摘要:詳細分析了電磁爐主諧振電路的拓撲結構和工作過程,基于模糊控制理論,給出了負載變化時控制功率穩(wěn)定的智能控制方法?

關鍵詞:電磁爐;主諧振電路;模糊控制

0?引言

由電力電子電路組成的電磁爐(Induction cooker)是一種利用電磁感應加熱原理,對鍋體進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,非常適合現(xiàn)代家庭使用?電磁爐的主電路是一個AC/DC/AC變換器,由橋式整流器和電壓諧振變換器構成,本文分析了電磁爐主諧振電路的拓撲結構和工作過程?

當電磁爐負載(鍋具)的大小和材質發(fā)生變化時,負載的等效電感會發(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不穩(wěn)定,常會使功率管IGBT過壓損壞?針對這種情況,本文提出了一種雙閉環(huán)控制結構和模糊控制方法,使負載變化時保持電磁爐的輸出功率穩(wěn)定?實際運行結果證明了該設計的有效性和可靠性?

1?電磁爐主電路拓撲結構與工作過程

1.1 電磁爐主電路拓撲結構

電磁爐的主電路如圖1所示,市電經橋式整流器變換為直流電,再經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損耗的零電壓型(ZVS)變換器,功率開關管的開關動作由單片機控制,并通過驅動電路完成?

電磁爐的加熱線圈盤與負載鍋具可以看作是一個空心變壓器,次級負載具有等效的電感和電阻,將次級的負載電阻和電感折合到初級,可以得到圖2所示的等效電路?

其中R*是次級電阻反射到初級的等效負載電阻;L*是次級電感反射到初級并與初級電感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個階段,各階段的等效電路如圖3所示：

       研究一個工作周期的情況,定義主開關開通的時刻為t0?時序波形如圖4所示?

1.2.1 [t0,t1]主開關導通階段

按主開關零電壓開通的特點,t0時刻,主開關上的電壓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)律單調增加?流過R*形成了功率輸出,流過L*而儲存了能量?到達t1時刻,IGBT關斷,iL達到最大值Im?這時,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為零電壓關斷?

1.2.2 [t1,t2]諧振階段

IGBT關斷之后,L*和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振,同時在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?

由上面的結果可以看到,當IGBT關斷之后,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,部分能量消耗在R*上?在t1a時刻,ω(t-t1)=φ+β(β應為-π/2),iL=0,L*的能量釋放完畢,uc達到最大值Ucm,于是,IGBT上的電壓也達到最大值uce=Ucm+Udc?

然后,Cr開始釋放能量,使iL反向流動,一部分消耗在R*上,一部分轉變成磁場能?當ω(t-t1)=π+φ時,uc=0,Cr的能量釋放完畢,iL達到負的最大值?此后轉由L*釋放能量,使iL繼續(xù)反向流動,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ω(t-t1)=ω(t2-t1),即t=t2時,uc=-Udc,uce=0,二極管D開始導通（忽略二極管的導通壓降）,使Cr右端電位不能再下降而箝位于0?于是,uc不再變化,充電結束?但是,L*中還有剩余能量,iL并不為0,t2時刻iL(t2)=-I2?這時,在主控制器的控制下,主開關開始導通?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^**diL/dt+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的絕對值按指數(shù)規(guī)律衰減,在t3時刻,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,主開關已經開通,在電源Udc的激勵下,iL又從0開始正向流動,重復[t0,t1]階段的過程?

2,、仿真與實驗波形

主諧振電路仿真波形如圖5所示,實驗波形如圖6所示,試驗參數(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負載變化,也就是鍋具的等效電感和電阻變化時,電磁爐的諧振頻率會發(fā)生變化,電磁爐的輸出功率會不穩(wěn)定,實驗測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是電磁爐的控制結構圖?圖8是電磁爐模糊控制器的結構圖,控制器的輸入分別為給定功率與輸出功率的誤差信號X和誤差的變化量Y?為了提高實時響應速度,采用控制表方式的模糊控制器?

4,、結語