電磁加熱器系統電路圖設計原理 電磁感應加熱技術是一種新型的加熱技術, 它利用高頻電加熱原理 ,將交流電轉化為高頻電流,產生高頻磁場, 當磁場內磁力線通過絕緣板作用在鐵質容器外殼時,磁力線被切割,產生大量小渦流,使鐵質容器的自身迅速發熱,從而達到加熱的目的。它較目前家電中常用的電熱絲加熱技術、遠紅外加熱技術、微波加熱技術等具有無可比擬的優越性。電磁感應加熱技術在熱效率、功能、高效節能、電磁輻射等方面是當今家電設計領域中新型的技術。它彌補了電熱絲加熱技術和微波加熱技術不能用在烹飪等領域的不足 ,也彌補了微波加熱技術輻射強的缺點。

1 　電磁感應加熱的基本原理

圖1 是最簡單的一種變壓器電路模型,其初級線圈和次級線圈間功率、電壓和電流關系分別滿足公式(1)、公式(2)和公式(3),其中符號 P 表示系統的總功率,U1 、I1 、N 1 分別表示初級線圈的電壓、電流和匝數,U2 、I2 、N2 分別表示次級線圈的電壓、電流和匝數。這里,忽略漏磁電流的影響,初級線圈與次級線圈的損耗均由繞組的電阻引起 , 當次級繞組為短路時, 由于負載電流(次級繞組的電流)增大而產生熱損耗,如圖2 所示。由能量守恒定律可知,電源提供的能量與初級線圈和次級線圈的總損耗相等。

P1 = U1*I1 = U2*I2 (1)

U1 /u2 = N 1/N2 (2)

I1/I2 = N 2 /N1 (3)

由于電磁感應加熱的基本目的是使次級線圈產生的熱量最大, 因此,感應加熱線圈與負載之間的縫隙要設計的足夠小,次級線圈要由低阻抗且高滲透性特性的材料制成。非鐵金屬或不含鐵的金屬由于其高阻抗和低滲透性會破壞能量的功效,通常不被采用。因此,對于電磁感應加熱系統,鑄鐵、不銹鋼等材料能滿足上述要求,而陶瓷、玻璃、鋁、銅等材料則不能滿足要求。從能量的轉換角度來看整個系統的原理 , 圖3 中第一個電能表示電源,第二個電能表示用于發熱的感應電流和渦流,只所以要經磁場轉變,是為了提高發熱效率。

當交變電流過線圈時,根據安培定律 ,在線圈周圍就會產生交變的磁場。

∫H dl = N i (4)

Φ= μHA (5)

式中,H 為磁場強度;A 為截面積;i 為電流;N 為匝數;M 為磁導率。導體放在磁場中時,磁場運動的速率會發生變化,并且 ,導體越接近磁場中心,磁場密度越低,根據法拉第定律 ,導體表面所產生的電流與感應的電流成反比,導體表面的電流產生渦流。

ε= - N d Φ/ dt = - N A dB (t)/ dt (6)

式中, B(t)表示磁感應強度, 而由感應電流和渦流引起的電能就轉變為熱能。

p=ε2/R=I2*R

式中,R 由導體的電阻率和滲透性決定 , 電流大小由磁場強度決定。

2 　系統的整體功能框圖設計

系統框圖由電源濾波電路、工作電源電路、主電路、振蕩電路、隔離電路、驅動電路、單片機控制電路和保護電路等單元電路組成。

系統整體結構框圖見圖4 。

2 . 1 　EM I 濾波器電路

電磁感應裝置里包括高速軟開關器件 IGB T , 因此必須考慮電磁干擾的問題。一方面,電磁感應加熱系統的電磁干擾不能進入電網中影響其它設備的正常工作 , 另一方面, 電網中的高頻噪聲也不能進入電磁感應裝置電路中來。為了防止電網內各種設備間互相干擾 ,也為了防止電磁輻射對人體健康產生的影響,設計中加入了電源濾波器電路。

2 . 2 　整流濾波電路

整流電路就是將交流電變為直流電,分全橋整流和半橋整流兩種整流方式,為了提高轉化效率,設計中選用全橋整流電路。濾波電路就是把系統不需要的噪音濾掉 ,讓系統需要的有用信號通過。

2 . 3 　主諧振回路

本設計中使用的諧振是串聯諧振。當受矩形脈沖驅動的 IGBT 導通時,L C 回路發生串聯諧振 ,把無功功率補償掉 ,從而使效率轉換達到最大。

2 . 4 　控制電路

控制電路的核心是單片機 ,單片機的加入使電磁感應加熱系統實現了智能化,它提供了良好的人機界面、功率自動控制、溫度自動控制、定時控制以及各種自動檢測與報警等功能。

2 . 5 　隔離電路

光電隔離的目的是割斷兩個電路之間的聯系,使之相互獨立,從而也就割斷了噪聲從一個電路進入另一個電路的通路。在本設計中主要應用于強弱電之間的隔離。使兩者之間的控制信號可以進行正常傳送 ,噪聲信號互相隔離,從而實現電氣隔離的目的。

2 . 6 　驅動電路

該電路通過輸出矩形波信號用來驅動功率開關器件 IGBT 的導通和關斷,其性能直接影響能否可靠工作。

2 . 7 　工作電源電路

工作電源電路負責整個控制系統、驅動系統等的電源供給。電源輸出四個電壓值: 5V (主要對單片機供電), 9V(對振蕩電路供電), 12V(主要對風扇供電,對隔離電路供電), 15V(對驅動電路供電)。

3 　系統的主電路設計

3. 1 　主電路結構

主電路的結構圖見圖5 ,從圖5 中可以看出,市電經過整流、濾波電路后就是諧振電路。通過給 IGB T 的柵極輸入矩形脈沖信號,可以控制 IG2B T 的導通和關斷,從而控制了整個系統的功率狀態。

3. 2 　EM I 濾波器設計

EM I 濾波器電路是感應裝置與電網之間的一

圖5 　主諧振電路圖

道屏蔽墻 , 它大大地降低了電磁感應裝置的傳導干擾 ,削弱了感應裝置對人體的輻射,把對人體健康的影響降到最低。同時它也阻止了電網對感應裝置的電磁干擾。設計的濾波器電路見圖6 。