电磁炉主谐振电路研究与功率控制

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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

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20~30kHz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｡

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

Cr(duc/dt)=iL                    (3)

由初始条件iL(t1)=Im,uc(t1)=-Udc,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：

式中:δ=R*/2L*为衰减系数;

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-t1)=φ+β(β应为-π/2),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｡

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｡当ω(t-t1)=π+φ时,uc=0,Cr的能量释放完毕,iL达到负的最大值｡此后转由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（忽略二极管的导通压降）,使Cr右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

如图3(d)所示,可得方程:

L^**diL/dt+iLR*=Udc

初始条件为:iL(t2)=-I2｡

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=144μH,C=0.27μF｡

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300W,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｡