电磁式加热米皮加工设备电路论文

1、目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 电磁加热米皮机研究的现实意义21.3 电磁加热米皮机研究的经济意义41.4 本论文研究的主要内容4第二章 电磁式加热米皮设计的工作原理62.1 电磁感应加热原理62.2 电磁感应加热系统设计72.2.1 系统频率72.2.2 被加热物件电阻系数82.3 加热线圈散热与绝缘92.4 加热线圈设计112.5 加热负载要求11第三章 电磁感应加热米皮机电路的设计123.1 主回路的介绍123.2 单相整流电源电路设计183.2.1 滤波电容和滤波电感的设计203.3 同步振荡电路243.3.1 串联同步振荡电路243.3.2 并联同步振荡电路253.4 CU

2、R电流检测电路的工作原理273.4.1 电流互感器式电流检测电路283.4.2 康铜丝式电流检测电路283.5 IGBT驱动脉宽调整及激励电路的工作原理293.5.1 上下对管加电压比较器组成的IGBT激励电路303.5.2 复合对管加电压比较器组成的IGBT激励电路323.6 PWM脉宽控制电路343.6.1 电阻加电容组成的PWM脉宽控制电路363.6.2 三极管式PWM脉宽控制电路373.7 IGBT的VCE检测电路383.8 VAC电网电压检测电路的工作393.8.1 二极管+电阻+电容组成的VAC检测电路393.8.2 三极管式VAC检测电路403.9 浪涌电压检测电路413.10

3、温度检测电路433.10.1 锅底温度检测电路433.10.2 IGBT温度检测电路453.11 电网电压零点及频率检测电路463.12 风扇/蜂鸣器驱动电路48第四章 系统的软件设计504.1软件程序结构504.2 主程序的设计514.3 单片机S3C945452第五章 总结54参考文献55致谢56附录57第一章 绪论1.1 引言米皮,是陕西的一种地方特色小吃,故称陕西米皮。陕西米皮分为大米面皮和小麦面皮两大类,以大米面皮最受欢迎,故又称米皮,一般人们提起米皮就指的是大米面皮,而且专指陕西米皮，西安米皮，户县米面米皮，秦镇米皮。这是因为陕西户县秦镇是大米面皮子的发祥地，尤以薛家老店历史最为悠

4、久，也就是现在的西安市薛昌利大米面皮快餐连锁有限公司。米皮历史久远，米皮传说源于秦始皇时期，距今已有两千多年历史，相传，秦始皇在位时，有一年关中大旱，沣河缺水，户县秦镇一带稻子干枯。百姓心急似火，官府还催逼纳贡大米，坑得大家无法，只好在田里挖井浇地，费了九牛二虎之力,好不容易才长出了稻穗。可收割后,碾出的大米又小又干巴,根本没法向皇帝纳贡,大家正在发愁的时候，有个叫李十二的，用这种米碾成米面，蒸出了面皮，大家吃后,个个称奇。于是，李十二带着面皮，和纳贡的人来到咸阳。秦始皇见贡米又少又差，传旨问罪，李十二急忙跪奏道：“此米虽差，却能制出佳肴，今奉上面皮，望万岁御品。”秦始皇吃了面皮，其味甚美，颇

5、感稀奇，这才赦了众人之罪，并让李十二天天蒸上几张面皮供他食用。后来，李十二在某一年的正月二十三去世。秦镇一带的人们为纪念他，在这天总要蒸些面皮。这种蒸面皮一直延续到今天，成了户县秦镇驰名的小吃。关中地区有句俗话，“乾州锅盔，岐山面，秦镇的皮子绕长安”可见，户县秦渡镇的米面皮子很早以前就为关中著名面食。秦镇大米面皮的特点是四个字：筋、薄、细、软 。面皮本身，色白如雪，光润如脂，页薄如喷香的油泼辣子，五香料醋，观其状：条条白生生，朵朵菠菜绿盈盈，个个豆芽黄愣愣。后因战乱失传。面皮的历史记载制法：贾平凹在“陕西小吃小识录”中所述如下，“制法：一斤面粉用二斤水 分三次倒入，先和成稠糊，再陆续加水和稀，

6、加盐，加碱，稀浆用手勺扬起能拉起筷子粗细的条为宜。笼上铺白纱布。面浆倒其上，摊二分厚，薄厚均匀，大火暴蒸，气圆，约六七分钟即熟。将面皮从笼箅上扣在案上，每张面皮上抹一层菜油，叠堆一起晾凉后用摆刀切成细条。卖主卖时并不用称，三个指头一捏，三下一碗，碗碗份量平等，不会少一条，多一条也不给 . 加焯过的绿豆芽，加盐，加醋，加芝麻酱，后又三指一捏，三条四条地在辣椒油盆里一蘸放入碗上，白者青白，红者艳红，未起唇则涎水满口。清朝宣统二年（公元1910年），薛昌利祖父薛守信根据历史传说试蒸米皮，一举成功，生意红火，乡邻纷纷效仿，使秦镇大米面皮子一时名播四方。现在，米皮由传统手工制作，到机械加工。目前，常见的

