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电磁炉主谐振电路研究与功率控制

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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

引言

由电力电子电路组成的电磁炉(Inductioncooker)是一种利用电磁感应加?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。

图1

    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。
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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20~30kHz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。
电磁炉主谐振电路研究与功率控制
    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?。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。

图4

    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)。

电磁炉主谐振电路研究与功率控制

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。
电磁炉主谐振电路研究与功率控制
    由图3(b)、图3(c)的等效电路可得到式(3)方程组。

L*(di/dt)+iLR*+uc=0

Cr(duc/dt)=iL   (3)

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