一种商用多头电磁炉控制器研究（可编辑）

一种商用多头电磁炉控制器研究（可编辑） 一种商用多头电磁炉控制器研究 硕士学位论文 一种商用多头电磁炉控制器的研究 RESEARCH OF MULTIPLE-BURNER INDUCTION COOKER CONTROLLER IN COMMERCIAL 孙喜明 哈尔滨工业大学 2009 年 12 月 国内图 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 分类号:TM925.51 国际图书分类号:621.3 工学硕士学位论文 一种商用多头电磁炉控制器的研究 硕 士 研 究 生: 孙喜明 导 师: 刘建伟教授 申 请 学 位: 工学硕士 学 科: 电气工程 所 在 单 位: 深圳研究生院 答 辩 日 期: 2009 年 12 月 授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: TM925.51 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree of Engineering RESEARCH OF MULTIPLE-BURNER INDUCTION COOKER CONTROLLER IN COMMERCIAL Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality: Affiliation: Date of Defence: Degree Conferring Institution: Sun Ximing ProfLiu Jianwei Master of Engineering Electrical Engineering Shenzhen Graduate School Dec, 2009 Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 本文所研究的课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是一种商用多头电磁炉控制器的研究,论文基于电磁感 应加热原理,介绍了电磁炉的工作原理,完成了多头电磁炉控制系统的硬件 和 软件设计。主要实现了加热功能、定温功能、定时功能、锅具检测功能、报 警 检测和各种保护功能。 硬件电路的设计主要包括主电路、驱动电路、开关电源电路、保护电路和 显示电路等单元电路。主电路采用一种改进的半桥串联谐振变换器的结构,设 计了一种既能加热铁锅,也能加热铝、铜等非铁锅的双头电磁炉。采用驱动芯 片 IR2110 对 IGBT 的驱动和保护进行了深入的研究,电源电路采用 Topswitch 构成反激式多路输出开关电源,使电磁炉的工作电压范围变宽。 针对温度滞后大的特点,提出了基于模糊 PID 的控制策略,综合应用模糊 控制的优点设计了模糊 PID 控制器,解决了传统定温方法中定温控制、PID 准 确性不高,实时性较差的缺点,取得了很好的定温效果。对电磁炉的恒功率控 制采用模糊控制和双闭环控制的方法,使系统具有较高的控制精度,保证输出 功率的稳定。解决了当前电磁炉控制系统中存在的功率控制不恒定的缺陷,实 现了高效率、高可靠性、高准确性的新型电磁炉控制系统。 在软件设计中,采用模块化程序设计的方法,对多头电磁炉控制系统的各 个功能模块进行划分和设计。单片机的应用使多头电磁炉实现了智能化,主要 提供了温度自动控制、功率自动控制、锅具智能检测、各种自动保护报警以及 良好的人机界面等功能。最后对整个系统进行性能测试,实验结果表明该控制 系统设计合理,系统运行稳定可靠。 关键词:多头电磁炉;感应加热;开关电源;模糊 PID 控制;模块化程序设计 -I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract The task of this thesis is about one kind of Multiple-burner induction cooker controller in commercial. Basing on the basic theory of electromagnetic induction heating, this thesis introduces the work principle of induction cooker, and finish the design of hardware and software of the Multiple-burner induction cooker control system. Achieving the function of heating,constant temperature,timing, no pan detecing, alarm detection and kinds of protecting. Hardware circuit includes main loop circuit,IGBT drive circuit,protective circuit,power supply circuit,display circuit and some other element circuits. Main circuit adopt the structure of Half-bridge series resonance converter, to design a -burner induction cooker not only used in