电磁感应加热系统电路设计
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宋国梅,王永涛
(潍坊学院,山东 潍坊 261061)摘 要:电磁感应加热技术在家电等行业具有广泛的应用。
分析了电磁感应加热技术的工作原理,对系统整体功能构成框图进行了研究,设计了主电路结构图和EM I 滤波器电路;系统设计完成了电磁感应加热系统的基本功能,实现了系统的性能设定指标。
关键词:单片机;电磁感应;EM I 滤波
中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1671-4288(2010)04-0034-03
电磁感应加热技术是一种新型的加热技术,它利用高频电加热原理,将交流电转化为高频电流,产生高频磁场,当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时,磁力线被切割,产生大量小涡流,使铁质容器的自身迅速发热,从而达到加热的目的。
它较目前家电中常用的电热丝加热技术、远红外加热技术、微波加热技术等具有无可比拟的优越性。
电磁感应加热技术在热效率、功能、高效节能、电磁辐射等方面是当今家电设计领域中新型的技术。
它弥补了电热丝加热技术和微波加热技术不能用在烹饪等领域的不足,也弥补了微波加热技术辐射强的缺点。
1 电磁感应加热的基本原理
图1是最简单的一种变压器电路模型,其初级线圈和次级线圈间功率、电压和电流关系分别满足公式
(1)、公式(2)和公式(3),其中符号P 表示系统的总功率,U 1、I 1、N 1分别表示初级线圈的电压、电流和匝数,U 2、I 2、N 2分别表示次级线圈的电压、电流和匝数。
这里,忽略漏磁电流的影响,初级线圈与次级线圈的损耗均由绕组的电阻引起,当次级绕组为短路时,由于负载电流(次级绕组的电流)增大而产生热损耗,如图2所示。
由能量守恒定律可知,电源提供的能量与初级线圈和次级线圈的总损耗相等。
图1 一般形式的变压器 图2 次级短路的变压器
P 1=U 1*I 1=U 2*I 2
(1)U 1U 2=N 1N 2
(2)I 1I 2=-N 2N 1(3)
由于电磁感应加热的基本目的是使次级线圈产生的热量最大,因此,感应加热线圈与负载之间的缝隙要设计的足够小,次级线圈要由低阻抗且高渗透性特性的材料制成。
非铁金属或不含铁的金属由于其高阻抗和低渗透性会破坏能量的功效,通常不被采用。
因此,对于电磁感应加热系统,铸铁、不锈钢等材料能满足上述要求,而陶瓷、玻璃、铝、铜等材料则不能满足要求。
34 第10卷第4期 潍坊学院学报 V ol.10N o.42010年8月 Jo ur nal of W eifang U niv ersity A ug.2010
*收稿日期:2009-12-16
作者简介:宋国梅(1963-),女,山东潍坊人,潍坊学院研究实习员。
从能量的转换角度来看整个系统的原理,图3中第一个电能表示电源,第二个电能表示用于发热的感应电流和涡流,只所以要经磁场转变,
是为了提高发热效率。
图3 能量的转换
当交变电流过线圈时,根据安培定律,在线圈周围就会产生交变的磁场。
H dl =Ni (4) = H A (5)式中,H 为磁场强度;A 为截面积;i 为电流;N 为匝数;M 为磁导率。
导体放在磁场中时,磁场运动的速率会发生变化,并且,导体越接近磁场中心,磁场密度越低,根据法拉第定律,导体表面所产生的电流与感应的电流成反比,导体表面的电流产生涡流。
=-N d /dt =-N AdB (t)/dt (6)式中,B(t)表示磁感应强度,而由感应电流和涡流引起的电能就转变为热能。
P = 2R
=I 2R (7)式中,R 由导体的电阻率和渗透性决定,电流大小由磁场强度决定。
2 系统的整体功能框图设计
图4 系统整体功能模块图系统框图由电源滤波电路、工作电源电
路、主电路、振荡电路、隔离电路、驱动电路、单
片机控制电路和保护电路等单元电路组成。
系统整体结构框图见图4。
2.1 EMI 滤波器电路
电磁感应装置里包括高速软开关器件IG
BT,因此必须考虑电磁干扰的问题。
一方面,
电磁感应加热系统的电磁干扰不能进入电网
中影响其它设备的正常工作,另一方面,电网
中的高频噪声也不能进入电磁感应装置电路中来。
为了防止电网内各种设备间互相干扰,
也为了防止电磁辐射对人体健康产生的影响,设计中加入了电源滤波器电路。
2.2 整流滤波电路
整流电路就是将交流电变为直流电,分全桥整流和半桥整流两种整流方式,为了提高转化效率,设计中选用全桥整流电路。
滤波电路就是把系统不需要的噪音滤掉,让系统需要的有用信号通过。
2.3 主谐振回路
本设计中使用的谐振是串联谐振。
当受矩形脉冲驱动的IGBT 导通时,LC 回路发生串联谐振,把无功功率补偿掉,从而使效率转换达到最大。
2.4 控制电路
控制电路的核心是单片机,单片机的加入使电磁感应加热系统实现了智能化,它提供了良好的人机界面、功率自动控制、温度自动控制、定时控制以及各种自动检测与报警等功能。
2.5 隔离电路
光电隔离的目的是割断两个电路之间的联系,使之相互独立,从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。
在本设计中主要应用于强弱电之间的隔离。
使两者之间的控制信号可以进行正常传送,噪声信号互相隔离,从而实现电气隔离的目的。
2.6 驱动电路
该电路通过输出矩形波信号用来驱动功率开关器件IGBT 的导通和关断,其性能直接影响能否可靠工作。
35 第4期 宋国梅,王永涛:电磁感应加热系统电路设计
2.7 工作电源电路
工作电源电路负责整个控制系统、驱动系统等的电源供给。
电源输出四个电压值:+5V(主要对单片机供电),+9V(对振荡电路供电),+12V(主要对风扇供电,对隔离电路供电),+15V(对驱动电路供电)。
3 系统的主电路设计
图5 主谐振电路图3.1 主电路结构
主电路的结构图见图5,从图5中可以看出,
市电经过整流、滤波电路后就是谐振电路。
通过
给IGBT 的栅极输入矩形脉冲信号,可以控制IG
BT 的导通和关断,从而控制了整个系统的功率状
态。
3.2 EMI 滤波器设计
EM I 滤波器电路是感应装置与电网之间的一道屏蔽墙,它大大地降低了电磁感应装置的传导
干扰,削弱了感应装置对人体的辐射,把对人体健康的影响降到最低。
同时它也阻止了电网对感应装置的电磁干扰。
设计的滤波器电路见图6。
图6 EM I 滤波器电路图
4 结束语
系统设计完成了电磁感应加热系统的基本功能,实现了预期对于系统的性能设定的指标;电磁感应加热系统经过实际的使用验证、实验数据计算,各项功能满足设计要求,测量精度符合技术指标。
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Electromagnetic Induction Heating System Circuit Design
SONG Guo -mei,WANG Guang -tao
(Weifang University,Weifang 261061,C hina)
Abstract:T he electro magnetic induction heating technique in pr ofessions and so on electrical appliances has the w idespread application,has analy zed the electr omagnetic inductio n heating technique principle of w ork,has researched the system function constitution diagram,has designed the main circuit structure draw ing and the EMI filter circuit.T he system design has completed the electrom ag netic induction heat ing sy stem's basic functio n,has r ealized the system's perfo rmance hypothesis target.
Keywords:single-chip computer,electr omagnetic induction,EM I filter
(责任编辑:肖恩忠) 36 潍坊学院学报 2010年8月。