1、電氣工程及其自動化專業 祝松濤摘 要本課題針對現有電磁爐功率小、穩定性差等缺陷，開展了基于半橋諧振電路電磁爐的關鍵技術研究。首先分析大功率電磁爐工作原理，確定了本課題采用電壓型串聯諧振電路形式，根據此電路形式設計了電路中各參數，包括IGBT的選型，諧振電感、電容的設計，并在此基礎上設計了以單片機為控制核心的IGBT驅動電路和智能保護電路。另外，為了電磁爐能夠并聯擴容，研究了IGBT的均流問題。最后，設計了基于網絡阻抗的動態負載模型并提出了電磁爐的自適應恒溫控制方法，實現了電磁爐的精確功率控制。關鍵詞 感應加熱；串聯諧振；功率模塊；電磁爐；動態負載Design and Control of th

2、e Induction Cooker Power ModuleElectrical Engineering and Automation Specialty ZHU Song-taoAbstract: This paper in view of the existing electromagnetic oven power small, poor stability and other defects, based on half-bridge resonant circuit of electromagnetic oven key technology research. First ana

3、lysis of large power electromagnetic oven working principle, determined that this issue is based on the voltage type series resonant circuit, this circuit was designed according to the circuit parameters, including IGBT selection, resonant inductor, capacitor design, and on this basis to design the

4、IGBT drive circuit and intelligent protection circuit. In addition, in order to electromagnetic stove capable of parallel expansion, studied the IGBT flow problem. Finally, based on the design of the network impedance dynamic load model and proposed the electromagnetic furnace adaptive constant temp

5、erature control method, the electromagnetic oven precise power control.Key words:Induction cooker; power module; IGBT driver; induction heating; dynamic load目錄1 引言11.1 課題研究的目的及意義11.2 國內外研究現狀11.3 本課題主要研究內容22 系統總體方案設計22.1 電磁爐的工作原理22.2 系統設計方案33 系統硬件設計43.1 電磁爐的主電路設計43.1.1 整流電路設計43.1.2 逆變電路設計53.2 電磁爐功率模塊

6、驅動電路設計73.2.1 IGBT特性及柵極驅動電阻的選擇73.2.2 驅動電路的設計及其優化83.2.3 IGBT的并聯應用103.3 電磁爐保護電路的設計114 電磁爐控制策略研究及軟件設計134.1 感應加熱基本原理134.2 動態負載模型研究144.3 基于動態負載的自適應恒溫控制144.4 控制軟件設計165 系統調試及分析185.1 系統整流部分調試及結果分析185.2 系統逆變部分調試及結果分析205.3 系統主電路部分調試及結果分析22結束語24參考文獻25致謝261 引言1.1 課題研究的目的及意義目前家用電磁爐在市場上已經有了廣泛的應用，但是大功率的電磁爐起步稍晚，主要受到

7、開關管的容量限制，隨著大功率開關器件的發展，很大的帶動了大功率電磁爐的發展。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、清潔衛生、無煙無火，能很好的改善廚房環境。另外，能源危機是任何一個國家不能避免的問題，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，順應時代的發展，響應節能減排的口號，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。電磁爐的熱效率高達90%以上，從成本上考慮，如果用電磁爐替換煤氣灶和柴油灶，一年可以為餐飲業節約營業額的5%左右，大大降低了成本。所以電磁爐的應用越來越廣泛。目前在

8、市場上大多是小功率的家用電磁爐，基本上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，隨著功率器件的日新月異的發展，各大廠家的大功率器件頻頻升級，而且穩定性越來越好，給大功率電磁爐的研發提供了很好的機遇。大功率電磁爐迅速發展，市場增幅很快，有很大的市場空間。但是，國內的大功率電磁爐在技術上還不成熟，穩定性差，返修率高，導致成本大幅增加。如果能在以上問題并能在技術上有所創新，那么大功率電磁爐的產業化道路指日可待，其商業前景不可估量。因此，研究大功率電磁爐意義重大。國內外研究現狀目前國內市場上的大功率電磁爐主要基于半橋串聯諧振電容設計，主要缺點是功率因素低、穩定性差。

