電磁爐主諧振電路研究與功率控制
關(guān)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(yīng)加?原理，對(duì)鍋體進(jìn)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(diǎn)，非常適合現(xiàn)代家庭使用。電磁爐的主電路是一個(gè)AC/DC/AC變換器，由橋式整流器和電壓諧振變換器構(gòu)成，本文分析了電磁爐主諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過程。
圖1
當(dāng)電磁爐負(fù)載（鍋具）的大小和材質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的等效電感會(huì)發(fā)生變化，這將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(huì)不穩(wěn)定，常會(huì)使功率管IGBT過壓損壞。針對(duì)這種情況，本文提出了一種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和模糊控制方法，使負(fù)載變化時(shí)保持電磁爐的輸出功率穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。
1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作過程
1．1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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20～30kHz的交流電。電壓諧振變換器是低開關(guān)損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作由單片機(jī)控制，并通過驅(qū)動(dòng)電路完成。
電磁爐的加熱線圈盤與負(fù)載鍋具可以看作是一個(gè)空心變壓器，次級(jí)負(fù)載具有等效的電感和電阻，將次級(jí)的負(fù)載電阻和電感折合到初級(jí)，可以得到圖2所示的等效電路。其中R＊是次級(jí)電阻反射到初級(jí)的等效負(fù)載電阻；L＊是次級(jí)電感反射到初級(jí)并與初級(jí)電感L相疊加后的等效電感。
1．2 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(gè)階段，各階段的等效電路如圖3所?。研究一個(gè)工作周期的情況，定義主開關(guān)開通的時(shí)刻為t0。時(shí)序波形如圖4所示。
圖4
1.2.1 [t0，t1]主開關(guān)導(dǎo)通階段
按主開關(guān)零電壓開通的特點(diǎn)，t0時(shí)刻，主開關(guān)上的電壓uce=0，則Cr上的電壓uc=uce－Udc=－Udc。如圖3（a）所示，主開關(guān)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與流過L＊的電流iL相等。由圖3（a）得式（1）。
可見，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(chǔ)存了能量。到達(dá)t1時(shí)刻，IGBT關(guān)斷，iL達(dá)到最大值Im。這時(shí)，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(guān)斷。
1.2.2 [t1，t2]諧振階段
IGBT關(guān)斷之后，L＊和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振，同時(shí)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(gè)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)＋iLR＊＋uc=0
Cr(duc/dt)=iL （3）
由初始條件iL(t1)=Im，uc(t1)=－Udc，
解微分方程組式（3）并代入初始條件，可得下列結(jié)果：
IGBT上的電壓
式中：δ=R*/2L*為衰減系數(shù)；
φ是由電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角；
β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(jié)果可以看到，當(dāng)IGBT關(guān)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(gè)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(dòng)，部分能量消耗在R＊上。在t1a時(shí)刻，ω（t－t1a）=?＋β，iL=0，L＊的能量釋放完畢，uc達(dá)到最大值Ucm，于是，IGBT上的電壓也達(dá)到最大值uce=Ucm＋Udc。這時(shí)Cr開始放電，L＊吸收能量，當(dāng)ω(t－t1)=φ時(shí)，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(dòng)，一部分消耗在R＊上，一部分轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)能。在uc接近0之前，ω(t－t1)=φ＋2β之時(shí)，iL達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)ω(t－t1)=π＋φ時(shí)，uc=0，Cr的能量釋放完畢，轉(zhuǎn)由L＊釋放能量，使iL繼續(xù)反向流動(dòng)，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(dāng)ω(t－t1)=ω(t2－t1)，即t=t2時(shí)，uc=－Udc，uce=0，二極管D開始導(dǎo)通，使Cr左端電位不能再下降而箝位于0。于是，uc不再變化，充電結(jié)束。但是，L＊中還有剩余能量，iL并不為0，t2時(shí)刻iL(t2)=－I2。這時(shí)，在主控制器的控制下，主開關(guān)開始導(dǎo)通。因此，是零電壓開通。
1.2.3 [t2，t3]電感放電階段
如圖3(d)所示，可得方程：L＊＋iLR＊=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(duì)值按指數(shù)規(guī)律衰減，在t3時(shí)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(shí)，主開關(guān)已經(jīng)開通，在電源Udc的激勵(lì)下，iL又從0開始正向流動(dòng)，重復(fù)[t0，t1]階段的過程。
2 仿真與實(shí)驗(yàn)波形
主諧振電路仿真波形如圖5所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，試驗(yàn)參數(shù)為：L=144μH，C=0.27μF。
3 功率控制
通過上面的分析我們可以看到當(dāng)負(fù)載變化，也就是鍋具的等效電感和電阻變化時(shí)，電磁爐的諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，電磁爐的輸出功率會(huì)不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shù)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(jié)構(gòu)圖。圖8是電磁爐模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖，控制器的輸入分別為給定功率與輸出功率的誤差信號(hào)X和誤差的變化量Y。為了提高實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，采用控制表方式的模糊控制器。
4 結(jié)語(yǔ)
詳細(xì)分析了電磁爐主諧振電路的工作過程，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)波形是一致的。針對(duì)負(fù)載變化，輸出功率變化的情況，本文提出的模糊控制方法取得了滿意的效果。在研制的電磁爐中使用這種準(zhǔn)諧振電路和本文提出的控制方法，產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，效果良好。
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