7、机械加工主要是蒸汽炉加热。但这此种设备在工艺和结构上存有一定的缺陷：现有的米皮机均采用单段加热方式。其致命的缺陷就在于，如果按照熟化的要求加热容易出现米皮制作中最大的质量问题，即由于加热过度而引起的起皱问题。米皮起皱以后，变脆，易断，口感差，因此是米皮制作中需要克服的主要质量问题。如果加热不足又不能实现熟化工艺。所以现有的单段加热式米皮机不能实现真正意义上的米皮制作工艺。这也是为什么现有的米皮机难以推广，米皮机制造商不再将米皮机称为“米皮机”，而称作为“凉皮机”的原因。（注：凉皮的制作工艺用单段加热即可实现。）这两种设备还存在有:用水需要作软化处理,持上岗证的专门锅炉人员进行操作,定期对锅炉压

8、力检查以及清洗水垢,污染环境，治理难度大价格上升，成本高，能耗高,温度控制不稳定,锅炉生命周期短，易腐蚀损坏。1.2 电磁加热米皮机研究的现实意义基于以上原因，利用现有的电磁加热理论，设计研究了一种可以解决以上问题的一种设备：电磁加热式米皮加工设备，该设备采用“二段法”制作加工米皮，即二段法米皮制作工艺参数为：采用两个阶段的加热工艺过程：即作为第一个加热过程的预热过程和作为第二个加热过程的熟化过程。两个阶段的工艺过程：、预热过程：即碳水化合物通过物料桶放到输送带上，之后经过预热器，对物料进行预加热，该过程使碳水化合物在预热区预热可以有效地防止起皱，提高碳水化合物产品的口感、韧性和弹性；、熟化过

9、程 ：经过预热过程的碳水化合物在通过输送带送到糊化器，对物料进行再次加热，通过本次加热确保碳水化合物熟化；根据上述工艺方法，所采用的碳水化合物加工装置为二段法碳水化合物糊化装置：所述二段法碳水化合物糊化装置，它包括输送带轮、 输送带、被动轮，在所述输送带上设置有物料桶，主要用于向输送带上添加碳水化合物料；所述输送带依次从预热器和糊化器中穿过，使输送带上碳水化合物熟化；所述预热器和糊化器的内部设置有加热装置。利用电磁式加热米皮机具有以下的优点：1加工工艺科学合理，最大限度保持传统手工米皮的制作工艺特点，口味纯正地道。能够解决现有的米皮机容易出现起皱、变脆易断、口感差等米皮制作中需要克服

10、的主要质量问题。使现有的只能称作为“凉皮机”变成真正意义上的米皮机；2.电磁加热效率高，节能30%以上，且无环境污染问题；3.可根据负荷状况自动调节功率强度。4.加热速度快，可减少表明氧化现象。5.容易控制温度，提高加工精度。6.实现自动化控制。7.能加热形状复杂的物体。8.可减少占地，热辐射，噪音和灰尘。9.可实现自动化控制。1.3 电磁加热米皮机研究的经济意义国外餐饮服务行业以及制造业已习惯使用这类环保、高效、智能化程度高的电磁加热设备，而且产品的更新速度很快，而国内商用电磁加热设备还处于起步阶段。相对而言，中国百分之九十米皮制造都是传统制造，据计算，与传统的米皮制造相比，电磁加热米皮机至

11、少能提高30%的效益，故而这样的优点下，逐渐被商家接受认可。而且由于电磁式米皮机正处于产品生命周期中的成长期，国内市场容量和发展潜力更是巨大。米皮作为我国北方黄河中游一带发明的一种民间风味小吃，可炒食，也可凉拌，是消暑的好食品。在宾馆、饭店、快餐店以及居民区、学校和集市上都存在着广阔的市场。而且经营米皮利润丰厚。但手工制作需在滚开的水锅中加工，具有很大的危险性，而且产量极低，每天早起晚睡，也只能生产5公斤多米皮。而电磁式米皮机无需用水浸泡，出机即可食用。每天产量1200公斤左右，由于其直接用面水制作，出机即为熟品，比手工面皮筋道、透亮，加上独特的汤汁勾兑，香料配制秘方，使这种脍炙人口的风味升华

12、为中华名小吃。以致于成为一种快速致富的黄金产业。并以一日千里的速度向大江南北、长城内外迅速扩张。因此在这样的市场背景下，开发出智能、高效、节能、环保型以及带有各种保护功能的新型商用电磁米皮机，具有重要的现实意义和经济意义。1.4 本论文研究的主要内容本论文主要是基于商用电磁炉的电磁感应加热原理，综合运用电力电子技术，研究与设计了商用电磁炉感应加热系统的主电路、隔离驱动电路、控制与保护电路。具体如下：通过研究商用大功率电磁加热设备的感应加热原理，对设备主电路的核心部分，LC振荡电路进行了分析和研究，详细说明了其通过IGBT高频振荡电路而进行工作的过程，为设计性能稳定的商用电磁炉控制系统主电路做好

13、了理论基础。(2)我们在主电路中选用了合适的整流电路、逆变电路以及谐振电路，针对商用电磁炉特定的应用环境，设计完善了驱动电路和控制电路以及过压、过流、过温保护电路等，然后制作了模拟情况下的硬件电路版，应用于样机进行数据检测和实验。(3)对商用电磁加热米皮机的控制软件进行了优化设计。提高了商用电磁炉的智能化水平。对功率输出、过压、欠压、过流、过温进行实时跟踪检测，在发生故障情况下迅速关闭脉冲输出，保证大功率开关器件IGBT的安全，使整个系统运行更加安全可靠。第二章 电磁式加热米皮设计的工作原理2.1 电磁感应加热原理所谓电磁感应加热就是利用电磁感应现象对金属物件进行加热的方式。此原理应用最多的地