9、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對電網產生較嚴重的影響，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IGBT的正常運行，大電流導致其發熱嚴重，多次諧波的影響容易導致其短路。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。隨著技術上的突飛猛進，以及產品維護上的日益完善，大功率電磁爐發展迅速，市場增幅快，特別是在商用領域，各廠家對其開發投入了大量的資金和科研隊伍，因此有著巨大的市場空間。所以對大功率電磁爐的研究具有很重要的價值，如果能解決技術和成本等問題，其商業前景非常可觀

10、。在功率控制方面，現在主流的產品還是采用的定頻控制，即不同的檔位對應不同的工作頻率。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，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。1.3 本課題主要研究內容本課題主要研究了大功率電磁爐逆變電路分析及參數確定、硬件死區電路、智能保護電路以及以單片機為控制核心的IGBT驅動電路和大功率電磁爐動態負載模型。主要包括:(1)逆變電路方案分析、參數設計：本課題采用的是逆變電路形式，

11、根據此電路形式設計了電路中各參數，包括IGBT的選型、諧振電感、電容的設計；并在此基礎上，設計了IGBT硬件死區電路和智能保護電路，保護開關器件。(2)IGBT驅動電路設計：介紹了一般驅動電路中應注意的參數和柵極電阻的選取，重點針對大功率電磁爐設計了優化的驅動電路，最后，為了電磁爐能并聯擴容，研究了IGBT均流問題。(3)控制策略研究及系統調試及分析：提出了基于網絡阻抗的動態負載模型，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精確功率控制。并設計了控制軟件，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。最后對系統進行調試及結果分析。2 系統總體方案設計2.1 電磁爐的工作原理

12、電磁爐采用的是感應加熱原理，通過電子線路板組成部分產生交變磁場，當用含鐵質鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生交變的電流，渦流使鍋具鐵分子高速無規則運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能使器具本身自行高速發熱，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的。 圖1電磁爐的工作流程圖如圖1電磁爐工作流程可知，電磁爐主電路為交流-直流-交流變換電路，三相的交流電經過不可控整流橋和LC濾波電路后變成直流電壓，然后經過半橋諧振電路產生高頻的交流電，其頻率在18kHz-40kHz，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。2.2 系統設計方案本課題主要以大功率電磁爐為研

13、究對象，對電磁爐主電路部分和控制電路部分進行了設計，包括整流電路、逆變電路和控制保護電路。設計了優化的驅動電路，提出了基于動態負載的自適應恒溫控制，實現了精確的功率控制。并對系統相應部分設計了軟件和調試結果分析。電磁爐系統結構框圖如圖2所示，主要有整流模塊、逆變模塊和控制及保護模塊組成。本課題主要設計了整流電路、逆變電路、驅動電路、智能保護電路、電壓電流檢測電路和溫度檢測電路等。其中逆變電路和智能保護電路是設計的重點，分析逆變電路的工作流程，進而了解電磁爐的工作情況，設計保護電路，能夠有效保證系統的正常運行。圖2 電磁爐的系統結構框圖3 系統硬件設計3.1 電磁爐的主電路設計本課題研究開發的大

14、功率電磁爐主電路主要有整流模塊（AC-DC模塊）和逆變模塊（DC-AC模塊）兩部分組成，其設計圖如圖3所示：圖3 大功率電磁爐的主電路整流電路設計整流模塊將三相交流電變成穩定平滑的直流電源，主要由抑制電磁干擾濾波器、整流橋、LC平波電路組成。電磁爐本身就是一干擾源，在大功率電磁爐電路中，三相整流橋模塊，高速IGBT模塊的應用會產生大量電磁干擾信號，這些干擾信號會影響到其他電路及電網中其他設備的正常運行，同時也會影響到電網的用電安全。如圖4所示，其中L1，L2，L3為共模扼流圈，由于它的兩個線圈匝數相等，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

15、信號，能夠得到一個大的電感量呈現高阻抗，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。圖4抑制電磁干擾濾波電路在共模扼流圈兩端分別有三組電容接到中線，在每個電容上并聯一個大電阻用來吸收靜電。CY1、CY2、CY3并接在相線和大地之間。當差模噪聲經電源線A相時，分別經CX3和L1、CX6返回中性線N，并得到衰減，減小干擾。共模噪聲是從電源線ABC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L1、CY3入地，信號通過共模電感線圈L1時，因產生的磁場方向相同而受到急劇的衰減，然后經CY3入地，從而抑制了電網對設備的干擾。逆變電路設計逆變模塊的設計包括諧振電路的設計，本課題采