heating Double ferromagnetic-pan,but non-ferromagnetic-pan. Deeply researched the driving and protecting of IGBT by using special driver IC IR2110. The power circuit uses the Topswitch constitution instead to stir up-like the multi-channel power take-off valve power source,broaden the working voltage scope of the induction cooker. To aim at the weak point of temperature delaying, bring a control policy which based on Fuzzy-PID combined the merits of fuzzy control,PID control, has resolved shortcoming of low accuracy constant temperatrue and weak the real-timing in traditional constant temperatrue method, which has obtained a nice purpose of constant temperature. Adopt Fuzzy control and Double closed-loop control to the constant power controling of induction cooker, to make the system to be a high control accuracy and to protect the stability of the output power. This strategy has resoved the drawback of non-constant in power control in today’s induction cooker controling system, carried out a new type induction cooker controling which has Hith-efficiency, High-Reliability and High-accuracy. In the design of this software, using the idea of modularized program designing, to divide and design the each module of the induction cooker controling system. Using singlechip make Multiple-burner induction cooker be more intelligentize, which include a good human-computer interface, -cybernation, temperature power-cybernation and various kinds of function in Automatic detection alarming. Finally, has tested the whole system, the result of this experiment make it clear that this controling system has a reasonable design, and runing steady and reliably. Keywords: Multiple-burner induction cooker; Induction heating; switching power suppy Fuzzy-PID controling; Modularized program designing - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要. I AbstractII 第 1 章 绪 论..1 1.1 多头电磁炉研究的意义..1 1.2 电磁炉的发展现状和趋势..2 1.2.1 电磁炉的国内外发展与现状.2 1.2.2 电磁炉的发展趋势..3 1.3 本文的主要研究内容4 第 2 章 电磁炉感应加热原理.5 2.1 概述.5 感应加热的基本理论5 2.2 2.2.1 电磁感应5 集肤效应6 2.2.2 2.3 电路拓扑结构比较 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ..6 2.3.1 串联谐振变换器.7 2.3.2 并联谐振变换器.7 2.4 电压型逆变电路的工作原理.8 2.4.1 负载和输出电路模型.8 2.4.2 电压谐振变换器的工作过程分析9 2.5 本章小结 11 第 3 章 多头电磁炉功能设计..12 3.1 功能说明12 3.2 按键和显示说明13 3.3 功能实现原理.14 3.3.1 定温控制.14 3.3.2 恒功率控制16 3.3.3 锅具检测.17 3.4 本章小结17 第 4 章 多头电磁炉硬件电路设计18 - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.1 