14、方是变压器。变压器一次侧与二次侧各有一组线圈，一次侧输入的交流电压会使线圈产生正负交替变化的磁场，并与二次侧线圈耦合，因而在二次测产生感应电压，提供负载电流。一般变压器为了提高耦合效果，采用高磁导率的铁磁性材料为铁心，铁心产生的铁损会使变压器温度升高。产生铁损的原因有两种，一是与铁心材料的磁滞现象有关，另一种则是与变压器线圈在铁心产生的涡流有关。电磁感应加热就是利用铁损加热使温度上升。另一方面，由于金属物件具备导热的特性，因此适合非接触性电磁感应作用加热。根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会有感应电动势产生，从而产生感应电流。磁通量的变化可以由磁场变化引起的，也可

15、以是由于导体在磁场中运动或导体回路中的一部分切割磁力线的运动而产生的。感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关(电磁感应现象的实质是磁通量变化产生感应电动势)；感应电动势的方向总是企图由它产生的感应电流建立一个附加的磁通量，以阻止引起感应电动势的那个磁通量。麦克斯韦在分析电磁感应现象的基础上，提出了一个大胆的假设：变化的磁场在其周围空间激发了一种新的电场，这种电场称为涡旋电场。电磁感应定律的数学公式表示如下：=- （2-1）=-=-=- (2-2）由式(2-2)可知，当置于磁场中的导体不动，而磁场随时问变化时，金属中的载流子将在涡旋电场的作用下运动而形成电流，这种电流呈涡旋状，因此成为涡电流。因

16、为金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡电流。从而可以在金属内产生大量的焦耳热，这就是感应加热的基本原理。将频率为50Hz的市电接入系统，整流滤波后利用逆变电路将其转变为不同频率的交流电流，供应负载部分的加热线圈，加热线圈将建立交变磁场。若将磁性或非磁性的导电物件景入加热线圈所建立的交变磁场内，由于磁力线的切割，被加热物件将在不同深度会产生感应电流Ic(即涡流)。由于被加热物件的阻抗特性及涡流在被加热物件上的流动，因此产生Ic*Ic*R(R表示被加热物件的等效电阻)的电功率热消耗，使被加热物件温度上升，达到加热的目的。2.2 电磁感应加热系统设计2.2.1 系统频率被加热物件在加

17、热线圈建立的交变磁场内，其感应的涡流并非均匀分布在被加热物件的各个剖面层上，越靠近加工物件表面处，电流密度越大，而且加热线圈上的电流频率越高，涡流往物件表层集中的程度越明显。表21提供被加热物件不同加热深度的频率选择。表2-1感应加热频率的选择加热深度（mm)频率选择100-200<180Hz75-1001KHz50-751KHz25-503KHz13-2510KHz<1350KHz考虑加热对象的加热深度及使用用途，本文设计电磁感应加热系统工作频率为20kHz60kHz。2.2.2 被加热物件电阻系数影响加热深度的另一个因素是被加热物件的电阻系数，大部分加工物件的电阻系数与温度变化

18、有线性关系，其关系式为：=a1+(-a) (2-3）其中，是温度下的电阻系数值；a是温度a下的电阻系数值；-a代表不同的温度值；是电阻温度系数。不同材质的被加热物件的、各不相同，具体数值可参照表22所列数值。表2-2 不同物件的、被加热物件铝铜纯铁银铜(90%）锌（10%）青铜合金铜(65%）锌（35%）黄铜合金而且，后来研究实验证明随着温度增高，各物件电阻系数也相继变大。故综合表2-2，在同一磁场中，铁质材料比其他材质材料的加热效果要好，且被加热物件的温度越高加热效果越好。这也是电磁炉等电磁感应加热电器推荐使用铁质材料锅具的原因。2.3 加热线圈散热与绝缘理想电磁感应加热应是被加热物件加热，

19、而电磁感应加热线圈保持在低温状态，但实际有两个因素将造成电磁感应加热线圈受热，第一个因素是高频大电流在加热线圈上流动所产生的热，第二个因素是被加热物件在加热过程中辐射大量热能的影响。因此，大功率加热线圈须加装冷却装置来降温，电磁感应加热线圈常见的冷却方式有自冷式、水冷式、油冷式及强行空气对流冷却，其比较如表23所示。表2-3 热线圈常见的散热方式方式叙述效率日冷式增加加热线圈表面积方式，结构简单，通用于小功率加热器散热慢、效率较低水冷式加热线圈上加装循环冷却管，并流通水流，成本低散热快、效率较高。抽冷式感府线圈放置在冷却油池中，构造复杂，成本较高散热快、效率较高。空气冷却式加热线圈的环管，强行

20、空气冷却循环或不加循环成本比冷水低散热慢、效率较低通常加热线圈与加工物件要相互隔离，然而为提高耦合程度，增加工作效率及缩短加热时间，因此两者之间要尽量接近。为避免加工物件表面容易放电等不定因素造成短路，一般可在加热线圈表面涂抹一层环氧树脂，增加绝缘效果。本文采用空气冷却式冷却方法。通过风扇通风散热，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性监控样机内部温度变化情况，使电磁感应加热线圈工作在85以下的环境温度中。考虑到样机内部温度不均匀因素，实际测量内部各位置温度后，将热敏电阻安装在内部温度最高的地方监视内部温度变化。2.4 加热线圈设计关于感应加热线圈设计的所有分析，必须考虑加热线圈电磁效应，下面