16、用的是電壓型串聯諧振電路，諧振電路的設計則主要為諧振電容和諧振電感的參數設計以及IGBT的選型。開關管的峰值電壓：=V。一般取實際值的2-3倍為IGBT的額定值，所以選取IGBT耐壓值為1200V。考慮到電網電壓的波動，輸入電壓V=2.34U(1-10%)=463V，逆變電路的基波分量v=/=208V。諧振電路中電流的最大有效值：I=18000，IGBT的峰值電流為：I=110A。考慮IGBT的安全性選用額定電流為200A，最后選定的是歐佩克FF200R12KS4。串聯諧振電路輸出電壓的有效值為：V根據串聯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=VQ，Q為負載的品質因數，一

17、般取5，有： V=V51148V，由電容上的電壓和電流可以得到容抗為：X=，再由X=，所以，C=1/(214.7)。逆變器的工作頻率在18kHz35kHZ，再經過實際工程調試，最后選擇由7個、1600V的高頻電容器并聯成。諧振電路的電感參數包括線圈盤的電感、鍋具等效電感，有：L=130uH。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為90uH。在本課題研究中，考慮到大功率電磁爐運行的特點，采用了單相半橋電壓型逆變電路作為大功率電磁爐的逆變電路。開關器件V1和V2的柵極信號在一個周期內各有半個周期正偏，半個周期反偏，且考慮到大功率開關器件的開通和關斷延時，防止上下橋臂直通

18、，兩開關器件的驅動信號之間設有死區時間，保證同一橋臂的上(下)管己經完全關閉后，下(上)管才能開通。大功率電磁爐主電路的工作過程可以分成四個階段，各階段的等效電路如圖5所示。在本文中，研究一個工作周期的情況。定義主開關V1開通的時刻為t0。(1)t0，t1階段：在t0時刻，開關器件V1導通，V2關斷，在直流電壓的激勵下，電感中電流增大,通過電磁感應將電能傳給鍋具，使鍋具加熱，同時將部分能量儲存在電感中。其電流方向如圖5(a)所示。(2)t1，t2在t1時刻，開關器件V1關斷，但由于死區時間的存在，V2也關斷，感性負載中的電流不能立即改變方向，于是VD2導通續流，電流逐漸減小，電感釋放能量，在電

19、流未到零之前電流方向不變。其電流方向如圖5(b)所示。圖5電磁爐逆變電路各階段工作等效圖(3)t2，t3在t2時刻，開關器件V2導通，V1關斷，在電感電流到零后，電感電流改變方向，電流反向增大，通過電磁感應將電能傳給鍋具，使鍋具加熱，同時將部分能量儲存在電感中。由于續流過程的存在，開關器件v2在零電壓(ZVS)下開通，減少了器件的開關損耗。其電流方向如圖5(c)所示。(4)t3，t4在t3時刻，開關器件V2關斷，由于死區時間的存在，V1也關斷，感性負載中的電流不能立即改變方向，于是VDI導通續流，電流逐漸減小，電感釋放能量，在電流未到零之前電流方向不變。其電流方向如圖5(d)所示。從t4時刻開

20、始，又開始一個新的周期，重復上述過程。3.2 電磁爐功率模塊驅動電路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，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。本節重點研究了IGBT的特性、功耗、驅動電路及其并聯應用。IGBT特性及柵極驅動電阻的選擇IGBT模塊的特性對其使用有著重大意義，了解IGBT模塊的特性，有利于更好的設計IGBT驅動電路和保護電路。IGBT作為電壓驅動器件，寄生電容存在于各端子間，因此在開通或者關斷的時候電容都會充放電。 IBGT一般應用在大電壓、大電流的強電電路中，開關頻率很大，因此開通和關斷時電流變化很大，會引起較大的浪涌電壓。IGBT

