电磁炉

张 超 ， 孙 志 锋 ， 金 高 先

(浙 江 大 学 电 气 工 程 学 院 ， 浙 江 杭 州 310027）

摘 要 ： 详 细 分 析 了 电 磁 炉 主 谐 振 电 路 的 拓 扑 结 构 和 工 作 过 程 ， 基 于 模 糊 控 制 理 论 ， 给 出 了 负 载 变 化 时 控 制 功 率 稳 定 的 智 能 控 制 方 法 。

关 键 词 ： 电 磁 炉 ； 主 谐 振 电 路 ； 模 糊 控 制

Research of Induction Cooker Main Resonant Circuit and

Power Control ZHANG Chao, SUN Zhi- feng, JIN Gao- xian

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027 China)

Abstract:The topology and working principle of induction cooker main resonant circuit are introduced in detail. Based on fuzzy control theory, an intelligent control method to ensure the steady output power when the load changes are put forward. Keywords:induction cooker; main resonant circuit; fuzzy control

0 引 言

由 电 力 电 子 电 路 组 成 的 电 磁 炉 （ Induction cooker） 是 一 种 利 用 电 磁 感 应 加热原 理 ， 对 锅 体 进 行 涡 流 加 热 的 新 型 灶 具 。 由 于 具 有 热 效 率 高 、 使 用 方 便 、 无 烟 熏 、 无 煤 气 污 染 、 安 全 卫 生 等 优 点 ， 非 常 适 合 现 代 家 庭 使 用 。 电 磁 炉 的 主 电 路 是 一 个 AC/DC/AC变 换 器 ， 由 桥 式 整 流 器 和 电 压 谐 振 变 换 器 构 成 ， 本 文 分 析 了 电 磁 炉 主 谐 振 电 路 的 拓 扑 结 构 和 工 作 过 程 。

当 电 磁 炉 负 载 （ 锅 具 ） 的 大 小 和 材 质 发 生 变 化 时 ， 负 载 的 等 效 电 感 会 发 生 变 化 ， 这 将 造 成 电 磁 炉 主 电 路 谐 振 频 率 变 化 ， 这 样 电 磁 炉 的 输 出 功 率 会 不 稳 定 ， 常 会 使 功 率 管 IGBT过 压 损 坏 。 针 对 这 种 情 况 ， 本 文 提 出 了 一 种 双 闭 环 控 制 结 构 和 模 糊 控 制 方 法 ， 使 负 载 变 化 时 保 持 电 磁 炉 的 输 出 功 率 稳 定 。 实 际 运 行 结 果 证 明 了 该 设 计 的 有 效 性 和 可 靠 性 。

1 电 磁 炉 主 电 路 拓 扑 结 构 与 工 作 过 程 1． 1 电 磁 炉 主 电 路 拓 扑 结 构 电 磁 炉 的 主 电 路 如 图 1所 示 ， 市 电 经 桥 式 整 流 器 变 换 为 直 流 电 ， 再 经 电 压 谐 振 变 换 器 变 换 成 频 率 为 20～ 30 kHz的 交 流 电 。 电 压 谐 振 变 换 器 是 低 开 关 损 耗 的 零 电 压 型 （ ZVS） 变 换 器 ， 功 率 开 关 管 的 开 关 动 作 由 单 片 机 控 制 ， 并 通 过 驱 动 电 路 完 成 。

电 磁 炉 的 加 热 线 圈 盘 与 负 载 锅 具 可 以 看 作 是 一 个 空 心 变 压 器 ， 次 级 负 载 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 以 得 到 图 2所 示 的 等 效 电 路 。 其 中 R＊ 是 次 级 电 阻 反 射 到 初 级 的 等 效 负 载 电 阻 ； L＊ 是 次 级 电 感 反 射 到 初 级 并 与 初 级 电 感 L相 叠 加 后 的 等 效 电 感 。

1． 2 电 磁 炉 主 电 路 的 工 作 过 程

电 磁 炉 主 电 路 的 工 作 过 程 可 以 分 成 3个 阶 段 ， 各 阶 段 的 等 效 电 路 如 图 3所示。 研 究 一 个 工 作 周 期 的 情 况 ， 定 义 主 开 关 开 通 的 时 刻 为 t0。 时 序 波 形 如 图 4所 示 。

