15kW电磁炉电路初步设计

1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文） 题目：1.5kW电磁炉电路初步设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气112班 学 号： 110303061 学生姓名： 吴记涛 指导教师： 起止时间：2013-12-30至2014-1-10课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气学号110303061学生姓名吴记涛专业班级电气112班设计题目1.5kW电磁炉电路初步设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能先将交流电变成直流电，再将直流电变成20kHZ以上的交流电，驱动电磁线圈。产生高频交变磁场，在铁制的厨具底部产生磁滞损耗和涡流损

2、耗，产生热量而加热食品。设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、控制电路设计。6、绘制相关电路图。7、完成设计说明书。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、输入电压单相170 260V。2、输入交流电频率4565HZ。3、具有过流保护。4、输出最大功率：1500W。5、功率因数0.9。工作计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器变比及容量；第7天：控制电

3、路设计；第8天：保护电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要电磁炉是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的厨房电器。在电磁灶内部，由整流电路将4565Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换成频率为20kHz的高频电压，高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿(导磁又导电材料)底部金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热器皿内的东西。本文主要初步设计了1.5kW电磁炉电

4、路,电路的主体是交-直-交变频电路，在最后输出的部分使用高频变压器连接负载，也就是电磁炉的锅底。此外，需要在逆变电路的部分对IGBT追加过电流保护以及控制电路，以便于对电路的动作进行干涉。关键词：整流；逆变；高频变压器；过流保护目录第1章 绪论11.1 电磁炉发展概况11.2 本文研究内容2第2章 1.5kW电磁炉电路设计32.1 1.5kW电磁炉电路设计总体方案32.2 具体电路设计4单相桥式整流电路设计4逆变电路设计6控制电路设计8过流保护电路102.3 元件参数计算11第3章 课程设计总结13参考文献14第1章 绪论1.1 电磁炉发展概况电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具，采用磁场感应涡流

5、的加热原理，通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的涡流，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，引起分子互相碰撞、摩擦而产生热能，使锅具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物。所以说电磁炉煮食的热源是来自于锅具底部，而不是电磁炉本身发热传导给锅具。也正是因为如此，电磁炉的热效率要比所有炊具的效率高出近1倍。电磁炉具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪需求。作为电力电子技术应用的代表作之一，电磁炉电路的设计包含了丰富的电力电子知识，设

6、计电磁炉电路，首先要了解电力电子技术。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。顾名思义，电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术包括电力电子器件，变流电路和控制电路三部分，是电力科学、电子科学、控制理论三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术与现代控制理论，材料科学，电机工程，微电子技术等诸多领域密切相关，逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。近代电力电子器件大量应用了微电子技术，电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路

7、中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置，这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。近些年来一些新器件的研制成功使电力电子技术发展到一个更新的阶段，同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机仿真技术也在不断发展。经由整流器时代，逆变器时代和变频器时代的发展，电力电子技术日趋成熟。当前，电力电子技术作为节能、节材、自动化、智能化和机电一体化的基础，正朝着技术高频化，硬件结构模块化，控制技术数字化，产品性能绿色化发展。不仅如此，电力电子技术作为电工技术中的新技术，对未来输电性能必

8、将产生重大影响。而在我国，电力电子技术产业是一个年轻而极具发展前途的产业，以电力半导体器件及变频技术为核心的电力电子行业必将有着更为光明的前景。通过对电力电子技术的了解，可以得到一个较清晰的认知：本次设计的电磁炉具有环保、高效、易用等优点，具有广阔的发展前景和广泛的适用群体，是一款极具实用价值和研究价值的产品。1.2 本文研究内容本文是电磁炉电路的初步设计，包含输入整流滤波电路设计、逆变电路设计、确定高频变压器变比及容量、控制电路设计和保护电路设计，通过对各部分电路的设计、组合，并对各元件参数进行计算，以期达到目标电路的性能要求，具体电路设计会在下面分别作详细介绍。第2章 1.5kW电磁炉电路

9、设计2.1 1.5kW电磁炉电路设计总体方案本次设计的目的是设计1.5kW电磁炉电路，方案图如下图所示：单相交流输入整流电路逆变电路控制电路高频输出过流保护电路图2.1 1.5kW电磁炉电路结构框图图2.2 1.5kW电磁炉电路主图首先输入170260V，频率为4565Hz的单相交流电，经过整流滤波电路的作用，获得较稳定的直流电，在经过高频变压器的逆变电路，获得频率为20KHz的高频交流电，驱动电磁线圈。产生高频交变磁场，在铁制的厨具底部产生磁滞损耗和涡流损耗，产生热量而加热食品。其中，逆变电路由IGBT驱动电路控制，并附加过流保护电路，用以保护IGBT避免被电网中的高频峰值脉冲及其他原因而烧

10、坏。每个IGBT均由一组Rs，Cs和VDs组成缓冲电路对其进行过流保护，由于作图面积不足，图中只画出了一组保护电路的原件，具体使用时要给每个IGBT都进行过流保护。图中R2是负载，实际上高频变压器T2没有副边，副边就是电磁炉的锅底，此处为理论电路图，没有直接标明。IGBT控制电路也没有在图中画出，在后文的具体电路设计中将会给出IGBT控制电路的电路图。2.2 具体电路设计单相桥式整流电路设计为了得到稳定可用的电源，首先要对市电进行整流。电磁炉理论上可以视作一个电阻负载，由于任务要求较低，仅仅是对170260V的交流电进行整流，故采用单相桥式整流电路就能满足要求，这也是单相电路整流最常用的方式。