21、就针对设计感应加热线圈的上述因素进行说明。对于非磁性材料，如铜、金、银的相对导磁系数，几乎等于l，这些非磁性材料在高频时，有较深电流浸透度，导致加热深度较深，所以铜绕制的加热线圈，其电流浸透深度位置较深，因此也较不受涡流所产生的趋肤效应所产生的焦耳热影响。所以本文采用铜材料绕制电磁感应加热线圈。2.5 加热负载要求在高频时，被加热物件中所产生涡流并非均匀、等量的在被加热物件各剖面层上流动，因此产生焦耳损失也有所不同，各部位局部加热程度也大大不同。而被加热物件表面集中的涡流，随着被加热物件的加热深度，呈指数函数减小。感应加热的功率损失与涡流流动量主要是集中在加工物件的趋肤深度内，因此调整工作频率

22、即可配合加热形态所需的加热深度。大约64的感应电流流经深度为H（穿透深度)内的加工物件表面，而产生约为87的功率消耗。因此负载厚度应大于或等于2H。对于其他形态的加热物体而言，渗透深度是相当重要的，可以透过它与工件尺寸去预测加热效率，例如：当圆柱体或薄板的厚度不小于两倍渗透深度时，可以有较好的电磁功率吸收，取得理想的加热效果。第三章 电磁感应加热米皮机电路的设计3.1 主回路的介绍因LC振荡电路通过IGBT的高频开关而振荡，从而在L线盘形成高频变化的电流，变化的电流又使得L线盘上方形成变化的磁场。因此，LC振荡电路是电能转换为电磁能的实现部分，也是电磁炉的名称由来。所有电磁设备的主回路都基本相

23、同，区别仅在于是否单独设置快速恢复二极管、IGBT管的数量。这里为便于理解分为原始型的主回路、经典型的主回路、双IGBT的主回路。（1）原始型主回路图3-1原始型主回路的电路图图3-2 G极驱动脉冲图3-1是原始型主回路的电路图，线盘L1接于OUT1、OUT2两个输出口之间，与高频谐振电容C3并联，组成并联LC振荡电路。D11是快速恢复二极管，IGBT的G极输入18V的驱动脉冲。IGBT受G极驱动脉冲的控制而高频开关动作，驱动L1、C3进行LC振荡，产生1540KHz的高频脉冲，在线盘L1上形成高频变化的电流，变化的电流流经线盘L1而产生变化的电磁波。下面根据图32中IGBT的G极驱动脉冲的变

24、化分析电磁加热电路工作过程。t1t2时间：IGBT的G极脉冲为高电平，IGBT饱和导通，电流i1从300V电源流过线盘L1，电能转换为磁能存储在线盘上。由于线盘L1属于电感性器件，它的感抗特性不允许电流突变，所以在t1t2时间，i1线性上升，在t2时间脉冲结束，IGBT截止。t2t3时间：因IGBT的G极为低电平而截止，同样由于感抗作用，i1不能立即变为0，于是，线盘L1上的电流向电容C3充电，产生充电电流i2，到t3时间，C3电荷充满，i2电流变为0，这时L1的磁场能全部转换为C3的电场能量，在C3两端出现左负右正、幅度达到峰值的电压，在IGBT的CE极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源电

25、压。t3t4时间：电容C3开始通过线盘L1放电形成负向的电流i3，在电流i3最大时C3电容两端的电压消失，这时电容中的电能又全部转为L1中的磁场，因感抗作用，i3不能立即变为0，于是，L1两端产生电动势反向（左正右负），由于快速恢复二极管D11的存在，C3不能继续反向充电，而是经过C2、D11回流，形成电流i4。t 4t5时间：在t4时间，第二个驱动脉冲开始到来，但这时IGBT的E极为正压，C极为负压，处于反偏状态，所以，IGBT不能导通，i4减小到0，L1中的磁能放完，即到t5时IGBT才开始经二次导通，产生电流is。产生is以后，又重复i1i4过程，因此在L1上就产生了和驱动脉冲相同的交流

26、电流。其中t3t4时间的i3是逆程峰压通过L1放电的电流，t4t5阶段的i4是L1两端电动势反向时，因D11的存在不能继续反向充电，而经C2、D11回流形成的阻尼电流，因此IGBT的导通电流实际上是i1。（2）经典主电路图32经典型的主电路图32是经典型的主回路。这个电路与图3-1比较，快速恢复二极管内置于IGBT内。受驱动脉冲的作用，IGBT工作在高频开关（导通/截止）状态，激励线盘L1和高频谐振电容C15进行LC并联振荡。在IGBT导通期间，使+300V经线盘LIGBT的c极、e极地构成回路，线盘经的电流，将电能转换为磁能；在IGBT截止期间，线盘存储的能量向C15充电，当C15电荷充满后

