電磁爐的設(shè)計(jì) - 副本

1、 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：1.5KW電磁爐電路初步設(shè)計(jì)院（系）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：2014-12-29至2015-1-9課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）： 教研室：電氣學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目1.5kW電磁爐電路初步設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能先將交流電變成直流電，再將直流電變成20kHZ以上的交流電，驅(qū)動(dòng)電磁線圈。產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，在鐵制的廚具底部產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，產(chǎn)生熱量而加熱食品。設(shè)計(jì)任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、整流電路設(shè)計(jì)。3、逆變

2、電路設(shè)計(jì)。4、通過計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)。5、控制電路設(shè)計(jì)。6、繪制相關(guān)電路圖。7、完成設(shè)計(jì)說明書。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計(jì)算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、輸入電壓?jiǎn)蜗?70 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、具有過流保護(hù)。4、輸出最大功率：1500W。5、功率因數(shù)0.9。工作計(jì)劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)；第5天：逆變電路設(shè)計(jì)；第6天：確定高頻變壓器變比及容量；第7天：控制電路設(shè)計(jì)；第8天：保護(hù)電路設(shè)計(jì)；第9天：進(jìn)行matlab仿真、總結(jié)并撰寫說明書；第1

3、0天：答辯指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字：總成績(jī)： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要 本文所研究的題目是初步設(shè)計(jì)1.5KW電磁爐的電路。在本次電磁爐設(shè)計(jì)中主要包括整流電路、逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路，整流采用單相橋式整流電路，逆變電路采用電壓型逆變電路，驅(qū)動(dòng)采用光隔離，通過計(jì)算得到所需要的與元器件的具體參數(shù)和具體的電路圖等等。經(jīng)計(jì)算和multisim仿真選擇了基本的元器件。將交流電經(jīng)由變壓與整流電路，在控制電路的信號(hào)下變成直流電，再將直流電通過逆變電路變成高頻交流電，驅(qū)動(dòng)電磁線圈。產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，在鐵制的廚具底部產(chǎn)生磁滯損耗和

4、渦流損耗，產(chǎn)生熱量而加熱食品。 關(guān)鍵詞：電磁爐；整流電路；逆變電路；驅(qū)動(dòng)電路目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容2第2章 電磁爐電路設(shè)計(jì)32.1 電磁爐電路整體方案設(shè)計(jì)32.2 整流電路設(shè)計(jì)32.3過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)42.4 逆變電路的設(shè)計(jì)52.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5第3章 參數(shù)的計(jì)算與元器件的選擇73.1系統(tǒng)的整體電路圖設(shè)計(jì)73.2 變壓器的選擇73.3 二極管的選擇83.4 IGBT的選擇83.5 濾波電容的選擇9第4章 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試104.1仿真軟件介紹104.2仿真波形10第5章 設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)1415 第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電力電子技

5、術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。它分為信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。電力電子技術(shù)中所變換的“電力”和“電力系統(tǒng)”所指的“電力”是有一定差別的。二者都指的是“電能”但后者更具體，特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。通常所用的電力有交流和直流兩種。從公用網(wǎng)絡(luò)和蓄電池、干電池中的得到的電力往往不能滿足要求，需要電力變換。電力變換通?？梢苑譃樗拇箢悾唇涣髯兘涣?，直流變交流，直流變直流和交流變交流。依次可稱為整流，逆變，直流斬波與交流電力控制，變頻，變相。本設(shè)計(jì)中的整流電路，逆變電路就是其中兩項(xiàng)的簡(jiǎn)單應(yīng)用。電力電子技術(shù)的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)（高