21、的安全保護特別重要，特別是靜電防護，一般柵極一發射極所加的電壓不能高于驅動電壓太多，而且柵極發射無電壓時，不能在集電極和發射極間加電壓。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IGBT模塊內部的低電感設計。圖6中的電感為兩單元IGBT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。圖6 IGBT模塊寄生電感圖7 開關管在開關過程中的損耗分布L為柵極寄生電感;L為上IGBT集電極寄生電感;L為上IGBT發射極與下IGBT集電極之間的寄生電感;L為下IGBT發射極寄生電感。在開關管開通的過程中，由于有L、L的存在，降低了開關管的損耗，但是在關斷過程中，開

22、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。在短路和過載時，寄生電感的表現就更明顯，因此一般在硬開關電路中，寄生電感要求越低越好。功率模塊的內部寄生電感是用戶無法改變的，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。IGBT功耗是IGBT設計時考慮的一個非常重要的參數，對于不同功耗的IGBT采取的散熱方式和驅動電路都有很大差別。逆變電路的損耗主要有靜態損耗、開關損耗和驅動損耗。圖7表示出功率器件可能存在的損耗。對于IGBT的控制都是通過控制IGBT柵極來得到的，通過柵極電壓的控制來實現IGBT的

23、開通和關斷，通常有以下三種形式:電阻控制、電壓控制和電流控制。目前最為流行的方法是用電阻控制柵極電容充放電完成對IGBT的開關控制，其優點是可以通過控制柵極電阻的大小來改變充放電的速度，可以根據不同的開關器件、不同的應用電路選擇不同的柵極電阻。但是這種電路也有一個缺點就是在開關過程中會出現米勒平臺，主要產生原因是柵極電阻和寄生電容充放電過程中，寄生電容在很短一段時間內會等效無窮大，導致柵極電壓有很短一段時間會是保持狀態，一般來說這種狀態不會影響正常運行，但是柵極電阻不能取太大，否則會影響IGBT的開通。柵極電阻的作用是限制柵極電流，使得IGBT等效寄生電容能夠平滑的充放電，理論上，柵極電阻越大

24、越好，但是過大的柵極電阻會增加IGBT的功耗，同時會引起柵極電壓震蕩，影響IGBT開通關斷，因此在實際應用中要合理使用。驅動電路的設計及其優化本課題采用的驅動電路主要是基于日本富士芯片EXB841上設計的，此集成芯片有如下性能特點：(1)能提供4A柵極驅動電流；(2)供電電壓為24V，分為+15V和-5V；(3)控制信號電流大小為If=10mA；(4)最大開關頻率可達40kHz；(5)內部帶有短路、過流保護；(6)IGBT內部過流后有自動關斷功能；EXB841電路原理圖如圖8所示，其工作過程可分為以下幾個階段：圖8 EXB841電路原理圖(1)正常開通：當給控制角14角和15角同有10mA電流

25、時，三極管VT1和VT2截止，VT4導通、VT5截止，電源通過VT4和柵極電阻使IGBT在1us內導通，同時電源對C2充電，B點電位被提升，由于VD7的作用使得B點和C點的電壓在8V左右，13V的穩壓管不會導通，VT3截止，短路反饋信號5角不輸出保護信號。(2)正常關斷：當不給14角和15角信號時，VT1和VT2導通，VT4截止、VT5導通，IGBT通過柵極電阻和VT5快速放電，在柵極寄生電容放電完成后，IGBT關斷，同時IGBT集電極和發射極間電壓上升，VD7的作用使得C點電壓不會太高，同時VT1的導通C點電壓降為0V，ZD1不會導通，E點仍為高，IGBT可靠關斷。(3)短路保護：在感應加熱

26、中，IGBT極易受到干擾，所以就要求驅動電路有自我保護IGBT的功能，在IGBT短路時能強制關斷IGBT，避免其燒毀。EXB841內部有短路保護功能，其工作過程具體如下:在IGBT短路時，上升，VD7截止，B點和C點電位由電源通過R3向其充電，直到大于13V，然后ZD1導通，VT3隨之導通，E點電位迅速下降，D電位隨之下降，然后VT4截止，VT5導通，IGBT通過柵極電容放電，從而關斷，達到保護的目的。在實際工程應用中發現EXB841的內部穩壓管ZD2由于功率不夠，經常被擊穿，致使IGBT不能關斷，導致其燒毀，所以在設計中可以對其改進，經過多次實驗，最后采用外部穩壓管來代替內部的穩壓管，這樣不