概述..18 4.2 主要芯片介绍.19 4.3 一种加热非铁磁质锅的拓扑电路研究.20 4.3.1 负载特性.20 第三谐波工作模式21 4.3.2 4.3.3 谐振变换器的拓扑结构.22 硬件电路模块设计..23 4.4 4.4.1 主电路.23 4.4.2 电源电路.24 4.4.3 驱动电路.26 4.4.4 保护电路.29 4.4.5 显示电路.32 4.5 总的电磁炉原理图..32 4.6 本章小结34 第 5 章 系统软件设计及结果分析35 5.1 引言..35 5.2 程序模块化设计35 5.3 主程序结构..35 5.3.1 初始化程序36 5.3.2 按键处理.37 5.3.3 报警检测.39 5.3.4 锅具检测.40 5.3.5 A/D转换子程序41 5.3.6 功率控制子程序.42 5.4 实验结果及其分析..42 5.4.1 试验波形及分析.43 5.4.2 电磁干扰的测试.46 5.5 本章小结48 结 论49 参考文献..50 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.53 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.53 致 谢54 - IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 多头电磁炉研究的意义 电磁炉又称为电磁灶,它起源于德国。在西方发达国家,电磁炉的普及率达 到了 70%。在我国,随着人们生活水平的普遍提高,电磁炉也开始步入了千家 万 户。随着国际原油价格的不断上调,各种燃料价格的飙升直接加重了人们的 生活 成本。越来越多的人们都开始选择节能、环保、高效的电磁炉,它在人们生 活中 扮演着越来越重要的角色。 电磁炉是运用高频磁场感应涡流加热原理[1]。它将市电整流滤波后得到的脉 动直流转换成高频电流,通过加热线圈建立高频磁场,磁力线经线圈与锅底构成 的磁回路穿透灶面作用于锅底,在锅底形成涡流而发热,起到加热锅中食物的作 用。电磁炉与其他传统灶具相比,无论在安全、节能、高效、简便等方面都具有 很大的优越性,而且无燃烧废气排放,在环保方面的优点更为突出。 多个单元可以相互独立工作, 多头电磁炉是指具有多个加热单元的电磁炉, 其抗干扰能力、噪声、电磁辐射等必须得到加强。由于电磁炉的安全、清洁、无 火、无烟等特点,必将引导厨房革命进入无烟时代,因而在今后的几年内,电磁 炉取代煤气灶已经是顺理成章的事,多头炉尤其是双头电磁炉将会越来越被广大 消费者接纳。 根据市场调查,电磁炉在国内外市场的需求量很大,许多服务行业和家庭已 习惯使用这类智能化程度高、环保、高效的微电脑电磁炉,而且产品的更新速度 也比较快。电磁炉正处于产品生命周期中的快速发展期,对该产品的需求,国内 市场容量和潜力巨大,国际市场只要质量和技术档次跟的上,出口前景同样看好, 从产品线的格局上,我们认为多头灶和双头灶会是将来的一种趋势。近一两年, 单头灶还会有很大的市场空间,但再过两三年之后,多头的高端产品会是一种主 流。也就是说,产品会向多头的方向发展,多头电磁炉将是今后几年电磁炉实力 企业积极参与开发的主要产品,而中间段的产品可能会慢慢退出。在这样的市场 和需求背景下,我们开发出高度智能化的商用多头电磁炉更具有现实意义和经济 意义。 -1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 电磁炉的发展现状和趋势 1.2.1 电磁炉的国内外发展与现状 国外研究电磁炉历史悠久,100 多年前已研制出电磁炉,由于这种电磁炉热 效率不高,并且容易产生工频噪声,所以没有大量推广。在 20 世纪 70 年代,美 国率先研制出高频电磁炉(工作频率 20?50kHz),紧接着日本也研制出高频电磁 炉。其后日本又将单片机的功能应用到电磁炉上,从而使电磁炉技术得到更深层 的发展。目前在欧美和日本,电磁炉普及率已达到了 70%,并且大多数为三头或 四头以上的嵌入式电磁炉。从国外电磁炉市场发展状况来看(主要是德国、 日本、 西班牙等国),电磁炉发展是比较平稳和专业化,具体体现在以下几个方面: 1功率设置的规范性 在国外,电磁炉的功率大小取决于应用场所,普通的 家用电磁炉单炉一般功率在1600W至2000W之间,双炉或多头电磁炉在3500W? 4200W之间,而商用领域的电磁炉,依据应用场所的不同,最高功率则可达到 8000W左右。人们对电磁炉功率的需求不再盲目,依据家庭使用习惯而设定。 2多炉头电磁炉的普及 在西方国家,普遍采用的都是双炉以及三炉、五炉、 而东方国家,包括日本、韩国等,相对来讲,双炉和单 六炉等多炉头的电磁炉, 炉占据大部分的市场份额。在国外,单炉产品有一个共性,主要是配合其他炊具 来使用的,比如煤气炉、远红外线炉等。 3外观简洁 在国外,电磁炉的配色非常的简洁,黑色、银色、不锈钢的本 色,再搭配一点其他的色彩,就显现出电磁炉的高贵和雅致来,而控制界面方面, 也是触摸感应式的居多,没有国内市场那么丰富的特色。由于住房格局和厨房设 备的统一性,国外市场比国内市场要成熟一些,导致国外人比较关注厨房配套用 品的色调及操作的便捷。 国内在 20 世纪 80 年代末到 90 年代初曾掀起电磁炉热潮,因当时设计方面和 元器件的原因,许多电磁炉产品可靠性很差,难以适应国内电网质量不稳定以及 中国人大火爆炒的饮食要求,导致大量电磁炉生产厂家出现亏损,曾经一度 出现 过空档期,直到世纪末才出现起色。最近几年,随着我国电磁炉行业的发展和竞 争的加剧,各大企业在技术方面掀起了一股又一股的创新浪潮。