27、，C15则反向对盘放电，从而形成LC振荡，在线盘上方形成磁场，穿过铁质锅底，形成涡流，锅底自身发热对蓬松叶片进行加热。待机状态下，IGBT因截止其C极等于300V直流供电电源。开机加热状态下，在IGBT导通期间其C极电压接近地电位，在IGBT截止期间，受LC振荡脉冲的影响，IGBT的C极电压前阶段时间为负压，后阶段时间出现峰值电压，最高可达1150V左右。（1） 补偿电容计算逆变器输出的电压有效值为 (3-25)其：为经过整流电路的输出电压值，为相角度。则逆变器输出电压的有效值的最大值为: （3-27）经下节求出的逆变器输出的电流有效值为12.90A；根据谐振电路知识，谐振补偿电容两端最大电压

28、为=Q=1396V (3-28)Q为负载电路的品质因数一般取5，那么补偿电容器的阻抗为108.2 （3-29）所以C=0.059 (3-30)其中在本项目的设计中，负载必须工作在感性状态，要求最小开关频率大于电感电容组成的LC谐振频率，如果谐振频率为25kHz，则要求电源最小开关频率为30kHz。谐振上的无功功率为1.80 （3-31）故而，谐振电容器应该按照大于0.059，1396V ，25kHz，1.80来选择。（2）加热线圈的选择感应加热线圈自身并不是热源，而是相当于高频谐振回路中的一个电感，其作用是与谐振电容振荡，产生高频交变磁场，热源实际是锅具。感应加热励磁线圈有很多类型，励磁线圈的

29、尺寸与材质都要受到设计功率高低、通过电流大小以及振荡频率影响的。励磁线圈要满足本项目不同功率、频率以及被加热形态的要求，线圈分为单匝和多匝的形式。单匝型用于加热面积比较小的场合，由于本项目要满足锅具在短时间内到达8KW功率的输出，并且锅具体积比较大等要求，我们在设计中选用的是多匝型铜质线圈。因为多匝型线圈的匝数可以根据负载加热情况弹性伸缩，加热圆周也可以随着锅具的体积来调整。电磁感应加热线圈直径大小的选择要根据铜线圈的穿透深度来决定，一般是导线直径小于两倍穿透深度的原则。穿透深度由下式决定： (3-26）表示穿透深度；f表示流过励磁线圈的电流频率。对于铜材料的线圈，流过电流频率与穿透深度可遵循

30、下表：其中f单位为kHz，单位为mm表3-1 电流频率与穿透深度规律表f20232530354045500.46730.45380.41800.38150.35320.33040.31150.2955由于本项目工作频率范围为20-50kHz所以选择的铜直径大于0.31mm感应加热线圈实际上包括两个部分，线圈的电感L和线圈与负载的等效电阻R，等效电阻R不会很大，在计算线圈参数时可以忽略它，直接按XL=XC的关系进行计算。L=68.9 (3-27)因此我们选择按68.9，直径大于0.31mm铜线圈来选择(3) 双IGBT的LC振荡电路图33 双IGBT的主电路图33是双IGBT的主回路，顾名思义是

31、设置有两个IGBT，共同驱动线盘L2及并联的电容C15，进行LC振荡，目的是增大电路的输出功率，因此，这种电路多见于功率较大的电磁加热电路。综上而言，本文电路设计时采用经典回路，因为第三种这样可以使更稳定安全，效率也更高。相对来说，主回路期间虽然少，只有3到4个，但故障率高，故需要注意以下几点。第一当电磁炉不通电或通电就掉闸，首先要查的就是IGBT的击穿与否。如果IGBT击穿，在更换前还需呀检查高频谐振电容的容量是否变小，线盘两端并联的大电阻是否损坏，IGBT的G极所接的三极管和二极管是否损坏，300V，18V，5V等电源是否正常。二则是当电磁炉间歇加热时，首先考虑的IGBT的CE极间是否漏电

32、。三当电磁炉报警无锅或内部电路故障时，先要测IGBT的C极电压(测试点可选择在连接线盘的OUT2四脚接线柱),正常值应为电网电压的1.4倍，一般大于280V即为正常。3.2 单相整流电源电路设计该电路主要有四部分构成，分为电源过电保护电路，整流电路和触发电路。输入信号经变压器变压后通过过电保护电路保证电路出现过载或短路故障时不至于上海晶闸管和负载。在电路中还加入了防雷击的保护电路。然后将进行变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在信号作用下触发，一发挥整流电路的整流作用。带EMC电磁干扰的300V主电源电路，AV220 50Hz电源，经保险管FUSE传输，再经CY1，CY2，C1

33、，共模线圈L1组成的滤波电路进行ENC电容兼容性处理后，再通过CT1互感器初级，送DB桥式整流器的输入端，被桥式整流器内的四个二极管进行桥式整流后，形成脉冲直流电压，通过扼流线圈L2，滤波308V的直流电压，作为LC主回路的工作电压。如下图(3-4)图34整流电源内部结构图因为输入交流电压为0220V输出最大功率为P=8KW，故而电路直流电压为=310V (3-1)根据最大输出功率P，且考虑整流器的效率约为0.9，因此整流器输出功率如下：=8/0.9=8.9KW （3-2）因此整流器输出电流为=8.9KW/310V=28.7A (3-3)根据上述计算条件并参考电流电压安全系数为1.5-2.0及

