定制化解决方案

微波炉变频整流控制系统





一、项目应用范围


        本项目(IH电磁炉变频整流控制系统)主要应用于以下领域:家用IH电磁炉


二、本项目优势、特点与国内外同类产品的比较  


        IH电磁炉是利用高频电磁感应加热原理与模糊控制技术相组合,将市电整流滤波后得到的脉动直流转换成高频电流,通过加热线圈建立高频磁场,磁力线经线圈与锅底构成的磁回路穿透灶面作用于锅底,在锅底形成涡流而发热,起到加热锅中食物的作用。

电磁炉基本电路结构如下图


  

三、本方案的采用理由、描述


        本项目针对现有电磁炉功率小、稳定性差等缺陷,开展了基于半桥谐振电路电磁炉的关键技术研究。根据大功率电磁炉工作原理,确定了本课题采用电压型串联谐振电路形式,根据此电路形式设计了电路中各参数,包括IGBT的选型,谐振电感、电容的设计


四、产品实现功能及性能介绍


        本项目研究开发的IH变频电磁炉主电路主要有整流模块(AC-DC模块)和逆变模块(DC-AC模块)两部分组成,其设计图如图3所示:

 


五、项目关键技术


        1、整流电路设计

        整流模块将三相交流电变成稳定平滑的直流电源,主要由抑制电磁干扰滤波器、整流桥、LC平波电路组成。

        电磁炉本身就是一干扰源,在大功率电磁炉电路中,三相整流桥模块,高速IGBT模块的应用会产生大量电磁干扰信号,这些干扰信号会影响到其他电路及电网中其他设备的正常运行,同时也会影响到电网的用电安全。

        如下图所示,其中L1,L2,L3为共模扼流圈,由于它的两个线圈匝数相等,这三个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的,因而不起作用而对于共模干扰信号,能够得到一个大的电感量呈现高阻抗,以获得最大的滤波效果,因此对共模信号其有良好的抑制作用。

 


        抑制电磁干扰滤波电路

        在共模扼流圈两端分别有三组电容接到中线,在每个电容上并联一个大电阻

        用来吸收静电。CY1、CY2、CY3并接在相线和大地之间。当差模噪声经电源线A相时,分别经CX3和L1、CX6返回中性线N,并得到衰减,减小干扰。共模噪声是从电源线ABC与N对地E加入的干扰信号,当干扰信号进入电磁干扰滤波器时,经L1、CY3入地,信号通过共模电感线圈L1时,因产生的磁场方向相同而受到急剧的衰减,然后经CY3入地,从而抑制了电网对设备的干扰。


        2、逆变电路设计

        逆变模块的设计包括谐振电路的设计,本项目采用的是电压型串联谐振电路,谐振电路的设计则主要为谐振电容和谐振电感的参数设计以及IGBT的选型。

        开关管的峰值电压:  = V。一般取实际值的2-3倍为IGBT的额定值,所以选取IGBT耐压值为1200V。考虑到电网电压的波动,输入电压V =2.34U(1-10%)=463V,逆变电路的基波分量v= / =208V。

        谐振电路中电流的最大有效值:I = =18000  ,IGBT的峰值电流为:I = = =110A。考虑IGBT的安全性选用额定电流为200A,最后选定的是尼吉康FF200R12KS4。

        串联谐振电路输出电压的有效值为:V  根据串联谐振电路的输出电流,可以得到谐振电容两端电压的最大值为:V =V Q,Q为负载的品质因数,一般取5,有: V =V Q=229.5 5 1148V,由电容上的电压和电流可以得到容抗为:X = = =14.7 ,再由X = ,所以,C= =1/(2 14.7)=0.61uF。

        逆变器的工作频率在18kHz~35kHZ,再经过实际工程调试,最后选择由7个0.1uf、1600V的高频电容器并联成0.7uF。


        3、基于动态负载的自适应恒温控制

        大功率电磁炉一般采用定频率控制策略,即不同的档位对应不同的工作频率,因此在实际应用中,电磁炉输出功率会随着工作频率的不同而波动。另外,火力控制的最终对象是锅具温度,如果持续功率输出,锅具在炒菜、烧油等环境中温度会持续上升,当超过厨师想要的温度时,既浪费了能量,又对被加热食物不利。本系统采用自适应恒温的火力调节控制器,首先通过判断锅具中心的加热温度。在锅底温度未达到设定温度时,执行控制器1,采取恒功率输出策略,控制器1输入为逆变器工作频率,输出为功率,模型为动态负载阻抗模型。当锅底温度上升到设定温度时采取恒温控制策略,执行控制器2,控制器2为基于温度的PI控制,输入为逆变器工作频率,输出为锅底温度。不管锅具发生什么变化、被加热食物为何种类,也无论电网如何波动,电控系统将直接根据反馈的温度信号,参比厨师档位设定温度,自适应的改变PWM控制脉冲,控制加热线圈的输出功率,实现精准的恒温控制。其控制系统结构如下图所示:

 


六、项目市场前景/可实现效益


        目前国内市场上的大功率电磁炉主要基于半桥串联谐振电容设计,主要缺点是功率因素低、稳定性差。逆变主回路上的功率因素低,大量电能损耗在电容和电感上,同时由于电压和电流的相位差会对电网产生较严重的影响,产生谐波污染。逆变电路的大电流和多次谐波极大地影响了IGBT的正常运行,大电流导致其发热严重,多次谐波的影响容易导致其短路。国内研究大功率电磁炉的高峰期在上世纪八九十年代,由于受到功率器件的影响,大量产品可靠性差,功率低,难以被市场所接受。随着技术上的突飞猛进,以及产品维护上的日益完善,大功率IH变频电磁炉发展迅速,市场增幅快,特别是在商用领域,各厂家对其开发投入了大量的资金和科研队伍,因此有着巨大的市场空间。

        在功率控制方面,现在主流的产品还是采用的定频控制,即不同的档位对应不同的工作频率。本项目结合客户需求,应用变频整流控制技术以及模糊逻辑控制技术,开发出既可自动煮饭,又可炒菜的电磁炉,具备广阔的市场前景。



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