1. 2. 1 [t0， t1]主 开 关 导 通 阶 段 按 主 开 关 零 电 压 开 通 的 特 点 ， t0时 刻 ， 主 开 关 上 的 电 压 uce=0， 则 Cr上 的 电 压 uc=uce－Udc=－Udc。 如 图 3（ a） 所 示 ， 主 开 关 开 通 后 ， 电 源 电 压 Udc加 在 R＊ 及 L＊ 支 路 和 Cr两 端 。 由 于 Cr上 的 电 压 已 经 是 － Udc， 故 Cr中 的 电 流 为 0。 电 流 仅 从 R＊ 及 L＊ 支 路 流 过 。 流 过 IGBT的 电 流 is与 流 过 L＊ 的 电 流 iL相 等 。 由 图 3（ a） 得 式 （ 1） 。

可 见 ， iL按 照 指 数 规 律 单 调 增 加 。 流 过 R＊ 形 成 了 功 率 输 出 ， 流 过 L＊ 而 储 存 了 能 量 。 到 达 t1时 刻 ， IGBT关 断 ， iL达 到 最 大 值 Im。 这 时 ， 仍 有 uc=－ Udc，uce=0。 iL换 向 开 始 流 入 Cr， 但 Cr两 端 的 电 压 不 能 突 变 ， 因 此 ， IGBT为 零 电 压 关 断 。 1. 2.2 [t1， t2]谐 振 阶 段

IGBT关 断 之 后 ， L＊ 和 Cr相 互 交 换 能 量 而 发 生 谐 振 ， 同 时 在 R＊ 上 消 耗 能 量 ， 形 成 功 率 输 出 。 等 效 电 路 如 图 3（ b） 及 图 3（ c） 所 示 ， 我 们 也 将 其 分 为 两 个 阶 段 来 讨 论 。 波 形 如 图 4中 的 iL和 uc。 由 图 3(b)、 图 3(c)的 等 效 电 路 可 得 到 式 （ 3） 方 程 组 。

解 微 分 方 程 组 式 （ 3） 并 代 入 初 始 条 件 ， 可 得 下 列 结 果 ：

IGBT上 的 电 压

φ 是 由 电 路 的 初 始 状 态 和 电 路 参 数 决 定 的 初 相 角 ； β 是 仅 由 电 路 参 数 决 定 的 iL滞 后 于 uc的 相 位 角 。

由 上 面 的 结 果 可 以 看 到 ， 当 IGBT关 断 之 后 ， uc和 iL呈 现 衰 减 的 正 弦 振 荡 ， uce是 Udc与 uc的 叠 加 ， 它 呈 现 以 Udc为 轴 心 的 衰 减 正 弦 振 荡 ， 其 第 一 个 正 峰 值 是 加 在 IGBT上 的 最 高 电 压 。 首 先 是 L＊ 释 放 能 量 ， Cr吸 收 能 量 ， iL正 向 流 动 ， 部 分 能 量 消 耗 在 R＊ 上 。 在 t1a时 刻 ， ω （ t－ t1a） = ＋ β ， iL= 0， L＊ 的 能 量 释 放 完 毕 ， uc达 到 最 大 值 Ucm， 于 是 ， IGBT上 的 电 压 也 达 到 最 大 值 uce=Ucm＋ Udc。 这 时 Cr开 始 放 电 ， L＊ 吸 收 能 量 ， 当 ω (t－ t1)=φ 时 ， uc=0， Cr的 能 量 释 放 完 毕 ， L＊ 又 开 始 释 放 能 量 ， 一 部 分 消 耗 在 R＊ 上 ， 一 部 分 向 Cr充 电 ， 使 uc反 向 上 升 ， 如 图 4所 示 。 然 后 ， Cr开 始 释 放 能 量 ， 使 iL反 向 流 动 ， 一 部 分 消 耗 在 R＊ 上 ， 一 部 分 转 变 成 磁 场 能 。 在 uc接 近