34、整流器规格，我们选择30A/600V的整流器。3.2.1 滤波电容和滤波电感的设计交流电经过整流电路转化为直流电源后，先经过滤波电感(扼流圈)和滤波电容组成的滤波器。滤波电容的作用是将整流桥输出的脉动直流电平滑为平稳的直流电，容量与电磁炉的功率有关；滤波电感(扼流圈)连接在整流桥与滤波电容之间，与滤波电容组成LC滤波器，滤波电感(扼流圈)，又能向后续电路提供足够大的直流电流。其工作原理如下图图316 滤波电容工作原理1 滤波电容的选择滤波电容器的作用主要是滤波和稳定整流后的电压，采用的用高频电容滤波。电容两端为直流电流，在设计中可以把通过扼流圈后的电流看做为一恒流源，假设流过的电流为，流过的滤

35、波电容的电流为，在额定功率时流过的电流其峰值为，那么在稳态时，电容的放电电荷量和充电电荷量应该是相等的。上图中的上下两阴影部分面积相等，各部分的电流波形如图所示：电流表达式为：=sin();(0) (3-4)=sin（-）；() (3-5); (3-6)解上式得，=，= （3-7）a1=arcsin=39.54° (3-8)则电容上的电压波动为从一区间内的电流对电容充电所产生的电压。该电压波动应小于3%=0.03*310=9.3V于是有=9.3V (3-9）=，=，a2=-a1； (3-10）由公式（3-9）；(3-10)得=1200F (3-11)在整流电路中我们计算的输出直流电压

36、为310V，考虑到安全富裕量以及实际元器件的性能，我们选用的是C=2000F，耐压值为400V的滤波电容。2 扼流圈的选择滤波电感是整流滤波电感，具有通直流，阻隔交流的功能，滤波电感必须能适应大电流工作条件，主要作用是减小电流波动，提高输入功率因数，保证电磁炉在特定的功率(如70的满功率)输出下，使进入逆变器的电流稳定连续，并在合闸和负载锅具变化时防止浪涌电流过大导致整流二极管损坏。图3-17为滤波电抗器计算的电流电压波形图317 扼流圈工作原理= （3-12）假设滤波电容q很大，滤波电容上电压为恒定值，则在稳定状态下图3-17中电容的充放电电量相同，即图中线两侧的阴影面积相等。则有：= (3

37、-13)a1= (3-14)a2=; （3-15)在特定的功率下要保证输出电流连续，则要求必须有： （3-15)式中是从al到a2的电流增量，是负载电流的平均电流。 (3-16)从公式3-15和3-16可得， （3-17）若输出功率为P则输出平均电流 （3-18）所得电感值 （3-19）最后所得滤波器电感值为580。3.3 同步振荡电路因振荡电路工作与否，直接取决于同步电路的工作状态。振荡电路用于产生驱动脉冲，也就是俗称的加热脉冲，因此，可以将振荡电路理解为加热脉冲的产生地。振荡电路所产生驱动脉冲的宽度决定电磁炉的加热功率，因此，振荡电路也是电磁加热功率控制的核心，同时还是检锅信号必经之地。同

38、步电路，就是产生同步信号的电路，这个同步信号相对IGBT的C极脉冲而言的，就是IGBT极电压最低的检测信号，也是最佳的IGBT开通时机。同步电路准确的监视主回路的工作状态，监视结果用于控制振荡电路的工作，以禁止振荡电路在主回路的IGBT有反峰脉冲期间工作，导致IGBT受高电压大电流双重作用而击穿。多数电磁加热电路的同步信号作为主回路的脉冲反馈信号，是检载负荷信号的条件之一。3.3.1 串联同步振荡电路图5是串联式同步振荡电路，U2A负责同步控制。C11是振荡电容，与U2A同步输出端脚串联。R31是振荡电阻，D16是振荡二极管。此电路的输入信号是线盘L1两端的谐振波形，输出的信号是VOUT振荡锯

39、齿波。图35 串联同步振荡电路线盘L1左端电压经R23与R26分压形成V-，线盘右端电压经R24+R27与R28+R29分压形成V+。通电待机状态下，因IGBT截止，线盘两端电压均为300V供电值，V-和V+的电压值分别为静态值3.98V和4.1V，U2A比较器属于正向输入而截止，其脚输出高电平。同步电路准确监视主回路工作状态。当IGBT1的C极电压下降到接近于0V时，线盘L1中的电流减小。在LC高频振荡的一个周期里，开始的时间内，设为t1t2内，由于高频振荡电容C3两端的电压是左负右正，所以V+大于V-，U2A截止，其2脚VOUT输出5V高电平。3.3.2 并联同步振荡电路并联式同步振荡电路

40、的特点是：振荡电容一端接地，另一端接同步出端。以IC2A（LM339）为中心组成同步电路，以IC2B（LM339）为中心组成振荡电路，C5是振荡同步电路的工作 线盘L1左端的电压经上拉电阻R78、下拉电阻R51分压产生V7；线盘右端电压经上拉电阻R74+R75、下拉电阻R52分压产生V6。当电磁炉通电后，因IGBT尚未导通，V7、V6的静态电压分别是0.75V、0.65V，比较器IC2A属于正向输入而截止，输出端V1脚为5V高电平。振荡电路的工作当G点有PWM电压时，当V4V5时，IC2B为反向输入而导通，V2输出0V低电平，V5等于D12与D13的顺向压降；而当V4V5期间，IC2B为正向输