27、僅提高了穩壓管的功率，而且外部器件更容易更換，給維修帶來了很大的便利。其電路圖如圖9所示。圖9優化驅動原理圖針對半橋諧振電路，設計中采用2個獨立的驅動模塊分別驅動上下半橋的開關管，并且每個獨立模塊采用獨立24V電源供電，防止半橋中點浮點電位對驅動模塊的影響。對于300A的IGBT，-5V的關斷電壓太低，不能迅速可靠的關斷，因而采用+16V的開通電壓和-8V的關斷電壓，外部通過穩壓電源LM7808來提供負壓，不使用內部過流能力較小的5V穩壓二極管。另一方面在EXB841輸出短路保護信號時候，通過光電隔離將此過流信號發送到單片機的中斷響應，來關斷PWM信號，整個處理時間能夠在10us內完成，小于I

28、GBT能夠承受大電流的時間，能夠起到有效保護IGBT的目的。IGBT的并聯應用大功率電磁爐功率需求越來越大，對IGBT的額定電壓、額定電流性能指標提出了更高的要求，單個IGBT的額定參數很難滿足需要，主要表現在過電流能力上，多個IGBT并聯已經越來越廣泛，并且在散熱、布局方面、電流負溫度系數多個方面，IGBT并聯有更大的靈活性，在IGBT并聯后具有更大的過流能力，同時保證更高的穩定性。但是IGBT并聯也有其不足之處，主要表現在均流問題上，元件的布局、電路環境的干擾、元器件之間的個體差異都會影響均流。在嚴重的情況下，由于均流問題很容易使IGBT全部燒毀，導致惡劣的后果，另一方面，IGBT并聯的過

29、流能力不能單純為兩個參數幾何累加，一般小于單個的兩倍。 IGBT并聯不均流原因，從內部特性講主要有動態特性、靜態特性的影響。動態特性主要與開關器件開關延時、寄生電感等有關，靜態特性主要與導通壓降有關，這些因素都會導致IGBT并聯不均流。靜態因素的影響主要是因為在導通時，發射極和集電極壓差不一樣導致輸出特性不一致。IGBT動態特性的影響主要表現為溫度特性、柵極電阻、電流特性轉移曲線、寄生回路參數等，這些都不是一個確定的參數，在IGBT工作的過程中動態的發生變化，從而影響多管的分流作用。在大功率電磁爐中，我們將多個功率模塊進行并聯，從而達到功率疊加的目的，應用多個模塊可以方便安裝，即插即拔，可以根

30、據需求組裝以達到理想的功率。如圖10所示：圖10電磁爐多模塊并聯結構圖為解決IGBT動、靜態特性引起的均流不平衡問題，本課題采用的是柵極電阻補償法，此方法實際應用起來較容易，只需對柵極驅動電阻進行阻值的改變，無需額外的復雜電路。3.3 電磁爐保護電路的設計在大功率電力電子設備中，對大功率電力電子器件的保護電路設計至關重要。由于大功率電磁爐工作的環境惡劣，保護電路設計的優劣直接關系到產品的質量、安全、穩定和產品的使用壽命。在出現過流、過壓、過溫時，在電力電子器件允許的過流、過壓、過溫時間內，應及時關斷大功率開關管IGBT的驅動信號，使開關管處于關斷狀態，防止開關管IGBT的損壞。由于采用IGBT

31、半橋逆變方式進行功率輸出，所以必須考慮防止橋臂上、下管同時導通情況。為此，設計了硬件死區控制電路，所謂硬件死區電路就是由硬件延時電路來讓PWM信號帶有死區功能，避免了微控制器在受到干擾下輸出錯誤信號，而造成兩個IGBT同時導通，導致短路燒毀IGBT。另外，為防止IGBT模塊過流甚至是短路現象的發生，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定性。硬件死區電路能夠很好的保護半橋電路的上下開關管不會出現同時導通的情況，可以有效保護IGBT。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、軟件程序控制不當等，硬件死區電路有著軟件所沒有的穩定性，有助于提高系統的穩定性。硬件死區