有的企业不断解 决行业发展中的问题和瓶颈;有的企业致力于能够持续研发并掌握行业内最先进 的技术;有的企业希望一直能在这个行业起到规范、方向性指引,并为行业带来 利益。2006 年底,富士宝推出了防磁墙电磁炉新产品,2007 年再次通过技术攻 关,推出了 PIDT 技术,将 IGBT 的使用全面升级。此技术在提高了电磁炉稳定 性的基础上,更可有效地降低成本,这在近年的电磁炉行业技术发展上是一个巨 -2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 大的突破。但是我们也要看到,目前国内电磁炉行业发展较快的主要是单炉,与 国外一些市场的差距还是很大的。 随着技术的进步,元器件质量的提高,目前国产电磁炉已走向成熟。国内电 磁炉的发展大致经历了以下几个阶段: 第一代产品有环保牌包括雅达电磁炉等,其特点为采用独立振荡单元,多 个功率管并联、驱动放大电路采用分立元件,电路可靠性较好,工作稳定,缺点 是电路复杂,维修不太方便。 第二代产品有上海德兴和富士宝电磁炉,控制电路用3片LM339、采用大回环 振荡工作原理,保温功能用硬件电路实现用74LS145,功率管用IGBT,可靠性 尚可,缺点是电路较复杂,返修率略高。 第三代产品有美的PSD系列产品和浙江永康公司电磁炉产品等。美的PSD系 列产品采用大回环振荡原理,其保护电路做得非常完善,重点解决了工作过程中 突然拔电烧机等长期困扰国内其他厂家的难题、是国内第一款较成熟的采用IGBT 的电磁炉产品。其缺点是电路偏复杂,维修不太方便。佳玲电磁炉由深圳拓邦公 司开发生产控制板部分,采用独立振荡单元,其可靠性很好。缺点是电路较复杂, 生产测试不方便。 第四代产品有美的PD系列产品和广东南海威利宝电磁炉等。美的PD系列产 品特点是电路设计简单可靠,工作可靠性很好,并且PD系列产品成本有所降低。 威利宝电磁炉由深圳拓邦公司设计生产控制板部分,是国内第一家改进松下电磁 炉 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 较为成熟的产品,其可靠性指标与松下电磁炉相当。 1.2.2 电磁炉的发展趋势 电磁炉行业发展到现在已经经历了两代大的变革[2],由于电磁炉的核心工作 部件是内部线圈和 IGBT,如果长时间工作线圈、IGBT 就会温度过高,而导致电 磁炉自动断电保护,从而影响持续烹饪。不解决这个问题电磁炉很难“持续热卖”, 谁率先解决了这个行业瓶颈,谁就是促进行业发展、提升的大功臣。现在已经有 企业研究出最新的可编程 IGBT 驱动技术“PIDT 型电磁炉”,它能有效降低线圈 发热,实现了持续烹饪的技术突破,比行业目前广泛应用的 PWM 技术电磁炉线 圈温度降低 30%,从而使电磁炉工作更稳定、延长了使用寿命。可以预言这种行 业领先的“PIDT 型电磁炉”必将成为行业第三代电磁炉的典范。 电磁炉的发展趋势表现在以下几个方面: 1IH 电饭煲 IH 电饭煲是利用电磁感应加热原理与模糊控制技术相组合,其 煮饭效果非常理想,目前在日本已成为电饭煲主流产品。 -3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2电磁热水器 电磁热水器是利用电磁感应加热原理对水进行加热,其突出 优点是实现了水和电的隔离,从原理上解决了电热水器的漏电保护问题。 3双头电磁炉 双头电磁炉是具有两个加热单元的电磁炉,两个单元可以相 互独立工作,其技术难度比单头电磁炉大,主要是抗干扰性、噪声、电磁辐射等 设计需要得到加强,在未来的几年将会越来越被广大消费者接纳,成为新的厨房 主流电器。 4 可 以 加 热 铝 、 铜 等 非 铁 磁 质 锅 的 电 磁 炉 由 于 铝 的 电 阻 率 只 有 铁 的 1/20-1/50,铜的电阻率更小,利用目前的技术很难加热,随着电磁炉技术的进一 步发展,以及电磁炉工作频率的提高,使铝、铜锅具的加热成为可能,当频率超 过 60kHz 以上时,铝锅也可以加热。 本文的主要研究内容 1.3 本文是基于电磁感应加热原理,综合应用电力电子技术和开关电源的软开关 技术,完成多头电磁炉硬件电路和软件模块化的设计,研究一种应用在商业领域 的性能完善的多头电磁炉。本文研究的主要内容如下: 1研究多头电磁炉的感应加热原理,对电磁炉负载等效电路和半桥串联谐振 电路的工作过程进行了分析和研究。设计一种不仅能加热铁锅也能用于加热铝、 铜等非铁锅的谐振变换器拓扑结构。 2完成多头电磁炉硬件电路的设计。包括电磁炉主电路、开关电源电路、IGBT 驱动电路以及完善的保护电路。提高电磁炉的抗干扰性和防电磁辐射能力。 3研究基于模糊 PID 的定温控制和双闭环控制的恒功率控制策略,保持加热 火力的稳定,大大提高了系统响应的快速性、稳定性、实时性和控制精度。 4多头电磁炉的软件设计。采用模块化程序设计的方法,对多头电磁炉的各 个功能模块进行划分和设计。最后,对多头电磁炉进行试验分析和电磁干扰的测 试,验证了本系统设计的合理性和可靠性。 -4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 电磁炉感应加热原理 2.1 概述 电磁感应定律是指当一个回路中的电流变化时,靠近它的另外一个闭合回路 中就会有感应电流的产生。感应加热是电磁感应定律的具体应用,在涡流冶炼、 淬火、焊接等很多工业生产中得到了广泛应用。感应加热有很多优点:被加热物 体与加热设备之间没有电气接触,因而避免了很多电气事故的发生;在很短的时 间内可以产生足够的能量,因而可以得到很高的能量密度。 现在,人们对高质量、高效率、高安全性的家电产品的要求越来越高。