6、壓直流輸電）、電子裝置電源家用電器、新型綠色能源等。電力電子技術(shù)的作用主要來說有：優(yōu)化電能使用，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)，電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展（變頻空調(diào)），電力電子智能化。這些作用具體可以表現(xiàn)在這些方面：可以取代非常大一部分一次性能源的使用，減緩了地球能源枯竭的壓力；其次精密的電子器件的應(yīng)用亦使得我們的電力系統(tǒng)能夠高效的運(yùn)作，將能源的耗費(fèi)降到最低；推動(dòng)信息與功率的結(jié)合，從而在工業(yè)設(shè)備、電網(wǎng)等地方進(jìn)行改革，從而推動(dòng)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。電力以其不可比擬的優(yōu)越性，而為大家所廣泛利用。主要有三個(gè)方面的特點(diǎn)：它便于轉(zhuǎn)換、便于輸送、便于控制。便于轉(zhuǎn)換：任何的能源都能夠通過一定的方

7、式轉(zhuǎn)換成電能；便于輸送：高壓輸電減少耗能且易于分配，同樣還可以以電磁波等方式傳輸；便于控制：數(shù)控方式，能精確反應(yīng)電能需要，從而合理地調(diào)配電源，控制穩(wěn)定。電路是對(duì)電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。電路具有以下幾個(gè)作用：實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸，信號(hào)的傳遞和處理，測(cè)量和儲(chǔ)存信息。電路是有三部分組成：電源，中間環(huán)節(jié)（很多電路的構(gòu)成都是在這個(gè)環(huán)節(jié)確定的）和負(fù)載。正弦交流電是現(xiàn)代電路輸電的主要代表。其電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間呈正弦變化，包含電動(dòng)勢(shì)最大值、角頻率和初相位三個(gè)要素。電路主要由三種元件構(gòu)成，分別為電阻元件、電感元件和電容元件。電感元件中電流不會(huì)突變而電壓可以發(fā)生突變，且不消耗有功功率，與電源之間存在能量交換即具有儲(chǔ)能作用

8、（磁場(chǎng)能），應(yīng)用于電磁爐等；電容元件由兩片金屬板組成來存儲(chǔ)電荷，使得電路中的電流可以發(fā)生突變并遏制電壓的突變，它具有“通交流，隔直流”的作用，同樣，電容不消耗功率，與電源之間存在著能量交換即具有儲(chǔ)能作用（電場(chǎng)能），應(yīng)用于靜電噴霧等技術(shù)上。三相交流輸電成為了最廣泛的現(xiàn)代輸電方式，在于它省材料，性能好，效益高。另外在電能輸電方面高壓直流輸電與高壓交流輸電的對(duì)比中，我們又看到了原本被否認(rèn)的直流輸電又比交流輸電有了更多的優(yōu)越性，不排除將來仍有走直流輸電的可能性。1.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的電磁爐電路只是簡(jiǎn)單的將電磁爐的工作原理表述出來，其電路包括單相橋式整流電路、電壓型逆變電路、采用光隔離的驅(qū)動(dòng)電路

9、和簡(jiǎn)單的直流保護(hù)電路。將交流電經(jīng)過整流電路之后變成直流電，再經(jīng)過逆變之后變?yōu)?0KHZ以上的交流電驅(qū)動(dòng)電磁線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，從而加熱鐵質(zhì)鍋底產(chǎn)生熱量加熱食物。電磁爐又稱為電磁灶，它起源于德國(guó)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，電磁爐的普及率達(dá)到了60%-70%。在我國(guó)，電磁爐也開始步入千家萬(wàn)戶。電磁爐與其他廚房電器和傳統(tǒng)灶具相比，電磁爐除在加熱時(shí)間上稍遜于煤氣爐之外，無論在安全、節(jié)能、高效、簡(jiǎn)便等方面都具有很大的優(yōu)越性，尤其在環(huán)保方面的有點(diǎn)更為突出。不會(huì)想電路那樣產(chǎn)生明火，不會(huì)造成視覺污染或者電路短路等問題；不會(huì)燃燒時(shí)產(chǎn)生廢氣，以及諸如液化氣泄露造成的中毒甚至是爆炸的安全隱患。同時(shí)磁爐方便收藏、易于清潔、體積