32、電路的原理主要是通過非門電路和RC延時電路組成，將一路PWM信號分成兩路，然后分別對兩路PWM信號進行上升沿延時，就得到了兩路互補的PWM信號，即兩路存在死區的PWM信號。其電路原理圖如11所示。圖11死區控制電路原理圖首先單片機發送一路PWM，此信號經非門U1A和U1B成兩路互補PWM信號，PWM信號經過RC時，如果PWM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PWM信號是下降沿，由于與門一端輸入為低，所以輸出也為低，低電平沒有延時。兩路PWM信號分別經RC電路進行上升沿跳轉延時，然后輸出帶死區的兩路PWM

33、波形。 為了有效保護IGBT的正常運行，對其保護措施必不可少，主要是過流、過壓的保護，當出現意外情況時，就必須立即關閉IGBT驅動信號。其原理圖如12所示。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PWM輸出，此時IGBT驅動模塊就不會繼續輸出，系統停止工作。圖12 過流、過壓快速保護原理圖在硬件上檢測到過壓、過流信號后，封鎖驅動信號，關閉驅動模塊，但是系統的主控系統仍然在工作，所以同時要在軟件上也停止輸出PWM信號，這樣整個系統才停止工作，有效保護了IGBT。4 電磁爐控制策略研究及軟件設計電磁爐負載如果從電

34、磁學的角度來分析，不僅會有很多變量，而且模型受鍋具的形狀位置等因素影響，分析起來非常復雜，本章從負載的等效模型著手，研究能反映負載變化的動態模型，并且采用自適應恒溫控制算法，實現了精確火力控制，最后設計了系統的控制軟件。4.1 感應加熱基本原理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因，導體的發熱量變大。

35、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。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。由于電阻的熱效應，使導體材料發熱，利用渦流感應的熱效應進行加熱，叫感應加熱。根據安培定則、法拉第電磁感應定律和集膚效應，有交流電經過的線圈會產生交變的磁場，當一個導體放入其中時，導體的表面會產生渦流，渦流在物體的表面產生熱量，達到加熱的目的。感應加熱的等效模型與變壓器類似。圖13(a)是變壓器的基本形式，原邊N1，副邊NZ。圖1

36、3(b)為感應加熱等效模型，可以看成由變壓器原邊、副邊組成的一個簡單系統。根據法拉第電磁感應定律，交流電通過線圈時，線圈周圍產生交變的磁場，變化的磁場導致變化的磁通，從而在導體內產生感應電動勢，導體表面產生渦流。圖13變壓器等效電路與次級短路等效電路當感應線圈匝數為N1、通以交變的電流I1時，線圈內部會產生磁通，負載導體中產生感應電勢e，導體表面會產生渦流i。根據電磁方程式，感應電動勢為：e=-*，N2是工件等效匝數，則有：=sin。則感應電動勢e為：e=-N2*=-，有效值E為： E=。負載導體中產生感應電流(渦流)I2，加熱工件，其頻率與感應線圈通過的電流頻率相同，I2使導體負載內部開始加

37、熱，根據感應加熱原理，其焦耳熱為：Q=CIR*t。由此可見，感應加熱的原理與一般電氣設備中產生渦流的原理是相同的，但是一般電氣設備中渦流產生的熱量屬于能量的浪費，而感應加熱卻是利用渦流進行加熱的。感應加熱通過線圈把電能傳遞給金屬導體，然后電能在金屬導體內轉變為熱能。感應線圈與被加熱金屬導體并不直接接觸，而是通過電磁感應傳遞能量的。4.2 動態負載模型研究感應加熱影響負載的因素很多，比如工作頻率、溫度、鍋具距離、鍋具材質形狀等，如果將這些參數都包含在建立的模型中，勢必會使模型非常復雜，而且鍋具距離、材質等因素一般都是確定的，因此本模型主要是基于工作頻率建立的動態模型。為了能得到能夠反映負載的動態