采用 感应加热原理的家电产品如电磁炉、电磁电饭煲、电磁热水器等以其安全、高效、 快速、清洁等优点吸引了众多的消费者。本章介绍感应加热的基本理论、电路拓 扑结构和谐振变换器的工作原理。 2.2 感应加热的基本理论 电磁感应加热是法拉第电磁感应定律的应用,它具有加热速度快、加热效率 高、无污染等很多优点,在家电、淬火等领域得到广泛的应用。感应加热包含三 个基本的要素:电磁感应、集肤效应和热量传输。 2.2.1 电磁感应 当线圈中通以交流的电流后,在线圈的周围会产生交变的磁场,由于磁场的 变化会引起磁通的变化,导体放入交变的磁场后,根据法拉第电磁感应定律在导 体的内部会产生感应电动势,导体表面会产生感应电流。 楞次定律阐明了感应电动势的方向与磁通变化率之间的关系,即在电磁感应 过程中,感应电流所产生的磁通总是阻碍原磁通的变化,当磁通增加时感应电流 所产生的磁通与原磁通方向相反,阻碍原磁通的增大;当磁通减小时感应电流所 产生的磁通与原来的磁通方向相同,阻止原磁通的减小。感应电流总是试图维持 原磁通不变,感应电动势的正方向与感应电流产生的磁通的正方向符合右手螺旋 定则,因此可以得到的感应电动势的大小为: e??N 2d? dt 2-1 式中m sin??t ,所以感应电动势为: -5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 其有效值为: e? N 2?mw cos wt 2-2 E2?fN 2?m 24.44 fN 2?m 2-3 而由感应电流引起的电能就转变为热能,其大小为: Pe 2 RI 2 R 2-4 其中,电阻 R 由导体的电阻率和渗透性决定,电流 I 由磁场强度决定。 2.2.2 集肤效应 当直流电流经导体时,电流在导体截面上是均匀分布的,但交流电流流经导 体时,电流沿导体截面上的分布是不均匀的,电流的密度从表面到中心是逐渐衰 减的,最大电流密度出现在导体的表面层,描述这个现象的物理规律是集肤效应。 线圈中的电流频率越高,负载中产生的感应电流就会越强,集肤效应越明显。电 流密度 ix 由表面向中心按指数函数下降的。 ixi 0 d 0ex d 0 2? 2-5 2-6 式中 ix ??距负载表面 x 处的电流密度; i 0 ??负载表面 x0处的电流密度; d 0 ??电流穿透深度,由电流频率决定的常量;??负载的电阻率;??负载的磁导率;??线圈中的电流频率; 2.3 电路拓扑结构比较分析 电磁炉中应用的电路系统有两种拓扑结构:串联谐振变换器和并联谐振变换 器。串联谐振变换器和并联谐振变换器的区别,源于它们所用的振荡电路不同, 前者用 L、R 和 C 串联,必须有电压源才能谐振,也称为电压源型逆变器[3]。后 者是 L、R 和 C 并联,必须有电流源才能谐振,也称为电流源型逆变器。这两种 拓扑有各自的优点和缺点。 -6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.3.1 串联谐振变换器 1串联谐振变换器在换流时,晶闸管是自然关断的,关断前其电流已逐渐减 少到零,开关管承受的冲击较小,因而关断时间短,损耗小。但晶闸管承受反压 的时间较长。而且,串联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,一般 MOSFET、 IGBT 等器件内部都集成有反并联二极管,使用时可以直接使用这些反并联二极 管,而无需再外接。 2串联谐振变换器起动比较简单,适用于频繁起动工作的场所。因为串联变 换器可以自激工作,也可以他激工作。而且当负载谐振频率发生变化时,只会使 功率因数角发生变化,输出功率也发生变化,但不会像并联谐振变换器那样 造成 停止振荡或逆变颠覆的现象。 3串联谐振变换器并接大的滤波电容器,当逆变失败时,浪涌电流大,保护 困难,远远超出了功率器件的额定电流。如果不能在器件的允许短路时间内将器 件关断,就会造成器件的永久性损坏。但随着保护手段的不断完善以及器件模块 本身也有自带保护功能,串联谐振变换器的保护不再是难题。 必须采取 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来降低补偿电容上 4串联谐振变换器对补偿电容耐压要求高, 的电压。 ,采用串联谐振变换器时,开关稳定、损耗小、控制电路的设计相对简 总之 单,容易实现流水线式的规范化设计,但需要两个开关管,整个电路的工作过程 变得复杂,另外驱动电路必须与系统控制电路隔离。 2.3.2 并联谐振变换器 1并联谐振变换器在换流时,晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的,电流 被迫降至零以后还需加一段反向电压,关断时间较长。如果用反并联二极管予以 保护,则会出现环流,损坏器件。而用于高频感应加热电源的开关器件 IGBT 承 受反压的能力低,因此,每一桥臂必须串入与开关器件相同等级的快速恢复整流 二极管,以承受反向电压。 2并联谐振变换器串接大电感滤波,在逆变失败时,由于电流受大电感限制, 电流上升率得到抑制,保护比较容易,不易损坏功率器件,使得短路保护比较 简 单。但在大功率加热电源中,此大电感的容量非常大,因此体积也非常庞大,从 而使整个装置体积增大。 3并联谐振变换器起动比较困难,起动时间较长,需对滤波大电感预充电, -7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 故控制系统也相对比较复杂。这使得并联谐振变换器多用于熔炼、透热等无需频 繁起动的场合,而在需频繁起动的场合应用的较少。 