確定檔位大小，如果檔位不停的改變，不 是正常的操作流程，則軟件不會根據(jù)檔位來給定功率。然后進入保護控制子程序， 根據(jù)各個電壓電流的采樣值進判斷是否置保護標志，如果有保護標志被置位，則 在關機子程序中執(zhí)行關機程序。 在關機程序中并不是瞬間關閉，而是升高頻率到3 0 k h z ，電流減少到一定值 之后才關，避免在很大電流的情況下關斷i g b t 。如圖2 1 1 所示。 ( 翌竺 ) 豳 n 圖2 1 1 軟件保護流程圖 在功率控制子程序中，是首先發(fā)送固定p w m 頻率2 4k h z ，然后判斷直流母 線上電流的大小，大于1 a 則說明有負載，再根據(jù)檔位要求電流大小改變頻率。 1 4 武漢理i ：大學碩士學位論文 1 6 k w 電磁爐從1 檔到5 檔頻率變化從4 0 k h z 到1 8 k h z ，所以選擇2 4 k h z 為檢 鍋頻率，這樣在換檔時頻率變化時間最小。在頻率改變過程中設有3 0 0 m s 延時， 即定時器周期寄存器每3 0 0 m s 才能改變次。如圖2 1 2 所示。 雹 n n y y 圈 圖2 1 2 功率控制子程序 在電磁爐使用過程中，廚師經(jīng)常會將鍋具抬起，會造成兩大影響，第一，頻 繁的抬鍋會使負載變化，加大d i d t 和d u d t ，造成較大干擾；第二，在抬鍋后， 若果系統(tǒng)不關閉i g b t 驅動模塊，會有較大能量浪費。 電磁爐檢鍋程序的軟件設計顯得尤為重要。檢鍋程序和系統(tǒng)的穩(wěn)定工作和節(jié) 能息息相關，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，鍋具拿開，則應迅速關閉i g b t 驅動模塊，停止工 作，避免電能浪費和巨大的電磁干擾。 本文在軟件中設計了智能的檢鍋程序，實時判斷是否有鍋，在判斷無鍋后， 能迅速關閉i g b t 驅動模塊，使系統(tǒng)停止工作。首先，軟件沒隔一段時間就發(fā)送 一段時間發(fā)送p w m 信號，然后檢測直流側電流，如果電流較大，則判斷是有鍋 的，若果電流小于1 a ，則說明現(xiàn)在無鍋。間斷時間為每2 s 發(fā)送5 0 m s 的p w m 信號，發(fā)送p w m 的頻率高于諧振點，發(fā)送的功率較小，即所謂的較低功耗的鍋 具檢測。在判斷無鍋后，主動系統(tǒng)控制蜂嗚器發(fā)出無鍋提示，在持續(xù)1 分鐘后， 如果依然沒有檢測到鍋，則系統(tǒng)進入休眠待機狀態(tài)。鍋具檢測流程圖如圖2 1 3 所示。 1 5 武漢理工大學碩士學位論文 c 】婦 圖2 1 3 鍋具檢測流程圖 另外在軟件控制上，優(yōu)化節(jié)能控制策略及其他熱轉換效率影響因素，降低電 控系統(tǒng)自身功耗，提高電磁爐的熱效率。 本課題研究采取的各種節(jié)能控制策略為：防干燒控制策略，電控系統(tǒng)實時監(jiān) 測鍋底溫度，當鍋具燒水燒干后，鍋具溫度上升過快，且到達一定時間后，電控 系統(tǒng)將自動關機進入保護狀態(tài)【1 6 1 ，但炒菜、燒烤、煎炸、燜燒等油炸類功能均不 進行干燒保護，出現(xiàn)調功時，也不進行此保護檢測。優(yōu)化冷卻裝置控制策略，電 磁爐電控系統(tǒng)在運行中不斷產生熱量，如不及時排出熱量，其內部將逐漸升溫， 溫度過高會使系統(tǒng)的工作效率進一步降低，且進入惡性循環(huán)，各元件也增加燒毀 的危險性。 大功率節(jié)能電磁爐采用風冷方式進行工作環(huán)境溫度控制，一共有兩個冷卻風 扇，一個對鍋底進行降溫，一個對電控系統(tǒng)進行降溫。傳統(tǒng)的電磁爐只要開機， 冷卻風扇就會自動運行，直至切掉電源，不同于傳統(tǒng)的風扇開環(huán)控制，本系統(tǒng)冷 卻風扇進行了溫度反饋控制。當電控系統(tǒng)溫度較低時，主要由散熱片降溫，當溫 度上升到一定值時，系統(tǒng)自動開啟風扇進行冷卻，當溫度回復設定值以下，系統(tǒng) 自動關閉風扇，由此大大節(jié)約了能源。電控系統(tǒng)還擬采用休眠控制，當電磁爐處 于關閉狀態(tài)時，所有電路通通關閉，各控制芯片也進入休眠狀態(tài)，降低電磁爐的 功耗。當電磁爐長期工作在同一狀態(tài)設定時，一定時間后也將自動關閉進入休眠 狀態(tài)，避免人為遺忘關機。