完 毕 ， 转 由 L＊ 释 放 能 量 ， 使 iL继 续 反 向 流 动 ， 一 部 分 消 耗 在 R＊ 上 ， 一 部 分 向 Cr反 向 充 电 。 由 于 Cr 左 端 的 电 位 被 电 源 箝 位 于 Udc， 故 右 端 电 位 不 断 下 降 。 当 ω (t－ t1)=ω (t2－ t1)， 即 t=t2时 ，uc=－Udc，uce=0， 二 极 管 D开 始 导 通 ， 使 Cr左 端 电 位 不 能 再 下 降 而 箝 位 于 0。 于 是 ，uc不 再 变 化 ， 充 电 结 束 。 但 是 ， L＊ 中 还 有 剩 余 能 量 ， iL并 不 为 0，t2时 刻 iL(t2)=－ I2。 这 时 ， 在 主 控 制 器 的 控 制 下 ， 主 开 关 开 始 导 通 。 因 此 ， 是 零 电 压 开 通 。 1.2.3 [t2，t3]电 感 放 电 阶 段

解 此 微 分 方 程 并 代 入 初 始 条 件 ， 可 得 ：

L＊ 中 的 剩 余 能 量， 一 部 分 消 耗 在 R＊ 上 ， 一 部 分 返 回 电 源 ，iL的 绝 对 值 按 指 数 规 律 衰 减 ， 在 t3时 刻 ，iL=0， L＊ 中 的 能 量 释 放 完 毕 ， 二 极 管 自 然 阻 断 。 在 uc=－Udc即uce=0时 ， 主 开 关 已 经 开 通 ， 在 电 源 Udc的 激 励 下，iL又 从 0开 始 正 向 流 动 ， 重 复 [t0， t1]阶 段 的 过 程 。

2 仿 真与 实 验 波 形

主 谐 振 电 路 仿 真 波 形 如 图 5所 示 ， 实 验 波 形 如 图 6所 示 ， 试 验 参 数 为 ： L=144 μ H， C=0.27 μ F。

3 功 率 控 制

通 过 上 面 的 分 析 我 们 可 以 看 到 当 负 载 变 化 ， 也 就 是 锅 具 的 等 效 电 感 和 电 阻 变 化 时 ， 电 磁 炉 的 谐 振 频 率 会 发 生 变 化 ， 电 磁 炉 的 输 出 功 率 会 不 稳 定 ， 实 验 测 得 不 锈 钢 锅 和 铁 锅 功 率 可 以 差 别 300 W， 为 此 ， 我 们 采 用 模 糊 控 制 技 术 来 控 制 电 磁 炉 的 输 出 功 率 ， 取 得 了 满 意 的 效 果 。 图 7是 电 磁 炉 的 控 制 结 构 图 。 图 8是 电 磁 炉 模 糊 控 制 器 的 结 构 图 ， 控 制 器 的 输 入 分 别 为 给 定 功 率 与 输 出 功 率 的 误 差 信 号 X和 误 差 的 变 化 量 Y。 为 了 提 高 实 时 响 应 速 度 ， 采 用 控 制 表 方 式 的 模 糊 控 制 器 。

4 结 语

详 细 分 析 了 电 磁 炉 主 谐 振 电 路 的 工 作 过 程 ， 分 析 结 果 与 实 验 波 形 是 一 致 的 。 针 对 负 载 变 化 ， 输 出 功 率 变 化 的 情 况 ， 本 文 提 出 的 模 糊 控 制 方 法 取 得 了 满 意 的 效 果 。 在 研 制 的 电 磁 炉 中 使 用 这 种 准 谐 振 电 路 和 本 文 提 出 的 控 制 方 法 ， 产 品 已 经 生 产 ， 经 长 时 间 测 试 ， 效 果 良 好。

参 考 文 献

[1] 韦巍 .智 能 控 制 技 术 [M].北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ，1999.

[2] 刘增良 .模 糊 技 术 与 应 用 选 编 （ 1） [M].北 京 ： 北京航 空 航 天 大 学 出 版社，1996.

[3] Grajales L,Tabisz W A, Lee F C, Development of Power Supply for Induction Heating[A]. Annual Project Report for ERL/ITRI of VPEC[C]. 1992.

电源技术应用