10、小巧，無論不是煎、炒、蒸、炸都不至于使室溫上升，在省電、省錢以及安全有保障的情況下將食物料理過程輕松完成。電磁爐是運(yùn)用高頻電磁感應(yīng)原理加熱。它將市電整流濾波后得到的脈動(dòng)直流轉(zhuǎn)換成高頻電流，通過加熱人線圈建立高頻磁場(chǎng)，磁力線經(jīng)線圈與鍋底構(gòu)成的磁回路穿透灶面作用于鍋底，在鍋底形成渦流而發(fā)熱，起到加熱鍋中食物的作用。國(guó)外有許多的服務(wù)行業(yè)和家庭已習(xí)慣使用這類智能化程度高、環(huán)保、高效的微電腦電磁爐，而且產(chǎn)品的更新速度很快。對(duì)該產(chǎn)品的需求，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)容量和潛力巨大，國(guó)際市場(chǎng)只要質(zhì)量和技術(shù)檔次能跟上，出口前景同樣看好。在這樣的市場(chǎng)和需求背景下，我們開發(fā)出智能化、寬電壓范圍，具有各種保護(hù)功能的新型電磁爐更具有

11、現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。 第2章 電磁爐電路設(shè)計(jì)2.1 電磁爐電路整體方案設(shè)計(jì)方案討論：在電磁爐的整體主要電路中，包含整流電路和逆變電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。整流電路有單相橋式可控電路和單相橋式不可控電路，由于此電磁爐功率小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可控能力較高所以選擇單相橋式不可控電路。由于交流側(cè)直接和負(fù)載連接，選擇無源逆變。在無源逆變中又有電壓型逆變電路和電源型逆變電路，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上查選資料和查證，電壓型較電流型有一定的優(yōu)越性和方案可行性，所以選擇電壓型逆變電路。設(shè)計(jì)整體框圖如圖2.1： 過流保護(hù) 交流交流變壓器直流整流電路 高頻交流磁場(chǎng)直流濾波器逆變電路驅(qū)動(dòng)電路圖2.1 電磁爐電路設(shè)計(jì)流程圖2.2 整流電路設(shè)

12、計(jì)整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，一般是由變壓器、整流電路和濾波器組合而成，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波器接在電路和負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。由于此部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，故采用單向橋式整流電路。電路圖如圖2.2。圖2.2 整流電路的設(shè)計(jì)2.3過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)采用普通熔絲的保護(hù)電路。電子保護(hù)電路具有高速斷流、恢復(fù)容易的特點(diǎn)，可應(yīng)用于任何直流電路中作過流保護(hù)裝置。圖2. 3 過流保護(hù)電路當(dāng)微動(dòng)開關(guān)K接通時(shí)，單相晶閘管SCR導(dǎo)通，直流電路也導(dǎo)通，當(dāng)用電量增大到超過規(guī)定的允許值時(shí)，檢測(cè)電阻R1上的電壓大于0.7V時(shí)，晶閘管BG導(dǎo)通，此時(shí)晶體

13、管集電極c和基極b間的電壓下降到低于3CT的維持電壓，3CT關(guān)斷，切斷供電電路。元件選擇：當(dāng)電路兩端電壓100V時(shí)，BG可用2N222A，單向晶閘管SCR可用6A/400V。R1的阻值是根據(jù)電源所允許的電流確定的，即R1=0.7/I（I為電源允許電流）。若電流的耗電為5W，R2阻值為0.35的繞線電阻，允許通過的電流為2A。2.4 逆變電路的設(shè)計(jì) 圖2.4 逆變電路設(shè)計(jì)如圖2.4，本次設(shè)計(jì)采用電壓型逆變電路。電壓型逆變電路的直流側(cè)為電壓源或并有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出

14、電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管IGBT。 2.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)，對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。此電路采用了光隔離。一般電路采用的隔離方式是光隔離或者磁隔離。具體電路如圖2.5。 圖2.5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 第3章 參數(shù)