另外，本課題還將研究電磁爐的電熱轉換效率影響因 素，依靠控制策略來提高電磁爐的電熱轉換效率，如采用自動燒水功能，根據(jù)鍋 底溫度上升程度來粗估水量，又由水量來選擇燒水策略，如兩升水加熱時啟動以 1 6 武漢理工大學碩士學位論文 滿功率火力加熱，4 0 秒后，保持滿功率的9 0 的火力加熱，1 分鐘后水沸騰或 接近沸騰，則保持8 0 的火力加熱，以此功率加熱到關機，這種燒水方式可以 有效節(jié)約能源【1 7 1 。 2 4 本章小結 本章主要介紹了大功率電磁爐工作原理，本課題采用的逆變電路形式，然后 根據(jù)電路形式設計了電路中各參數(shù)，包括i g b t 的選型，諧振電感、電容的設計； 在此基礎上，本文設計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護電路，保護開關器件。 最后設計了控制軟件，介紹了各模塊軟件的功能以及詳細介紹了功率控制模塊軟 件。 1 7 武漢理工大學碩士學位論文 第3 章功率模塊驅動設計 在大功率電磁爐中，逆變側的電壓電流波動以及開關器件的d i d t ，對開關器 件有很大的影響，因此對功率器件特性和驅動的研究意義深遠。本章重點研究了 i g b t 的特性、功耗和結溫的計算、驅動電路和并聯(lián)使用。 3 1 ig b t 模塊的特性 i g b t 模塊的特性對其使用有著重大意義，了解i g b t 模塊的特性，有利于 更好的設計i g b t 驅動電路、保護電路，以下講述i b g t 模塊的主要特性。 3 1 1i6 b t 特性分析 一 三 1 8 武漢理工大學碩士學位論文 v 。7c e t o i t o 弗 圖3 2i g b t 開關電流電壓波形 大功率電磁爐采用的是半橋諧振電路，下面以半橋電路舉例分析i g b t 模塊 內部的低電感設計。圖3 3 中的電感為兩單元i g b t 模塊的寄生電感，產生這些 電感的主要原因是由于芯片之間的相互連結以及連接導線1 2 0 1 。 圖3 3i g b t 模塊寄生電感 k 為柵極寄生電感； o 為上i g b t 集電極寄生電感； 比為上i g b t 發(fā)射極與下i g b t 集電極之間的寄生電感； l 為下i g b t 發(fā)射極寄生電感； 在開關管開通的過程中，由于有k 、k 的存在，降低了開關管的損耗，但 是在關斷過程中，開關管的主動關斷以及二極管的反向恢復，由于有寄生電感的 存在，會感應出過電壓，使得開關損耗增加以及開關管承擔更大的過壓風險【z 。 在短路和過載時，寄生電感的表現(xiàn)就更明顯，因此一般在硬開關電路中，寄生電 1 9 武漢理工大學碩士學位論文 感要求越低越好。功率模塊的內部寄生電感式用戶無法改變的，主要與功率模塊 的制造有關，良好的結構工藝和精湛的技術可以改善寄生電感。 i g b t 模塊在開關過程中電流上升時間極短，在納秒級內，會產生很強的電 磁干擾。干擾的程度主要與i g b t 寄生元件，還有電磁干擾在模塊內以及接口處 的傳播有關。 減少i g b t 內部干擾的方法有很多，主要有選擇合適的絕緣性材料、減小相 互耦合面積等等。 對地電流作為i g b t 的電磁干擾的另外一個因素，其影響也很大，即對地電 流；c f 幸咖f f 出，該電流主要由絕緣基片決定，其大小主要和i g b t 的集電極 和發(fā)射極的電壓波動有關，并流入保護地端子。 各種不同材質的基片材料具有不同的電容值，另外由于電介質常數(shù)和不同的 厚度對電容值也有影響。介質材料的標準厚度主要由導熱性能決定的，下圖為幾 種材料在標準厚度下的單位面積電容【2 2 1 。 3 。1 2 功耗的平衡 圖3 - 4 不同絕緣基片單位面積的電容 逆變電路中的功率損耗主要包括開關器件的損耗和續(xù)流二極管的損耗，這個 損耗有一種周期性，每一個過程中都有一定的損耗，因此總的損耗等于每個損耗 的和。在參數(shù)設計時，要考慮一過程的損耗都不能超過參數(shù)在設計之初的損耗， 不能單純只考慮總的損耗滿足在設定范圍之類。下圖列出來功率器件可能存在的 損耗。 武漢理工大學碩士學位論文 通態(tài)損耗 總功率 驅動損耗 斷損耗 圖3 5 開關管在開關過程中的損耗分布 i g b t 功耗是i g b t 設計時考慮的一個非常重要的參數(shù)，對于不同功耗的 i g b t 采取的散熱方式和驅動電路都有很大差別。 圖3 - 6 一個開關周期內的波形及開關損耗 根據(jù)公式r f 1 “t ) ( t ) d t 和上圖電流電壓特性曲線可以得到功耗 氣 r ；i c l xv c e 鮒t 1 i + 1 c 2 xv c e s a t 2 0 l ( 3 1 ) 3 2 驅動電路設計 3 2 1 柵極特性