它对负 4并联谐振变换器由于其负载电路的电感、电容本身构成振荡回路, 载的适应能力强,运行较为可靠。对补偿电容的耐压要求不高,只要达到负载两 端正弦电压的峰值即可。 经过对串联谐振电路和并联谐振电路的综合分析和比较,相比之下,串联谐 振更适合在工作频率较高的感应加热装置中工作。因而对电磁炉主电路采用半桥 串联逆变电路的结构,下一节详细分析它的工作原理[4]。 2.4 电压型逆变电路的工作原理 电压谐振变换器是电磁炉主电路的核心,其作用是使直流电逆变为高频交流 电,以满足感应加热的要求[5,6]。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型变换器, 主开关元件是功率开关管,目前采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关元件。 功率开关管的开关动作是由控制器控制,并通过满足功率开关管驱动条件的 驱动 电路完成的。 2.4.1 负载和输出电路模型 多头电磁炉的负载就是它所使用的锅具与加热线圈盘。因此,锅具与主电路 中的线圈盘共同构成了电压谐振变换器的输出电路,锅具也是主电路中的一个元 件。电磁炉是通过线圈盘向锅具传输功率的,电磁炉的电磁感应加热原理如图 2-1 所示。 涡流 磁力线 涡流 磁力线 图 2-1 电磁炉电磁感应加热原理 Fig.2-1 Electromagnetic induction heating principle of cooker 根据电磁感应原理,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,在锅具底部沿圆周方向 -8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 会产生环形电流。根据楞次定律可知,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。在锅具底部被磁力线切割的区域,由于高频电流的集肤效 应和邻近效应,锅具底部靠近线圈盘的表面,电流密度最大,锅具表面离开线 圈 盘的方向往里,电流密度则按指数规律减弱。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,不因锅具底部的厚度而变化。在电流流通截面基 本固定的圆环上,存在着锅体材料的电阻就是电磁炉的负载电阻。高频电流在该 电阻上产生的焦耳热,就是电磁炉在锅具上生成的热源。通常线圈盘的线圈平面 到锅具底部表面的距离在 5-15mm。有一部分磁力线并不穿过锅具,而是从这个 间隙中通过。因此,使得线圈盘在传输功率的过程中还保持一定的电感量,这样, 线圈盘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,电磁炉的加热线圈盘和负载可以看成是一个空心变压器, 次级负载可以看成一个闭合的单匝线圈,具有等效的电感和电阻,将次级的负载 电阻和电感折合到初级,可得到图 2-2 所示的等效电路。其中 RL 是次级电阻 R2 反射到初级的等效负载电阻,LR 是次级电感 L2 反射到初级并与初级电感 L0 相 叠加后的等效电感。 R2 RL LR L0 图 2-2 负载等效电路模型 Fig.2-2 Model of Load Equivalent circuit 2.4.2 电压谐振变换器的工作过程分析 在本课题中,采用半桥电压型逆变电路作为多头电磁炉的逆变电路。开关器 件 V1 和 V2 的栅极信号在一个周期内各有半个周期正偏,半个周期反偏,且考虑 到大功率开关器件的开通和关断延时,为了防止上下桥臂直通,两开关器件的驱 动信号之间设有死区时间,保证同一桥臂的上下管已经完全关闭后,下上管 才能开通。 电磁炉主电路的工作过程在一个周期内可以分成四各阶段[7-9],各阶段的等效 电路如图 2-3 所示。研究一个周期内的工作情况,定义主开关开通的时刻为 t 0 。 时序波形图如图 2-4 所示。 -9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 + Ud _ C1 C2 RL LR V1 V2 VD1 VD2 + Ud _ C1 C2 RL LR V1 V2 VD1 VD2 a [t0,t1]电感充电阶段 b [t1,t2]电感放电阶段 + Ud _ C1 C2 RL LR V1 V2 VD1 VD2 + Ud _ C1 C2 RL LR V1 V2 VD1 VD2 c [t2,t3]电感反向充电阶段 d [t3,t4]电感放电阶段 图 2-3 逆变电路各阶段工作等效图 Fig.2-3 Various stages work equivalent chart of DC-AC 1[ t 0 , t1 ]电感充电阶段 按主开关零电流开通的特点,t 0 时刻,通过电 感 Lr 的 电流为零,此时开关器件 V1 导通,V2 关断,在直流电压 Ud 的激励下,电感 中 的电流 iL 增大,在 t1 时刻电流达到最大值。通过电磁感应将电能传给锅 具,使锅 具加热,同时将部分能量存储在电感中。其电流方向如图 2-3 a所示。 2[ t1 , t 2 ]电感放电阶段 在 t1时刻,开关器件 V1 关断,但由于死区时间的存 在,V2 也关断,电感 Lr 中的电流不能立即改变方向,于是续流二极管 VD2 导通 续流,电流 iL 逐渐减小,电感释放能量,其电流方向如图 2-3 b所示。 