38、性能，根據阻抗網絡理論，采用多組并聯電阻電容串聯成一個阻抗網絡，在這個網絡中有n級RL并聯形式，級數越高，動態性能越好，如下圖14所示。圖14(a)是并聯式的阻抗網絡，圖14(b)是串聯式的阻抗網絡，考慮的負載磁場的飽和因素和非線性因素選擇圖14(b)串聯形式的阻抗網絡更好。圖14阻抗網絡模型4.3 基于動態負載的自適應恒溫控制大功率電磁爐一般采用定頻率控制策略，即不同的檔位對應不同的工作頻率，因此在實際應用中，電磁爐輸出功率會隨著工作頻率的不同而波動。另外，火力控制的最終對象是鍋具溫度，如果持續功率輸出，鍋具在炒菜、燒油等環境中溫度會持續上升，當超過廚師想要的溫度時，既浪費了能量，又對被加熱

39、食物不利。本系統采用自適應恒溫的火力調節控制器，首先通過判斷鍋具中心的加熱溫度。在鍋底溫度未達到設定溫度時，執行控制器1，采取恒功率輸出策略，控制器1輸入為逆變器工作頻率，輸出為功率，模型為動態負載阻抗模型。當鍋底溫度上升到設定溫度時采取恒溫控制策略，執行控制器2，控制器2為基于溫度的PI控制，輸入為逆變器工作頻率，輸出為鍋底溫度。不管鍋具發生什么變化、被加熱食物為何種類，也無論電網如何波動，電控系統將直接根據反饋的溫度信號，參比廚師檔位設定溫度，自適應的改變PWM控制脈沖，控制加熱線圈的輸出功率，實現精準的恒溫控制。其控制系統結構圖如15所示： 圖15 基于自適應恒溫控制系統結構圖 其控制思

40、路是:每個檔位對應一個有“限溫模式”的恒功率輸出控制，考慮到中國廚師的炒菜習慣，本課題設計16千瓦電磁爐的1檔功率為3千瓦、恒溫控制在巧0，2檔功率6千瓦、恒溫控制在200，3檔功率9千瓦、恒溫控制在230，4檔功率12千瓦、恒溫控制在250，5檔功率16千瓦、恒溫控制在300。在鍋具溫度未上來之前，通過控制器1進行恒功率控制。控制器根據所建立的動態負載阻抗模型，根據設定的功率，輸入相應的PWM脈沖控制的頻率。當溫度達到相應檔位設定的溫度值時，恒功率控制將自動切換成恒溫控制。單片機實時采集鍋底溫度信號，利用實際鍋底溫度和設定溫度的偏差通過Pl控制器2控制加熱線圈的輸出功率，以間接的調節鍋底溫度

41、，此時PWM控制脈沖頻率自適應的跟蹤溫度變化，實現精準的溫度控制。采用智能自適應精確火力控制技術，通過大量測試，確定電磁爐功率和鍋具溫度之間數學模型，根據每個檔位設定的功率給出工作頻率，當鍋具溫度達到設定之后，通過反饋的溫度實行PI控制，如果鍋具溫度超過設定值，電控系統將自動改變PWM控制脈沖，調節逆變模塊IGBT的工作頻率，使鍋底溫度自適應的跟隨檔位給定的溫度，精確控制每個檔位的加熱火力，降低電磁爐的輸出功率，使電磁爐的火力控制更加精確并且節能。4.4 控制軟件設計大功率電磁爐程序主要包括：初始化子程序；數據采集子程序；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

42、如圖16所示：圖16 主程序系統框圖圖17 軟件保護流程圖在完成各個模塊的初始化之后，進入一個while(l)的循環程序中，首先是AD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、IGBT和鍋底溫度的采樣;接下來進入讀檔位子程序，根據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，則軟件不會根據檔位來給定功率。然后進入保護控制子程序，根據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行關機程序。在關機程序中并不是

43、瞬間關閉，而是升高頻率到30kHz，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IGBT。如圖17所示。在功率控制子程序中，是首先發送固定PWM頻率24kHz，然后判斷直流母線上電流的大小，大于IA則說明有負載，再根據檔位要求電流大小改變頻率。16KW電磁爐從1檔到5檔頻率變化從40kHz到18kHz，所以選擇24kHz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300ms延時，即定時器周期寄存器每300ms才能改變一次。如圖18所示。圖18 功率控制子程序在電磁爐使用過程中，廚師經常會將鍋具抬起，會造成兩大影響，第一，頻繁的抬鍋會使負載變化，加大和，造成較大干擾;第