41、入而截止，V2转为输出+5V通过R56、R54向C5充电。当C5充电至使V4V5，V2再次转为输出0V低电平，V5再次降至D12与D13的顺向压降，而V4则由C5经R54、R29放电。当V4放电至V5时，重复前面步骤，周而复始形成振荡，V4上端形成锯齿波，与V5的PWM电压比较，在V2端形成脉冲（其脉宽与PWM电压成正比例），作为驱动脉冲。用户设定的功率高，输入的PWM电压高、V2处于5V输出时间越长，电磁炉的加热功率越大，反之相反。图36 并联同步振荡电路3.4 CUR电流检测电路的工作原理CUE是Current的缩写，译为电流，电磁加热电路中标注有CUR的是电流检测电路，又称电流反馈电路。

42、电流检测电路用于检测的主回路电流信息，并将检测结果反馈给CPU，既作为检测负载的依据之一，又作为加热时功率自动恒定的依据之一（因为电磁加热电路整机要正常工作，CPU必须判断电流检测端电压正常）。电流检测电路按电流的取样方式分类有两种：电流互感器式、康铜丝式。电流互感器式电流检测电路，包括互感器及整流二极管、基础电流调整电位器、电解电容、小瓷片消干扰电容等。3.4.1 电流互感器式电流检测电路电磁加热电路的电流检测电路，由CT及次级器件组成，负责检测主回路的输入电流，检测的结果均送CPU的脚，被CPU分析后，按软件设置的程序做出各种动作指令：图37 互感器式电流检测电路A、 配合VAC电网电压检

43、测、IGBT的VCE检测电路反馈的信息，判断是否已放入合适的负载，作出相应的动作。B、 配合VAC检测电路反馈信息及方波电路监测频率信息，调控PWM的脉宽，使输出的功率保持稳定。3.4.2 康铜丝式电流检测电路康铜丝式电流电路，是指采用低阻值的康铜丝作电阻，串联在IGBT的E极或桥式整流器的“”极，对主回路的工作电流进行取样。关注与重点：新型的电磁加热电路，用康铜丝代替过去常用的电流互感器的对电流进行采样。因康铜丝本身的阻值较准且价格便宜，既有效地克服了现有技术中体积大且成本高的缺陷，同时也解决了互感器及配置玻璃二极管易损坏导致电流检测电路故障突显的问题。现代的电磁加热电路一般采用15mm康铜

44、丝，标注“15mm”、或“ID”、“RK”、“CUR IN”等，其阻值很小，一般为。康铜丝就是以康铜材质的一段金属丝。康铜是以铜镍为主要成分的电阻合金，具有阻值低（几到十几毫欧姆）、精度高、温度系数低、稳定性好、无电感、高过载能力等特性，广泛用于通讯系统，自动化控制的电源等加路作限流，均流或取样检测。3.5 IGBT驱动脉宽调整及激励电路的工作原理IGBT驱动脉冲调整及激励电路，又称IGBT驱动电路，或IGBT激励电路，是加热和检测负载的重要电路之一，负责对驱动脉冲和试探脉冲的电压放大。同步振荡电路形成的驱动脉冲幅度一般在45V，此电压不能直接控制IGBT的饱和导通和截止，所以，必须通过IGB

45、T激励电路将此信号放大到18V及以上才行。驱动脉冲调整及IGBT激励电路肯定位于主板上。根据IGBT激励电路的方式分为：集成电路方式和分立件方式两种。分立件式IGBT激励电路的器件，包括直插式小型PNP型和NPN型串联的上下对管、小阻值大功率的隔离电阻、稳压值18V的保护二极管。这些器件相邻、相接，介于IGBT散热板与LM339比较器之间。集成电路式IGBT激励电路的器件，主板上唯一的、单列脚、8316系列直插式集成电路，肯定是IGBT驱动集成电路，这个集成电路附近的电阻是输出和输入电阻，其中两个阻值较小体积较大的电阻是输出电阻。接下来介绍两种形式的IGBT驱动脉冲调整电路。3.5.1 上下对

46、管加电压比较器组成的IGBT激励电路如图37所示，U2D电压比较器负责驱动脉冲调整，通过比较“+”、“”极输入端的电压高低，在输出端形成驱动脉冲。Q3、Q4组成的互补推挽放大器，及负责驱动脉冲的电压放大。图38 上下对管+电压比较器式IGBT激励电路图39 IGBT激励电路的工作原理图3-9是IGBT激励电路工作的波形图。VINI是同步振荡电路产生的同步锯齿波形，VIN2是CPU输出的PWM脉宽调制信号经整流滤波的直流电压。U2D对VIN1、VIN2进行电压比较，在t2t3时间内，VIN2VIN1，U2D正向输入而截止，VOUT输出高电平；在t3t5时间内，VINIVIN2，U2D反相输入而导

47、通，VOUT输出低电平。周而复始，VOUT形成约4V的驱动脉冲，经Q3、Q4放大后，将幅度提高16V后，送IGBT的G极，控制IGBT饱和导通和截止轮流进行，从而激励主回路工作，电磁加热电路开始加热。从图3-9中可以看出，VIN2电压越高，VOUT形成的驱动脉冲宽度越宽，IGBT的G极脉冲越高，IGBT导通时间越长，电磁加热电路的输出功率越大，反之相反。ZD1用过压保护，使IGBT的G极驱动脉冲幅度不超过16V，以避免IGBT因G极电压过高而击穿。R5是隔离电阻，阻值相对小、功率相对大（为4.7，功率为1W），用于过流保护。当IGBT的G极电流过大时，会将R5烧断，切断IGBT的G极回路，防止