3[ t 2 , t 3 ]电感反向充电阶段 在 t 2 时刻,电流 iL 减少到零,此时开关器件 V2 导通,V1 关断,电感电流 iL 改变方向,从零开始反向增大,给电感 Lr 反向充电, 通过电磁感应将电能传给锅具,同时部分能量存储在电感中,由于续流过程的存 在,开关器件 V2 在零电压ZVS下开通,减少了器件的开关损耗,其电流方向如 图 2-3 c所示。 4[ t 3 , t 4 ]电感放电阶段 在 t 3 时刻,反向电流达到最大值,此时开关器件 V2 关断,由于死区时间的存在,V1 也关断,感性负载中的电流 iL 不能立即改变方向, 于是 VD1 导通续流,电流 iL 逐渐减小,电感释放能量,在电流未达到零之前电流 方向不变,其电流方向如图 2-3 d所示。 t 4 时刻,反向电流减少到零,又开始一个新的周期,重复上述过程。 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V1i 开关V1、V2 驱动波形 V2i V1O 开关V1、V2 输出电压波形 V2O iL 电感电流波形 续 流 t0 t1 t2 t3 t4 图 2-4 开关器件主要波形图 Fig.2-4 Main waveform of switch component 2.5 本章小结 本章介绍了感应加热的基本原理,分析了电磁感应定律与集肤效应。通过对 串联、并联谐振变换器进行综合对比分析,确定多头电磁炉的主电路拓扑结 构采 用半桥电压型逆变电路。研究了感应加热负载输出等效电路,对半桥电压型 逆变 电路的原理和工作过程进行了分析。 - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3 章 多头电磁炉功能设计 3.1 功能说明 双头电磁炉的两个加热单元可独立的完成如下功能:电磁炉上电时,蜂鸣器 响一声,进入待机状态。待机状态下,无显示,无加热脉冲,也无任何检测、报 警功能。此时按开/关键可以开机,实现以下具体功能。 一、功率调节 在加热状态下,可以调节功率的档次。依次为 2000W、1800W、1600W、1400W、 1200W、1000W、800W、600W、400W、200W 共 10 档。其中 800W 以上的功率 通过改变单片机输出 PWM 占空比来调节,800W 以下为间断加热,通过间歇加 热的方法来实现。 二、定温功能 定温温度共有 10 档,由高到低依次为:240?、210?、190?、170?、150?、 130?、110?、90?、70?、50?。温度控制采用模糊 PID 控制,实现定温的准 确性和实时性。 三、定时控制 最高定时时间为 24 小时。开机后定时时间为 2 小时,按定时键可调整定时时 间,定时时间以 5 分钟为一档递增或递减。快增或快减以 1 小时为一档,定时时 间到后,电磁炉自动关机。 四、锅具检测 当炉台上无锅、被加热的锅具不是铁磁质材料、或锅具的直径太小时,电磁 炉可自动检测,蜂鸣器报警,数码管显示 E5,60S 后若无锅时,电磁炉自动关机; 若在 60S 内放锅,电磁炉将会自动启动。 五、报警功能 在开机状态,单片机不断检测电磁炉的工作状态,当出现异常时发生报警。 报警时,蜂鸣器响一次,发光二极管全亮,数码管高位显示 E,低位显示报警号。 报警号如下: 当电源电压低于 150V 时报警,数码管显示 E0;当电源 1欠压、过压报警 电压超过 270V 时报警,数码管显示 E1。如果持续 4 分钟检测到电压过低或过高, 电磁炉蜂鸣器长鸣一声后自动关机。 2负荷电流过高报警 通过电流互感器将电流信号转换为电压信号,通过 - 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 A/D 转换后由单片机检测,若负荷电流过高,则报警,数码管显示 E2。电磁炉蜂 鸣器长鸣一声自动关机。 3IGBT 超温、IGBT 传感器失效报警 当 IGBT 温度超过 110?时报警,数码 管显示 E3,必须等 IGBT 温度冷却到 70?以下,才可清除故障代码。开机后延时 2 分钟后检测 IGBT 传感器,当传感器失效时报警,数码管显示 E4。 4无锅报警 电磁炉每隔 2S 发送一次检锅脉冲,若连续 15 次检测到无锅, 则电磁炉自动报警进行待机状态,数码管显示 E5。在 30S 内又将锅具放回灶台上, 则电磁炉继续加热。 5锅超温、锅底传感器失效报警 当锅底温度高于 240?时,蜂鸣器长鸣一声 报警,数码管显示 E6,停止加热,进入待机保护状态。当开机后延时 2 分钟后检 测锅底传感器,当传感器无效时报警,数码管显示 E7。 3.2 按键和显示说明 由于多头电磁炉的两个炉可以相互独立的工作,因而具有两组相同的显示界 面,每组都有 10 个按键,分别为“开/关”、“定时”、“调大”、“调小”、“煮粥”、 “蒸炖”、“煲汤”、“煎炸”、“火锅”、“保温”;还有四位数码管,用于显示功率或 定时时间以及故障代码;还有 8 个 LED 指示灯,用于指示电磁炉的工作状态。电 磁炉上电后,蜂鸣器响一声,同时所有数码管亮一秒后电磁炉处于待机状态,此 时按“开/关”键,蜂鸣器响一声,“开/关”键指示灯常亮,风扇开启,一分钟后 无功能按键操作蜂鸣器响一声回到待机状态。在开机状态下,数码管显示电磁炉 的操作说明如下: 1火锅 在开机状态下,按“火锅”键电磁炉工作在“火锅”状态,初始火 力为 2000W,数码管显示相应功率 2000。按调整键可以对火力调整,按“调大” 键可增加火力,在火力最高档时无效,按“调小”键可减少火力,在最低档时调 节无效。在火锅工作状态下,后三档为间歇工作方式,其功率取平均功率。在“火 锅” 工作状态下再按“火锅”键则不起作用。 2煎炸 在开机状态下,按“煎炸”键电磁炉工作在“煎炸”状态,初始火 力为 2000W,数码管显示相应功率 2000。