15、的計(jì)算與元器件的選擇3.1系統(tǒng)的整體電路圖設(shè)計(jì) 圖3.1 整體電路3.2 變壓器的選擇 因?yàn)檩敵龉β首畲鬄?，公率因?shù)大于0. 9,由公式： 得視在功率 ： 令輸入電壓為=220V，頻率為50HZ，設(shè)變比k=10，由公式：得： 根據(jù)經(jīng)濟(jì)型和合理性應(yīng)選擇MISUMI廠家TP20E-150型變壓器。3.3 二極管的選擇由公式 得：所以，二極管的額定電壓為： 得：因?yàn)?二極管的額定電流為： 得： 3.4 IGBT的選擇全橋逆變的電壓幅值與矩形波展開為傅里葉級(jí)數(shù)得： 其中，基波的幅值和基波的有效值分別為： 因?yàn)?所以， 則：因?yàn)镮GBT承受的最大反向電壓為，所以IGBT的額定電壓為： 得：因?yàn)檩敵龉β蕿?/p>

16、1500W，由公式： 得：額定電流為： 得：所以應(yīng)選擇300V/25A的IGBT管。3.5 濾波電容的選擇由公式： (3-14） 得： 濾波電容承受的最大反向電壓為=77.78V所以應(yīng)選擇17037uF/80V的濾波電容。 第4章 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試4.1仿真軟件介紹Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工

17、程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲，仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。4.2仿真波形圖4.1 未進(jìn)行整流時(shí)電流仿真圖樣將各個(gè)電路用軟件進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果基本達(dá)到所預(yù)計(jì)目標(biāo)?，F(xiàn)將仿真結(jié)果打印如下：在未進(jìn)行整流時(shí)的電流波形如圖4.1所示。 經(jīng)過整流電路后的電流波形如圖4.2所示。經(jīng)過整流電路的電流應(yīng)該由單相交流變成不穩(wěn)定直流。 經(jīng)過濾波電路后的電流波形如圖4.3所示。經(jīng)過濾波的電流應(yīng)由不穩(wěn)定直流變成相對(duì)穩(wěn)定的直流。經(jīng)過整體

18、電路后的電流波形如圖4.4所示。在驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)下，經(jīng)過逆變電路的電流應(yīng)由直流變成高頻交流電接入高頻線圈，使其產(chǎn)生熱量，從而加熱鍋底。圖4.2 經(jīng)整流后的電流仿真圖樣圖4.3 經(jīng)濾波后的電流仿真圖樣圖4.4 經(jīng)過整體電路的電流仿真圖樣第5章 設(shè)計(jì)總結(jié) 本文設(shè)計(jì)了1.5KW電磁爐的初步電路。設(shè)計(jì)了整流電路、濾波電路的設(shè)計(jì)方法和元件選擇，通過公式計(jì)算和參數(shù)選擇得到所需要的元器件的具體參數(shù)和具體的電路圖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)220V交流電通過整流電路時(shí)，工頻交流電會(huì)變成較為穩(wěn)定的直流電，再通過濾波電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電信號(hào)，直流信號(hào)在驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)下，變成高頻交流電，其經(jīng)過電磁繞組產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，在鐵制的廚具底部產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，產(chǎn)生熱量而加熱食品。在選擇過流保護(hù)電路時(shí)，選擇了簡(jiǎn)單的直流保護(hù)電路，因?yàn)樗韫β瘦^小，同時(shí)還有驅(qū)動(dòng)電路控制，所以只需防止整流失敗。在選擇整流電路時(shí)，由于此電磁爐功率為1.5Kw，功率較小，所以選擇單相橋式不可控電路。在選擇過流保護(hù)電路時(shí)，選擇了簡(jiǎn)單的直流保護(hù)電路，因?yàn)樗韫β瘦^小，同時(shí)還有驅(qū)動(dòng)電路控制，所以只需防止整流逆變失敗。在選擇無源與有源逆變中，由于直流側(cè)直接并聯(lián)電源，所以選擇無源逆變。采用了單向橋式電路。而在無源逆變中，有電壓型逆變電路和電源型逆變電路兩種可以來選擇，但經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)查證和老師的指導(dǎo)下，選擇了電壓型逆變電路。 經(jīng)m