11、图2.2 单相桥式整流电路在单相桥式整流电路中，晶闸管 VT1和VT3组成一对桥臂，VT2和VT4组成一对桥臂。在U2正半周（即A点电位高于B点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT3串联承受电压U2，设VT1和VT3漏电阻相等，则各承受U2的一半。若在触发角处给VT1和VT3加触发脉冲，VT1和VT3即导通，电流从电源A端经VT1、R、VT3回到电源B端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT3关断。在u2的负半周，仍在触发延迟角处触发VT2和VT4（VT2和VT4的=0处为t=），VT2和VT4导通，电流从B端流出，经VT2、R、VT4流回电

12、源A端。到U2过零时，电流又下降为零，VT2和VT4关断。此后又是VT1和VT3导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、 VT4两端电压波形分别如图2.3e和f所示。图2.3 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分，变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。此部分结构简单、工作可靠,其

13、性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。逆变电路设计逆变电路同整流电路的作用相反,是将直流电压装换为所要频率的交流电压的电路，是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路。逆变电路是通用变频器的核心部件之一，起着有着极其重要的作用。它的基本作用是在控制电路的作用下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，将直流电能变换为交流电能的电力变换电路。本方案中的逆变电路部分,采用的是单相桥式逆变电路,PWM控制,输出电压的大小及频率均可通过PWM 控制进行调节。图2.4 单相桥式逆变电路PWM 控制技术即脉冲

14、宽度调制技术,是通过对脉冲的宽度进行调制,来等效的获得需要的波形。PWM 控制在逆变电路中的应用最为广泛,目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM 控制技术。PWM 控制技术对逆变电路的影响十分深刻。PWM 控制的方法可分为3 类,即计算法、调制法和跟踪控制法。其中,调制法是较为常用的也是基本的一类方法,而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法,分为单极性调制和双极性调制。本实验采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制,也可以采用双极性调制。单极性正弦脉宽调制用幅值为的参考信号波与幅值为,频率为的三角波比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2-6所示。图2-6是用单相正

15、弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。参考波频率fr决定了输出频率fo，每半周期的脉冲数P决定于载波频率fc。即: P=fc2fa （2-1） 用参考电压信号的幅值Ur，与三角形载波信号的幅值Uc的比值，即调制度m = Ur/Uc，来控制输出电压变化。当调制度由01变化时，脉宽由0/p变化，输出电压由0E变化。如果每个脉冲宽度为，则输出电压的傅里叶级数展开式为:U0(t)=n=1(Ancosnt+Bnsinnt) （2-2）系数An和Bn由每个脉宽为，起始角为的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角 + 来决定。如果第j个脉冲的起始角为j，则有An=j=1p4En

16、sinn2cosnaj+2（2-3a）Bn=j=1p4Ensinn2sinn(aj+2) （2-3b）由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数An=j=1p2Ensinnaj+j-sinnaj （2-4a） Bn=j=1p2Encosnaj-cosnaj+j （2-4b）图2.5 单极性正选脉宽调制SPWM原理波形2.2.3控制电路设计控制电路包括两部分，分别是控制电路、驱动电路。控制电路是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的

17、矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。其原理是：由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um

18、经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC14528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。IGBT是电压驱动型的电力电子器件，其驱动电路多采用专用的混合集成驱动器，例如三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。同一系列的不同型号及其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。图 2.6.1和图2.6.2给出了M57962L的内部结构图和典型接线图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和

19、检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。对大功率的IGBT器件来讲，一般采用由专业厂家或生产该器件的厂家提供的专用驱动模块。图2.6.1 M5762L的内部结构图2.6.2 IGBT典型控制电图2.6.3 ICL8038控制电路2.2.4过流保护电路图2.7 缓冲（过电流保护）电路过电流保护电路，是缓冲电路（又称为吸收电路）的一种。在无缓冲电路的情况下，绝缘栅双极晶体管Q开通时电流迅速上升，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。在有缓冲电路的情况下，Q开通时，

20、缓冲电容C先通过R向Q放电，使电流先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的电感L，电流上升速度减慢，这就起到了保护IGBT的作用。2.3 元件参数计算要求输入单相交流电220V，为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，最大功率1.5kw，输出电流最大33.3A。对于主电路整流电路，根据傅里叶级数对经电力二极管整流后直流电压的波形进行分解后可得式中恒定分量即为电压整流后直流电压的平均值，因此有为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V,所以就是最大值为50V。当=50v，根据可得：对于整流变压器的选择变压比在桥式整流电路中，二极管D1、D2和D3、D4是两两轮流

21、导通的，在正半周时，D1、D4导通，D2、D3截止。此时D2、D3所承受到的最大反向电压均为的最大值：通过最大电流因此选用目前市场上已有的整流桥堆即可。对于滤波电容器的选择，首先根据可得滤波电容电容器所承受的最高电压为：所以选用标称值适合的电容器。对于逆变电路IGBT的选择：IGBT承受的最大反向电压为：流过每个IGBT的电流最大值为所以IGBT选择33.3A/100V以上的IGBT。 对于高频变压器，容量S=1.5KVA，变比为n=4的高频变压器即可满足要求。第3章 课程设计总结对于本次1.5kW电磁炉电路设计，主体采用的是交-直-交变频电路，包括单相桥式整流电路和单相桥式逆变电路，输出部分采用高频变压器。对于单相桥式整流电路，为了保护IGBT元件正常工作，又附加了过电流保护电路、ICL8038芯片控制电路和M57962L芯片驱动电路。设计的过程中不断发现和改正设计方案，最终实现了设计目标。平时生活经常用到的电磁炉竟然包含了整流、逆变、过流保护、控制电路等等一系列的电力电子知识，还有电磁加热的真相原来竟然是涡流损耗，仅仅是电磁炉电路的初步设计就包含了那么多的知识，实在是令我获益良多。在课程设计的过程中，我查了很多资料，对电磁炉有了一定的认知，同时对交-直-交变频电路也有