电磁炉主谐振电路研究与功率控制

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:详细分析了电磁炉主谐振电路的拓扑结构和工作过程,基于模糊控制理论,给出了负载变化时控制功率稳定的智能控制方法。 关键词:电磁炉;主谐振电路;模糊控制 引言 由电力电子电路组成的电磁炉(Inductioncooker)是一种利用电磁感应加?原理,对锅体进行涡流加热的新型灶具。由于具有热效率高、使用方便、无烟熏、无煤气污染、安全卫生等优点,非常适合现代家庭使用。电磁炉的主电路是一个AC/DC/AC变换器,由桥式整流器和电压谐振变换器构成,本文分析了电磁炉主谐振电路的拓扑结构和工作过程。 图1 当电磁炉负载(锅具)的大小和材质发生变化时,负载的等效电感会发生变化,这将造成电磁炉主电路谐振频率变化,这样电磁炉的输出功率会不稳定,常会使功率管IGBT过压损坏。针对这种情况,本文提出了一种双闭环控制结构和模糊控制方法,使负载变化时保持电磁炉的输出功率稳定。实际运行结果证明了该设计的有效性和可靠性。 1 电磁炉主电路拓扑结构与工作过程 1.1 电磁炉主电路拓扑结构 电磁炉的主电路如图1所示,市电经桥式整流器变换为直流电,再经电压谐振变换器变换成频率为20~30kHz的交流电。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型(ZVS)变换器,功率开关管的开关动作由单片机控制,并通过驱动电路完成。 电磁炉的加热线圈盘与负载锅具可以看作是一个空心变压器,次级负载具有等效的电感和电阻,将次级的负载电阻和电感折合到初级,可以得到图2所示的等效电路。其中R*是次级电阻反射到初级的等效负载电阻;L*是次级电感反射到初级并与初级电感L相叠加后的等效电感。 1.2 电磁炉主电路的工作过程 电磁炉主电路的工作过程可以分成3个阶段,各阶段的等效电路如图3所?。研究一个工作周期的情况,定义主开关开通的时刻为t0。时序波形如图4所示。 图4 1.2.1 [t0,t1]主开关导通阶段 按主开关零电压开通的特点,t0时刻,主开关上的电压uce=0,则Cr上的电压uc=uce-Udc=-Udc。如图3(a)所示,主开关开通后,电源电压Udc加在R*及L*支路和Cr两端。由于Cr上的电压已经是-Udc,故Cr中的电流为0。电流仅从R*及L*支路流过。流过IGBT的电流is与流过L*的电流iL相等。由图3(a)得式(1)。 可见,iL按照指数规律单调增加。流过R*形成了功率输出,流过L*而储存了能量。到达t1时刻,IGBT关断,iL达到最大值Im。这时,仍有uc=-Udc,uce=0。iL换向开始流入Cr,但Cr两端的电压不能突变,因此,IGBT为零电压关断。 1.2.2 [t1,t2]谐振阶段 IGBT关断之后,L*和Cr相互交换能量而发生谐振,同时在R*上消耗能量,形成功率输出。等效电路如图3(b)及图3(c)所示,我们也将其分为两个阶段来讨论。波形如图4中的iL和uc。 由图3(b)、图3(c)的等效电路可得到式(3)方程组。 L*(di/dt)+iLR*+uc=0 Cr(duc/dt)=iL (3) 由初始条件iL(t1)=Im,uc(t1)=-Udc, 解微分方程组式(3)并代入初始条件,可得下列结果: IGBT上的电压 式中:δ=R*/2L*为衰减系数; φ是由电路的初始状态和电路参数决定的初相角; β是仅由电路参数决定的iL滞后于uc的相位角。 由上面的结果可以看到,当IGBT关断之后,uc和iL呈现衰减的正弦振荡,uce是Udc与uc的叠加,它呈现以Udc为轴心的衰减正弦振荡,其第一个正峰值是加在IGBT上的最高电压。首先是L*释放能量,Cr吸收能量,iL正向流动,部分能量消耗在R*上。在t1a时刻,ω(t-t1a)=+β,iL=0,L*的能量释放完毕,uc达到最大值Ucm,于是,IGBT上的电压也达到最大值uce=Ucm+Udc。这时Cr开始放电,L*吸收能量,当ω(t-t1)=φ时,uc=0,Cr的能量释放完毕,L*又开始释放能量,一部分消耗在R*上,一部分向Cr充电,使uc反向上升,如图4所示。 然后,Cr开始释放能量,使iL反向流动,一部分消耗在R*上,一部分转变成磁场能。在uc接近0之前,ω(t-t1)=φ+2β之时,iL达到负的最大值。当ω(t-t1)=π+φ时,uc=0,Cr的能量释放完毕,转由L*释放能量,使iL继续反向流动,一部分消耗在R*上,一部分向Cr反向充电。由于Cr左端的电位被电源箝位于Udc,故右端电位不断下降。当ω(t-t1)=ω(t2-t1),即t=t2时,uc=-Udc,uce=0,二极管D开始导通,使Cr左端电位不能再下降而箝位于0。于是,uc不再变化,充电结束。但是,L*中还有剩余能量,iL并不为0,t2时刻iL(t2)=-I2。这时,在主控制器的控制下,主开关开始导通。因此,是零电压开通。 1.2.3 [t2,t3]电感放电阶段 如图3(d)所示,可得方程:L*+iLR*=Udc初始条件为:iL(t2)=-I2。 解此微分方程并代入初始条件,可得: L*中的剩余能量,一部分消耗在R*上,一部分返回电源,iL的绝对值按指数规律衰减,在t3时刻,iL=0,L*中的能量释放完毕,二极管自然阻断。在uc=-Udc即uce=0时,主开关已经开通,在电源Udc的激励下,iL又从0开始正向流动,重复[t0,t1]阶段的过程。 2 仿真与实验波形 主谐振电路仿真波形如图5所示,实验波形如图6所示,试验参数为:L=144μH,C=0.27μF。 3 功率控制 通过上面的分析我们可以看到当负载变化,也就是锅具的等效电感和电阻变化时,电磁炉的谐振频率会发生变化,电磁炉的输出功率会不稳定,实验测得不锈钢锅和铁锅功率可以差别300W,为此,我们采用模糊控制技术来控制电磁炉的输出功率,取得了满意的效果。图7是电磁炉的控制结构图。图8是电磁炉模糊控制器的结构图,控制器的输入分别为给定功率与输出功率的误差信号X和误差的变化量Y。为了提高实时响应速度,采用控制表方式的模糊控制器。 4 结语 详细分析了电磁炉主谐振电路的工作过程,分析结果与实验波形是一致的。针对负载变化,输出功率变化的情况,本文提出的模糊控制方法取得了满意的效果。在研制的电磁炉中使用这种准谐振电路和本文提出的控制方法,产品已经生产,经长时间测试,效果良好。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/12384.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved