电磁炉主电路设计与仿真.doc
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潍坊学院本科毕业设计(论文)
目录
第一章前言 1
1.1课题背景 1
1.2电磁炉简介 1
1.2.1电磁炉的基本工作原理 1
1.2.2电磁炉的基本组成 2
1.2.3电磁炉的优缺点 2
1.3本章小结 3
第二章电磁炉的加热原理 4
2.1电磁炉加热的基本工作原理 4
2.2电磁感应加热的技术 4
2.3串联、并联谐振逆变器的负载拓扑结构及优缺点 6
2.4感应加热电源的负载等效模型 8
2.5本章小结 14
第三章电磁炉主电路设计 15
3.1电磁炉主电路拓扑结构 15
3.2电磁炉主电路的工作过程 15
3.2.1主开关导通阶段 17
3.2.2谐振阶段 17
3.3本章小节 21
第四章主电路的Multisim仿真 22
4.1Multisim简介 22
4.2主电路的multisim仿真 23
4.3本章小结 25
第五章结束语 26
参考文献 27
致谢 28
27
摘要:
本文研究的重点是:
首先简要说明电磁加热系统的基本工作原理与结构,分析了并、串联谐振逆变器的负载特性及控制目标。
根据软开关控制的要求选择设计方案,利用Multisim10仿真软件对电磁炉主电路进行仿真设计,给出不同负载状态下的仿真结果,验证理论的正确性,为正确选择电路参数提供可靠的实验数据。
设计应用于电磁感应加热的谐振式逆变电路。
论文由电磁炉的概述、电磁炉的基本工作原理、电磁感应加热电路设计、电磁炉主电路设计及仿真及结果分析与总结构成。
电磁炉的概述包括电磁炉基本原理、电磁炉的组成、电磁炉的优缺点等内容。
电磁感应加热电路设计包括电磁炉的加热原理、串并联逆变电路的等电路设计。
电磁炉主电路设计包括电磁炉主电路拓扑结构、电磁炉主电路的工作过程等内容。
通过对样机的反复试验,系统运行可靠稳定,最后本文对其进行了仿真。
在本论文里利用频率调制方法,系统的工作频率在一定程度上跟随谐振频率,从而来使电磁感应加热系统的运行效率达到最佳状态。
关键词:
电磁感应加热,并联谐振,Multisim10,软开关技术
ABSTRACT:
Thispaperisfocusedon:
first,abriefdescriptionofthebasicworkingprincipleandstructureofelectromagneticheatingsystem,analyzedand,theseriesresonantinverterloadcharacteristicandcontrolofthetarget.Chooseadesignbasedonsoftswitchcontrolrequirements,usemultisim10emulationsoftwareforsimulationanddesignofmaincircuitofinductioncooker,giventhedifferentloadingconditionsofsimulationresultstoverifythecorrectnessofthetheory,providereliabledatafortheproperselectionofcircuitparameter.Designofresonantinvertercircuitforinductionheating.Papersfromthebasicworkingprincipleforanoverviewofinductioncooker,electricoven,electromagneticinductionheating,electricstovedesignofmaincircuitofCircuitDesignandsimulationandanalysisoftheresultsandsummaryform.Includesanoverviewofbasicprinciplesofinductioncookerinductioncooker,electricoven,electricstovesuchastheadvantagesanddisadvantagesofthecompositionofthecontent.Heatingprincipleofelectromagneticinductionheatingcircuitdesignincludinginductioncooker,aseriesofparallelinvertercircuitdesign.Maincircuittopologyofmaincircuitdesignincludingininductioncookerinductioncooker,electricovenmaincircuitoftheworkprocess,andsoon.Bytrialandprototyping,reliableoperatingsystemstability,andfinallyThisarticlelistssomeoftheexperimentaldata.ElectricalCharacteristicsofheatingloadchangewithtemperaturechanges.Thispaperusesfrequencymodulationmethod,whichenablesthesystemoperatingfrequencyresonancefrequencyintherangemustbefollowed,therebyensuringtheoperationalefficiencyofelectromagneticheatingsystemforthebest.
KEYWORDS:
Electromagneticinductionheating,shuntresonance,Multisim10,soft-switchingtechnique
第一章前言
1.1课题背景
电磁炉作为一种新型的厨具。
它采用电磁感应电流(又称涡流)的加热原理打破了传统的明火烹调方式,电磁炉的交变磁场是通过电子线路板组成部分来产生、当用含铁质锅具底部放置炉面时,锅具即切割交变磁力线的交变的电流(即涡流)在锅具底部金属部分产生,电磁感应电流使锅具铁分子无规则高速运动,其热能是因为分子相互碰撞、摩擦产生(故电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具,所以热效率要比所有饮具的效率均高出近1倍)来实现器具本身自行高速发热,用来加热和烹饪食物,从而达到煮食的目地。
1.2电磁炉简介
1.2.1电磁炉的基本工作原理
电磁炉主要由交流进线电路、电源电路、LC振荡电路、功率控制电路、整流电路、EMC防护电路、滤波电路、同步电路、控制及显示电路、电压检测电路、锅具检测电路、过零检测电路、电流检测电路、主控CPU电路、高低压保护电路、IGBT模块等组成。
图1.1为电磁炉的工作原理框图
图1.1电磁炉的工作原理框图
1.2.2电磁炉的基本组成
1.加热部分:
电磁炉有搁板在锅体下面,也有励磁线圈。
对锅体进行加热是根据电磁感应产生涡电流。
2.控制部分:
主要有电源开关,功率选择钮,温度调节按钮等。
由内部的控制电路来控制。
3.冷却部分:
采用风冷的方式。
炉身的侧面有进风口和出风口,内部有风扇。
4.电气部分:
由整流电路、逆变电路、控制回路、继电器、电风扇等组成。
5.烹饪部分:
主要包括各种炊具,供用户使用。
1.2.3电磁炉的优缺点
电磁炉作为一种新型的厨具,具有以下优点。
1.高效节能:
电磁炉降低了损耗,是因为其使锅具自身发热,大大提高了热效率,热效率可达到85%~99%,与传统加热方式不同,与电炉、液化气炉等炉具相比,节省了大量的能源。
如图1.2所示
2.智能烹饪:
智能控制是利用单片机进行,无须看管,具有定时预约功能,来实现自动烹饪的功能。
3.安全可靠:
通过了国家安全验证,使用安全可靠。
4.环保卫生:
锅具可实现自身发热,不会产生热辐射,并且不排放烟尘和一氧化碳等废气,使烹饪环境更加环保卫生。
5.携带方便:
重量轻、体积小,便于携带。
但电磁炉不仅会产生一定的电磁干扰在其工作时,而且其散热系统也会产生一定的噪声。
图1.2电磁炉等厨具的热效率对比示意图
1.3本章小结
本章主要对电磁炉就行简要介绍,电磁炉作为市场的一种新型厨具。
它采用电磁感应电流(又称涡流)的加热原理打破了传统的明火烹调方式,又简单介绍了电磁炉的基本工作原理框图、电磁炉的基本组成以及通过各种厨具的比较来简单介绍电磁炉的优缺点。
第二章电磁炉的加热原理
2.1电磁炉加热的基本工作原理
电磁炉采用电磁场感应涡流加热原理工作。
它先通过整流滤波把220V工频交流电变成直流电,再通过逆变把直流电转换成高频交变电流,流过感应线圈的交变电流产生强大磁场,它会产生无数小涡流在磁场内磁力线通过铁质锅的底部时,电磁感应使锅具铁分子无规则高速运动,由于分子的相互碰撞、摩擦而产生热能,而使锅具本身自行高速发热,用来加热和烹饪食物。
电磁炉的加热工作原理如图2.1
图2.1电磁炉的加热工作原理
2.2电磁感应加热的技术
现阶段普遍为电热圈发热,把热量传到料筒上利用传导的方式,这样只能使内侧的热量传导到料筒上,存在热传导损失,大部分外侧的热量失散到空气中,导致环境温度上升,它还有一个缺点功率密度低,无法适应一些需要温度较高的场合。
电磁加热技术是使金属料筒实现自身发热,根据其具体情况在料筒外部包裹一定的隔热保温材料,这样可以大大降低热量的损失,提高热效率,使热效率达96%以上,因此节电效果十分显著,其可达30%以上,并且其加热速度也大大提高,大约为60%,其预热时间大大节省。
电磁感应加热技术被称为诱导加热技术,它的英文为:
InductionHeating,其缩写为:
IH。
它是一种新开发的电能利用手段,它的加热过程是通过电磁场直接作用于被加热的导体,其加热效率比传统的加热方式要高很多,可达到90%以上。
另外在使用寿命、安全性能等方面都具有独特的优势,是根据电磁感应加热技术与传统的油、气、煤和使用电热管的用电设备相比而言的。
在导体外面绕一线圈,设其匝数设为,当在交变电流通入线圈中后,就会产生相同频率的交变磁通ø通过感应线圈中,以及在金属工件中就会有感应电动势e产生。
如
图2.2所示
图2.2电磁感应示意图
设金属工件的等效匝数为,故MAXWELL的电磁方程式为:
(2-1)
设交变磁通为,则
(2-2)
感应电动势的有效值为:
(2-3)
此感应电动势在工件中使工件内部加热是感应涡流的产生I,其焦耳热为:
(2-4)
其中:
I——感应电流的有效值,单位为A;Q——感应电流通过电阻产生的热量,单位为J;t——工件通电的时间,单位为S;R——工件的等效电阻,单位为。
由公式(2-3)和(2-4)可以看出,e及P与交变磁通的频率和磁场强度有关,在感应线圈中通过的电流越大,其产生的感应磁通量就越大,故为使金属工件中的感应涡流加大可以通过提高感应线圈中的电流值来实现;另外为使工件中的感应电流加大可以在一定条件下通过来提高工作频率来实现,从而可以使工件的发热效果得到提高。
由此可以看出电磁感应加热的发热效率不仅与频率和磁场强度,金属工件大小,截面积的形状有关,而且还与工件本身的导电等特性有关。
电磁感应加热的过程是,首先把电能转化成磁能通过感应线圈来实现,产生同频率交变的电动势E,交变电动势E作用于金属工件后,形成闭合回路。
在工件中产生电流,从而把磁能转换成电能。
然而涡流可能很大因为块状金属的电阻一般较小,所以在金属内流动时就会释放出大量的热能。
这样,又可以实现电能转化成金属工件的内能,从而达到加热的目的。
在电磁感应加热过程中能量转化关系如图2.3所示:
电能
磁能
电能
内能
电流磁效应
感应电流
电流热效应
图2.3感应加热能量转化图
2.3串联、并联谐振逆变器的负载拓扑结构及优缺点
高频感应加热电源的负载都是功率因素很低的感性负载,可以等效成一个电感和一个电阻串联或并联的形式。
等效的电感、电阻其值受耦合程度的影响,它是感应器和负载耦合的结果。
一般采用增加补偿电容的方法来提高功率因数,主要有两种方式:
一种是并联补偿,另一种是串联补偿,从来形成两种基本的谐振电路:
并联谐振电路和串联谐振电路。
感应加热电源一般工作在准谐振状态,这样可以提高效率和保证逆变器的安全运行。
串联谐振电路和并联谐振电路的特性见表2-1。
表2-1串并联谐振电路特性比较
类别
C
L
R
+
-
串联谐振
C
L
R
并联谐振
电路
拓扑
结构
阻抗
频率
特性
Z
f
Z
f
谐振阻抗
Z=R
Z=L/RC
谐振类型
电压谐振
电流谐振
从表2-1可以看出,串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻,并达到最小值,串联谐振电路采用电压源供电,从而获得最大的电源输出功率。
并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值,并联谐振电路采用电流源供电,从而获得最大的电源输出功率。
为了满足MOSFET,IGBT等器件的要求,串联谐振逆变器中在换流时要反并联二极管,其中续流的电流为正弦波,所以开关器件承受的反压是非常低的是反并联二极管的正向导通压降。
同时串联谐振逆变器不仅可以自激工作,也可以他激工作,并且起动比较简单。
串联谐振逆变器采用大电容滤波,当发生上、下桥臂短路故障时,由于电容电压不能突变,因此瞬时将会产生很大的放电电流,远远大于功率器件的额定电流,如果不能在允许的短路时间内将器件关断,就将会对器件造成永久性损坏。
串联谐振逆变电器对补偿电容耐压的要求比较高,因而必须采取相应的措施来降低补偿电容上的电压。
并联谐振逆变器采用大电感进行滤波,当负载发生短路时,由于电感电流不会突变,因此电流上升率就将会得到抑制,不易损坏功率器件,保护起来比较容易。
由于其负载电路的电容、电感本身构成振荡回路,因此运行较为可靠,并且对负载的适应能力强。
该电路对补偿电容耐压的要求只要达到负载两端正弦电压的峰值即可。
在换流期间,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,而逆变开关器件有可能承受反压。
如果在电路中为进行保护而采用反并联二极管,则会出现环流从而损坏器件。
因此,每一桥臂必须串入快速恢复整流二极管,并且其串入的整流二极管与开关器件相同等级的以承受反向电压。
但是,并联谐振逆变器起动时间较长,起动比较困难,需要对滤波大电感预充电,因而控制电路也相对比较复杂。
并联谐振逆变器采用大电感滤波,虽然带来了短路保护比较容易的优点,但同时也带来了体积也非常庞大的缺点,从而使整个装置体积增大。
综合所述比较串、并联谐振逆变器的优缺点,考虑到本课题中我们研究的电磁加热环境,我选择并联型逆变器作为电磁炉电磁感应加热电源的逆变电源主电路。
2.4感应加热电源的负载等效模型
为了便于分析,将加热负载上感应电流的环行区域看作为一个单匝线圈且是闭合的,并且等效电阻为,等效电感为。
这样线盘线圈和等效线圈组成一个变压器,其中为负载电阻,其大小取决于工件自身因素。
将等效折算到加热线盘回路中,设其等效电阻为,则感应加热的负载等效为阻感负载,如图2.4所示。
因为负载呈感性,这样会造成电路功率因数降低和无功损耗的增大,因此在实际应用中矫正电路都要通过加功率因数,即为提高功率因数和降低无功损耗,在原电路的基础上附加一个容性元件,从而使电路趋向于纯电阻性。
其中最常用的方法是将加热线盘与矫正电容并联和串联构成谐振电路,并促使电路工作在谐振频率附近,有两方面的功能:
一是提高功率因数,二是当并联谐振时通过线盘的电流最大或当为串联谐振时线盘两端的电压最高,因此在并联谐振或串联谐振一定的情况下,在负载的功率最大。
图2.4感应加热负载等效电路
R0
R
L
L0
L
C
C
u
+
-
u
+
-
在实际应用中,一般是直流电源通过高频电子开关进行间歇性的给谐振回路供电,,只有在部分时间内谐振电路处在谐振状态,通常称为准谐振状态。
根据系统中采用的并联谐振逆变电路,下面来详细简要介绍该并联谐振逆变电路的工作过程。
并联谐振逆变电路可能出现的工作状态模型有以下3种情况:
1.RL电路与直流电源接通的暂态过程
开关接通前电流为零,开关接通后电流逐渐增大。
如图2.5所示,设开关接通的时刻选作,取图示所示为参考方向,则根据基尔霍夫第二定律有
(2-7)
即:
(2-8)
在符合初始条件情况下,解此方程里的特解为
(2-9)
则在电感中时刻的电流为
(2-10)
t
i(t)
t1
I
0
(a)电路
R
L
U
uR
uL
图2.5RL电路与直流电源的接通
i
(b)暂态电流
小
大
其中,并称其为RL电路中的时间常数,并且当时,i达到了稳态值的63%。
故可以得出越大,电流增加的就会越慢。
2.已通电RL电路对电源放电的暂态过程
如图2.6已通电RL电路对电源放电所示,将开关先掷向1,当L中电流充到I时将其掷向2,则电路将经历一个放电过程,并且初始电流为I。
在实际电路中,通常在IGBT的C、E两端反向并联一只续流二极管,从而实现零电压开通,保护开关管IGBT。
假如将此个二极管看成理想二极管,则当,即时,电容两端电压第一次恢复初始电压值。
并且在此之后,二极管开始续流导通,电路变为电感通过二极管给电源充电,退出自由谐振状态,同时释放能量。
该状态将持续到电流变为零,电感中的能量全部释放完为止。
根据,可得出该过程中初始条件为
(2-10)
取如图中所示方向为参考方向,则按基尔霍夫第二定律得:
(2-11)
即:
(2-12)
在符合初始条件的条件下解方程得的特解为
(i≥0)(2-12)
当时,,由此可以看出,其暂态过程比已充电LR电路短接时的暂态过程放电速度更加的快。
当i=0时,,若,则;若,则;若,则。
图2.6(b)所示为时的曲线。
(b)暂态电流
t
i(t)
-
I
0
(a)电路
图2.6已通电RL电路对电源放电
R
L
U1
uR
uL
i
U
1
2
3.已充电RLC电路的短接的暂态过程
图2.7已通电RLC电路的短接
R
uR
uL
i
C
uC
L保证零电压开通时,不同ton下的触发频率测试电路
如图2.7所示,取图示中的方向为参考方向,电容被充至电压-U,则
(2-13)
又根据,,,因此
(2-14)
其特征方程为,
特征根为,,
其中,,,
下面分三种情况进行讨论
(1),即,这时p1及p2为实数,由初始条件:
,,可得满足初始条件的特解为
(2-15)
此时为过阻尼振荡。
其中振荡曲线如图2.8所示。
(2),即,可得在满足初始条件的情况下特解为
(2-16)
此时为临界阻尼振荡。
其中振荡曲线如图2.8所示。
-uC(t)
t
0
-U
临界阻尼振荡
过阻尼振荡
图2.8过阻尼和临界阻尼振荡曲线
(3),即,此时p1及p2为复数
,,
其中,根据初始条件:
,可得出特解为
(2-17)
(2-18)
其中,,,这就是阻尼振荡。
其振荡曲线如图2.9所示。
由式(2-17)及图2.9可得,在振荡电压中的第一个峰值(正峰值)出现在,即时刻
(2-19)
此时,一种情况为,因为增大使得减小,从而使增大。
另一种情况为,因为出现了衰减因子,又使得出现减小的情况,由此可得其最终值是由两个方面的因素共同来决定的。
t
uC(t),iC(t)
图2.9阻尼振荡的电压和电流曲线
0
uC(t)
iC(t)
-U
由式(2-18)及图2.9可得
当时,在谐振电流心思时出现第一个峰值(正峰值),即当时,
(2-20)
当时,谐振电流在时出现第一个峰值,即当时
(2-21)
此时也可以分为两种情况,一是,因为增大而使减小,从而使得增大。
另一情况是,因为出现了衰减因子,又使减小,故可以得出其最终值是由两个方面的因素共同来决定的。
综上所述,电路产生阻尼振荡的特点为:
(1)阻尼振荡频率为,即当为带负载时,谐振频率降低。
(2)电流的幅度和谐振电压均均是取决于储能时间t1,由上面所述可以得出储能的时间越长其幅度也就越大。
(3)谐振电流的相位与谐振电压相比超前。
当空载时,在理想的情况下,即R→0,电路就会产生自由振荡,此时,
,,,,,,所以,在振荡电压的峰值为:
(2-22)
由此可以看出,。
振荡电压在时出现第一个峰值,即当时,其振荡电流的峰值为
(2-23)
故由此可以得出,。
振荡电流在时出现的第一个峰值,此峰值为正峰值,即当时
综上所述可以得出,在R=0时,电路就会产生自由振荡,假如回路参数和电源电压也能确定,则
(1)自由振荡频率为:
(2)谐振电压和电流的幅度均是取决于储能的时间t1,由此可以看出储能的时间越长其幅度也
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- 电磁炉 电路设计 仿真
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