電磁爐的設(shè)計(jì)

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：2013-12-30至2014-1-10課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：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，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、輸入電壓單相170~260V。2、輸入交流電頻率45~65HZ。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：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評(píng)語及成績平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：指導(dǎo)教師簽字：總成績：年月日注：成績：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。廣泛應(yīng)用于家庭中，具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，所以研究此課題具有一定的實(shí)際意義。在本次電磁爐設(shè)計(jì)中主要包括整流電路、逆變電路和控制電路，通過計(jì)算得到所需要的原器件的具體參數(shù)和具體的電路圖等等。將交流電經(jīng)由整流電路，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20kHZ以上的交流電，驅(qū)動(dòng)電磁線圈。產(chǎn)生高頻交變磁場，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。經(jīng)計(jì)算和仿真選擇了基本的元器件。仿真結(jié)果表明本設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有一定的可行性和合理性。關(guān)鍵詞：電磁爐；整流電路；逆變電路目錄TOC\o"1-3"\h\u25512第1章緒論 1242851.1電力電子技術(shù)概況 1114581.2電磁爐簡介 23954第2章電磁爐電路初步設(shè)計(jì) 485672.1電磁爐初步電路整體方案設(shè)計(jì) 480882.2整流電路設(shè)計(jì) 485382.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 56532.4驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 627672第3章參數(shù)的計(jì)算與元器件的選擇 7137833.1變壓器的選擇 757383.2二極管的選擇 721553.3IGBT的選擇 8203913.4濾波電容的選擇 9227603.5系統(tǒng)的整體電路圖設(shè)計(jì) 915411第4章系統(tǒng)的仿真與調(diào)試 10347第5章設(shè)計(jì)總結(jié) 1324634參考文獻(xiàn) 14第1章緒論1.1電力電子技術(shù)概況電力電子技術(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?，即交流變交流，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（磁場能），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電磁爐簡介電磁爐又稱為電磁灶，它起源于德國。在西方發(fā)達(dá)國家，電磁爐的普及率達(dá)到了60%-70%。在我國，電磁爐也開始步入千家萬戶。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。電磁爐分為工頻電磁爐和高頻電磁爐，工頻電磁爐工作簡單可靠，主要存在的問題是噪聲大，已被淘汰，現(xiàn)在所說的電磁爐指的都是高頻電磁爐。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，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。美國研究電磁爐歷史悠久，100多年前已研制吃電磁爐，由于該種電磁爐熱效率不是很高，并且易產(chǎn)生工頻噪聲，所以沒有大量推廣。在20世紀(jì)70年代，美國率先研制出高頻電磁爐（工作頻率20-50Hz），緊接著日本也研制出高頻電磁爐。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代末到90年代初曾掀起電磁爐熱潮，因當(dāng)時(shí)元器件和設(shè)計(jì)方面的原因（主要是設(shè)計(jì)原因），許多電磁爐產(chǎn)品可靠性很差，導(dǎo)致大量電磁爐生產(chǎn)廠出現(xiàn)虧損，隨著技術(shù)的進(jìn)步，元器件質(zhì)量的提高，目前國產(chǎn)電磁爐已經(jīng)逐步走向成熟。根據(jù)市場調(diào)查，電磁爐在國外的市場需求很大。國外有許多的服務(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。電磁爐正處產(chǎn)品生命周期中的成長期，對(duì)該產(chǎn)品的需求，國內(nèi)的市場容量和潛力巨大，國際市場只要質(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現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。第2章電磁爐電路初步設(shè)計(jì)2.1電磁爐初步電路整體方案設(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。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：變壓器變壓器逆變電路濾波器整流電路交流交流直流直流圖2.1電磁爐初步電路設(shè)計(jì)流程圖高頻交流2.2整流電路設(shè)計(jì)整流電路的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備，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)簡單、工作可靠，其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，故采用橋式整流電路。電路圖如圖2.2。圖圖2.2整流電路設(shè)計(jì)圖2.3逆變電路的設(shè)計(jì)2.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)圖2.3逆變電路的設(shè)計(jì)如圖2.3，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。圖圖2.4驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)2.4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。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光隔離或磁隔離。具體電路如圖2.4。第3章參數(shù)的計(jì)算與元器件的選擇3.1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（3-1）得：令輸入電壓為=220V，頻率為50HZ，設(shè)變比k=4，由公式：（3-2）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。3.2二極管的選擇由公式(3-3)得：所以，二極管的額定電壓為：(3-4）得：因?yàn)椋?-5）(3-6)二極管的額定電流為：（3-7） 得：所以應(yīng)選擇2CZ31型二極管。3.3IGBT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：(3-8)其中，基波的幅值和基波的有效值分別為：(3-9)(3-10)因?yàn)樗?，則：因?yàn)镮GBT承受的最大反向電壓為，所以IGBT的額定電壓為：（3-11）得：因?yàn)檩敵龉β蕿?500W，由公式：（3-12）得：額定電流為：（3-13）得：所以應(yīng)選擇300V/25A的IGBT管。3.4濾波電容的選擇由公式：(3-14）（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。3.5系統(tǒng)的整體電路圖設(shè)計(jì)經(jīng)過元器件的選擇之后，確定系統(tǒng)的整體電路圖如圖3.1所示。圖圖3.1整體電路的設(shè)計(jì)第4章系統(tǒng)的仿真與調(diào)試將各個(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。圖圖4.1未進(jìn)行整流時(shí)電流仿真圖樣經(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4.3經(jīng)濾波后的電流仿真圖樣圖圖4.3經(jīng)濾波后的電流仿真圖樣圖4.2經(jīng)整流后的電流仿真圖樣圖圖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)了電磁爐的初步電路。重點(diǎn)分析了變壓器、整流電路、濾波電路的設(shè)計(jì)方法和元件選擇，通過計(jì)算得到所需要的元器件的具體參數(shù)和具體的電路圖。當(dāng)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，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。在選擇整流電路時(shí)，有