電磁爐主諧振電路研究與功率控制

1、電磁爐主諧振電路研究與功率控制 摘要：詳細分析了電磁爐主諧振電路的拓撲結構和工作過程，基于模糊控制理論，給出了負載變化時控制功率穩(wěn)定的智能控制方法。 關鍵詞：電磁爐；主諧振電路；模糊控制引言由電力電子電路組成的電磁爐（Inductioncooker）是一種利用電磁感應加?原理，對鍋體進行渦流加熱的新型灶具。由于具有熱效率高、使用方便、無煙熏、無煤氣污染、安全衛(wèi)生等優(yōu)點，非常適合現(xiàn)代家庭使用。電磁爐的主電路是一個AC/DC/AC變換器，由橋式整流器和電壓諧振變換器構成，本文分析了電磁爐主諧振電路的拓撲結構和工作過程。圖1 當電磁爐負載（鍋具）的大小和材質(zhì)發(fā)生變化時，負載的等效電感會發(fā)生變化，這將

2、造成電磁爐主電路諧振頻率變化，這樣電磁爐的輸出功率會不穩(wěn)定，常會使功率管IGBT過壓損壞。針對這種情況，本文提出了一種雙閉環(huán)控制結構和模糊控制方法，使負載變化時保持電磁爐的輸出功率穩(wěn)定。實際運行結果證明了該設計的有效性和可靠性。1 電磁爐主電路拓撲結構與工作過程11 電磁爐主電路拓撲結構電磁爐的主電路如圖1所示，市電經(jīng)橋式整流器變換為直流電，再經(jīng)電壓諧振變換器變換成頻率為2030kHz的交流電。電壓諧振變換器是低開關損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開關管的開關動作由單片機控制，并通過驅動電路完成。 電磁爐的加熱線圈盤與負載鍋具可以看作是一個空心變壓器，次級負載具有等效的電感和電阻，將次級的

3、負載電阻和電感折合到初級，可以得到圖2所示的等效電路。其中R是次級電阻反射到初級的等效負載電阻；L是次級電感反射到初級并與初級電感L相疊加后的等效電感。12 電磁爐主電路的工作過程電磁爐主電路的工作過程可以分成3個階段，各階段的等效電路如圖3所?。研究一個工作周期的情況，定義主開關開通的時刻為t0。時序波形如圖4所示。圖4 按主開關零電壓開通的特點，t0時刻，主開關上的電壓uce=0，則Cr上的電壓uc=uceUdc=Udc。如圖3（a）所示，主開關開通后，電源電壓Udc加在R及L支路和Cr兩端。由于Cr上的電壓已經(jīng)是Udc，故Cr中的電流為0。電流僅從R及L支路流過。流過IGBT的電流is與

4、流過L的電流iL相等。由圖3（a）得式（1）?？梢?，iL按照指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加。流過R形成了功率輸出，流過L而儲存了能量。到達t1時刻，IGBT關斷，iL達到最大值Im。這時，仍有uc=Udc，uce=0。iL換向開始流入Cr，但Cr兩端的電壓不能突變，因此，IGBT為零電壓關斷。IGBT關斷之后，L和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振，同時在R上消耗能量，形成功率輸出。等效電路如圖3（b）及圖3（c）所示，我們也將其分為兩個階段來討論。波形如圖4中的iL和uc。 由圖3(b)、圖3(c)的等效電路可得到式（3）方程組。L(di/dt)iLRuc=0Cr(duc/dt)=iL （3）由初始條件iL(t1

5、)=Im，uc(t1)=Udc，解微分方程組式（3）并代入初始條件，可得下列結果：IGBT上的電壓式中：=R*/2L*為衰減系數(shù)；是由電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角；是僅由電路參數(shù)決定的iL滯后于uc的相位角。由上面的結果可以看到，當IGBT關斷之后，uc和iL呈現(xiàn)衰減的正弦振蕩，uce是Udc與uc的疊加，它呈現(xiàn)以Udc為軸心的衰減正弦振蕩，其第一個正峰值是加在IGBT上的最高電壓。首先是L釋放能量，Cr吸收能量，iL正向流動，部分能量消耗在R上。在t1a時刻，（tt1a）=?，iL=0，L的能量釋放完畢，uc達到最大值Ucm，于是，IGBT上的電壓也達到最大值uce=UcmUdc。這

6、時Cr開始放電，L吸收能量，當(tt1)=時，uc=0，Cr的能量釋放完畢，L又開始釋放能量，一部分消耗在R上，一部分向Cr充電，使uc反向上升，如圖4所示。 然后，Cr開始釋放能量，使iL反向流動，一部分消耗在R上，一部分轉變成磁場能。在uc接近0之前，(tt1)=2之時，iL達到負的最大值。當(tt1)=時，uc=0，Cr的能量釋放完畢，轉由L釋放能量，使iL繼續(xù)反向流動，一部分消耗在R上，一部分向Cr反向充電。由于Cr左端的電位被電源箝位于Udc，故右端電位不斷下降。當(tt1)=(t2t1)，即t=t2時，uc=Udc，uce=0，二極管D開始導通，使Cr左端電位不能再下降而箝位于0。

7、于是，uc不再變化，充電結束。但是，L中還有剩余能量，iL并不為0，t2時刻iL(t2)=I2。這時，在主控制器的控制下，主開關開始導通。因此，是零電壓開通。如圖3(d)所示，可得方程：LiLR=Udc初始條件為：iL(t2)=I2。解此微分方程并代入初始條件，可得：L中的剩余能量，一部分消耗在R上，一部分返回電源，iL的絕對值按指數(shù)規(guī)律衰減，在t3時刻，iL=0，L中的能量釋放完畢，二極管自然阻斷。在uc=Udc即uce=0時，主開關已經(jīng)開通，在電源Udc的激勵下，iL又從0開始正向流動，重復t0，t1階段的過程。2 仿真與實驗波形主諧振電路仿真波形如圖5所示，實驗波形如圖6所示，試驗參數(shù)為：L=144H，C=0.27F。3 功率控制通過上面的分析我們可以看到當負載變化，也就是鍋具的等效電感和電阻變化時，電磁爐的諧振頻率會發(fā)生變化，電磁爐的輸出功率會不穩(wěn)定，實驗測得不銹鋼鍋和鐵鍋功率可以差別300W，為此，我們采用模糊控制技術來控制電磁爐的輸出功率，取得了滿意的效果。圖7是電磁爐的控制結構圖。圖8是電磁爐模糊控制器的結構圖，控制器的輸入分別為給定功率與輸出功率的誤差信號X和誤差的變化量Y。為了提高實時響應速度，采用控制表方式的模糊控制器