按调整键可以对火力调整,按“调大” 键可增加火力和温度,在火力最高档时无效,按“调小”键可减少火力和温度, 在最低档时调节无效。在“煎炸” 工作状态下再按“煎炸”键则不起作用。 在开机状态下,按“煲汤”键进入煲汤功能后,电磁炉以 1200W 的 3煲汤 功率加热,默认工作时间 2 个小时。此时可以按“定时”键进行定时,按“调大”、 “调小”键可对时间进行定时调整,定时范围为 1 到 4 小时。定时有效后,定时 - 13 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 时间与跑马灯轮流显示,定时时间到后自动转到保温功能,保温 2 小时后,蜂鸣 器长鸣一声报警关机。 4蒸炖 在开机状态下,按“蒸炖”键进入蒸炖功能后,电磁炉以 1400W 的 功率加热,默认时间为 30 分钟。此时可按定时键进行定时,定时范围为 30 分钟 到 1 个小时,定时时间到,蜂鸣器长鸣一声报警关机。 5煮粥 在开机状态下,按“煮粥”键进入煮粥功能后,电磁炉以 1200W 的 功率加热,默认时间为 1 个小时,时间到后自动转入 2 小时保温功能,保功能结 束后,蜂鸣器长鸣一声关机。 6保温 在开机状态下,按“保温”键进入保温功能后,电磁炉以 800W 的 功率加热,默认时间为 2 个小时,数码管以跑马灯显示,时间到后蜂鸣器长鸣一 声报警关机。 7定时 在火锅、煎炸、煲汤、蒸炖等功能情况下,按“定时”键后数码管 闪烁,进入定时设定状态,再按一次定时键则取消定时。在定时状态,按“调大” “调小”调整键对定时时间进行调整,每按一下定时时间增加或减少 5 分钟,长 按调整键,定时时间增加或减少 1 小时。最小定时时间为 1 分钟,最长定时时间 为 24 小时。 3.3 功能实现原理 3.3.1 定温控制 常见的电磁炉的定温控制采用上、下限控制。这种控制方法非常简单,在程 序中非常容易实现,但是它有很大的缺点。上、下限控制需要频繁的打开、关断 加热脉冲,对 IGBT 造成很大的冲击,定温的准确性不高,实时性较差。由于电 磁感应系统中电压的突变,负载的变化引起的突变都是短暂的,干扰时间短,变 化量大,对这类快速消除的干扰,可以采用模糊 PID 控制[10-12]。另一方面由于电 磁加热的被控对象一般可以看成纯滞后的一阶对象,对于温度的纯滞后特性, 加 入一个 Smith 预估器补偿环节,能够很好的解决纯滞后问题。在本文中,采 用带 有 Smith 预估器环节的模糊 PID 控制方法,能够取得很好的效果。其控制 器的结 构如图 3-1 所示。 - 14 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 模糊推理 kp ki kd rt + _ et de dt PID调节器 被控对象 yt + Smith预估器 + 图 3-1 模糊 PID 控制器结构图 Fig.3-1 Structure diagram of fuzzy-PID controller 模糊 PID 控制器的仿真过程是在 MATLAB 的 Simulink 环境中完成的。通 过 对系统采用不同的控制策略,得出它们各自的仿真结果,然后进行分析比较,找 到一个合乎要求的解决方案。由于仿真可以方便、快速、多次地进行,从比较中 找出较优的方案是可行的。 由于电磁炉感应加热一般可以看作是带有纯滞后的一阶对象,因此可以设定 它的传递函数单通道为: GS 1 60S1 e??40 s 3-1 模糊 PID 控制器的仿真模型为如图 3-2 所示,可以分为模糊推理环节、PID 调节环节和 Smith 预估器环节等三个部分的设计。 图 3-2 模糊 PID 控制器的仿真模型 Fig.3-2 Simulation model of fuzzy-PID controller - 15 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.3.2 恒功率控制 功率控制的含意有两个:功率控制的准确性和功率输出的稳定性。电磁炉在 使用的过程中,当更换锅具时,由于锅具的大小、材质发生变化,会引起负载的 等效电感和电阻发生变化,这会造成电磁炉的谐振频率发生变化,导致输出功率 不稳定。针对这种情况,本文提出一种双闭环控制结构和模糊控制方法 [13,14],使 得负载变化时保持电磁炉的输出功率稳定。其控制系统结构如图 3-3 所示。单片 机输出固定占空比的 PWM 信号,经阻容滤波后在运算放大器的正端得到一个基 准电压,由于负反馈作用的存在,当不更换锅具时可以使输出功率稳定;当负载 变换时,由功率检测电路检测出来,在单片机内部采用模糊控制技术,调节 PWM 的占空比,以保证输出功率的恒定。 同步电路 单片机 (模糊控 制器) PWM 阻容降压 三角波 发生电路 IGBT 触发电路 对象 反馈电路 功率检测电路 图 3-3 双闭环控制结构框图 Fig.3-3 Structure diagram of double closed-loop control 模糊控制器的结构图如图 3-4 所示,控制器的输入分别为给定功率与输出功 率的误差 e 和误差的变化率 de ,把控制 IGBT 触发脉冲的 PWM 信号作为输出变 量,这样构成一个二维模糊控制器[15,16],其中 K1、 K 2 、 K 3 分别是 e , de 和控制 量 PWM 的量化因子,当模糊控制器进行工作时,计算机直接根据采样得到的误 差和误差变化率的量化值来找出当前时刻的控制输出量化值。 Pd e K1 量 化 x 模 糊 控 z K3 PWM 对象 Po - de K2 量 化 y