44、二，在抬鍋后，若果系統不關閉IGBT驅動模塊，會有較大能量浪費。因此，電磁爐檢鍋程序的軟件設計顯得尤為重要。鍋具檢測流程圖如圖19所示。圖19 鍋具檢測流程圖檢鍋程序和系統的穩定工作和節能息息相關，如果系統發現，鍋具拿開，則應迅速關閉IGBT驅動模塊，停止工作，避免電能浪費和巨大的電磁干擾本課題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IGBT驅動模塊，使系統停止工作。首先，軟件沒隔一段時間就發送一段時間發送PWM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1A，則說明現在無鍋。間斷時間為每2s發送50ms的PWM信號，發送PWM的頻率高于

45、諧振點，發送的功率較小，即所謂的較低功耗的鍋具檢測。在判斷無鍋后，主動系統控制蜂鳴器發出無鍋提示，在持續1分鐘后，如果依然沒有檢測到鍋，則系統進入休眠待機狀態。5 系統調試及分析5.1 系統整流部分調試及結果分析根據系統整流部分的電路原理圖，利用MATLAB軟件構建整流模塊的模型圖及其在不同負載下的仿真結果分別如圖20和圖21所示：圖20系統整流電路仿真模型圖圖21（a）純電阻負載時整流器輸出電壓波形圖21（b）感性負載時整流器輸出電壓波形圖21（c） 容性負載時整流器輸出電壓波形從仿真結果圖可以看出，在不同負載的情況下，三相不可控整流電路的輸出電壓是不同的。純電阻負載時整流器輸出電壓波形如圖

46、21（a）所示，電壓值經過震蕩之后穩定在510V左右，當是感性負載時整流器的輸出電壓平均值是510.5V，和純電阻負載時大致相同，如圖21（b）所示，而當負載中接入電容時整流器的輸出電壓平均值可以達到1018V，結果如圖21（c）所示。由此可以看出：整流器的輸出電壓波形隨著負載的不同而不同。當負載側接有電容時，整流器輸出電壓最大值可以達到1020V左右，其小于IGBT1200V的耐壓值，系統可以正常運行，也可以滿足電磁爐的功率要求。5.2 系統逆變部分調試及結果分析根據系統逆變部分的電路原理圖，利用MATLAB軟件構建逆變模塊的模型圖及IGBT在不同頻率（f=18kHz-35kHz）的脈沖信號

47、驅動下的仿真結果分別如圖22和圖23所示： 圖22系統逆變電路仿真模型圖圖23（a）f=18kHz時的仿真結果圖圖23（b）f=25kHz時的仿真結果圖圖23（c）f=35kHz時的仿真結果圖從仿真結果圖可以看出，在IGBT驅動信號脈沖頻率不同的情況下，逆變電路的輸出電壓和電流是不同的。當f=18kHz時逆變器的輸出波形如圖23（a）所示，輸出電壓峰值可以達到1557V，輸出電流峰值達到106A,當f=25kHz時逆變器的輸出電壓峰值是810V，輸出電流峰值為50A，如圖23（b）所示，而當f=35kHz時逆變器的輸出電壓峰值僅為625V，輸出電流為30A,波形圖如圖23（c）所示。由此可以看

48、出：在逆變器工作頻率內其輸出電壓和電流峰值的大小隨著驅動信號頻率的遞增而逐漸降低。所以，根據電磁爐不同的功率要求加載不同的驅動信號頻率，設置不同的功率檔位，從而實現精確的功率控制，節約能源。5.3 系統主電路部分調試及結果分析根據系統主電路部分的電路原理圖，利用MATLAB軟件構建主電路部分的仿真模型圖及其輸出波形圖分別如圖24和圖25所示：圖24 系統主電路仿真模型圖圖25（a）系統主電路仿真結果圖（f=18kHz）圖25（b）系統主電路仿真結果圖（f=25kHz）圖25（c）系統主電路仿真結果圖（f=35kHz）圖溫度檢測電路圖電壓采樣電路圖電流采樣電路結束語本課題主要設計了基于半橋諧振電路的電磁爐系統。首先根據電磁爐工作原理和課題要求，設計了合理的硬件電路和控制方式，并在此