48、IGBT因过流而损坏。R42是上下对管的基极上拉电阻，C16是振荡电容。R6是IGBT的G极下拉电阻。注意：这种IGBT激励电路故障率很高。Q3、Q4击穿或漏电、16V供电电压低，均会造成IGBT击穿。R5开路或阻值变大会试探脉冲走向，引起报警无负载或报警内部电路故障。3.5.2 复合对管加电压比较器组成的IGBT激励电路下图为此次设计用的电磁加热电路的IGBT驱动脉冲调整及激励电路。IC2D电压比较器负责驱动脉冲调整。Q8-Q10、Q3组成的IGBT激励电路。Q9、Q10组成一个复合式三极管，作为对管的上管，目的是提高工作电流。图310 复合对管+电压比较器式IGBT激励电路振荡电路输出的V

49、8驱动脉冲幅度约4.1V，送电压比较器IC2D的脚。22V电压经、R13分压形成V9（约3.17V）送IC2D的脚作基准电压。在V8=0V期间，低于脚的基准电压3.17V，IC2D比较器为正相输入而截止，V10输出高电平，Q8和Q3导通，Q9和Q10截止，IGBT的G极为0V，IGBT截止。在V8为4.1V高电平期间，V8V9，IC2D反向输入而导通，V10输出0V低电平，Q8和Q3截止，Q9和Q10导通，+22V通过R71、Q10加到IGBT的G极，IGBT饱和导通。注意事项：Q3、Q10、Q9激励管击穿或漏电会造成IGBT损坏。反过来，IGBT全击穿的瞬间其C极高压又会通过G极将Q3、Q1

50、0、Q9击穿，将22V电压拉低，而22V电压低，又会导致激励电路输出的驱动脉冲不足，再次击穿IGBT，因此，遇有IGBT击穿时，一定要检查激励管是否损坏，同时查明上述器件损坏是否有深层次的原因，如同步电路、VCE检测电路是否正常。技巧：R18阻值变大，或Q3、Q8放大倍数不足，会造成激励电路输出的脉冲幅度低，虽然能保证IGBT导通/截止轮流变换，但不能保证IGBT处于饱和导通状态，导致导通IGBT自身能量消耗大而快速升温，引起电路加热一段时间后，停机报警IGBT过热。(1) IGBT电流的确定 由以下公式得， (3-20)28.64A (3-21)其中，为整流后的直流电压310V,为最大输出功

51、率8，从而得到IGBT一个周期内平均电流值12.90A （3-22）在选取元件时一般取保险系数为平均电流值的1.5-2.0倍，那么流过IGBT的连续电流为=(19.35-25.8)A (3-23)又由于在该电路中有两个桥臂，则IGBT的均流系数为1.2那么IGBT实际的连续通态电流为（1.5-2.0）*1.2=（23.22-30.96） （3-24）(2) IGBT电压的确定在整流之后的滤波电路中有时会发生电压过冲，并且缓冲电感上有时也会形成电压尖峰。因此可以把IGBT的耐压值设定为大于或者等于 (3-25)K为安全系数，一般取K=2；为整流后的直流电压，并以此确定了我们所需的IGBT。3.6

52、 PWM脉宽控制电路PWM是Pulse-Width Modulation的缩写，译为脉宽调制。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中最为简单的一种情况。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了

53、它在电力电子技术中的重要地位。近看来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如控制电机转速时，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少，只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。其原理：用一系列等幅不等宽

54、的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。如果把上述的脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，得到的脉冲序列就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）

55、波形。要改变等效输出的正弦波幅值，只需按同一比例改变各脉冲宽度即可。3.6.1 电阻加电容组成的PWM脉宽控制电路图311 电阻+电容组成的PWM脉宽控制电路图3-11是电阻+电容构成的PWM脉宽调制电路。CPU输出的PWM脉宽调制的脉冲，经R50、C3和C9进行一级积分，形成不稳定直流电压VB。VB再经R40和R25二极积分，变为平滑的VC直流电压，送LM339比较器的脚作为驱动脉冲宽度电压，电脚的振荡锯齿波比较后，在脚形成脉宽与脚直流电压成正比例的驱动脉冲，作为电磁电路的加热脉冲。当设定的功率高时，CPU输出的PWM脉宽大，C3充电时间长、放电时间短，形成的VB和VC直流电压高使LM339

56、脚电压值大，高于脚的振荡振齿波幅度的时间长，内比较器截止时间长，脚输出的驱动脉冲宽，电磁炉的输出功率大。反之相反。R32、R44是PWM脉宽调整电路的上拉电阻，决定PWM的基础直流电压值，也就是脉冲驱动调整器LM339的脚PWM基础电压值，决定电磁电路的基础输出功率。3.6.2 三极管式PWM脉宽控制电路图312是电磁电路的PWM的脉宽控制电路，这个电路还有检测负载的信号的传输作用。图312 三极管式PWM脉宽控制电路CPU接收开机指令，先由PWM端输出试探脉冲进行检锅具，在检测有锅具时，才令PWM端改为PWM脉宽调制信号，由R6、C33、R16积分后，送Q7的B极。PWM脉冲越宽，对C33充电的时间越长，C33两端的电压越高，