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電磁爐主諧振電路研究與功率控制
摘要：詳細(xì)分析了電磁爐主諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，基于模糊控制理論，給出了負(fù)載變化時(shí)控制功率穩(wěn)定的智能控制方法。引言
由電力電子電路組成的電磁爐（Inductioncooker）是一種利用電磁感應(yīng)加?原理，對(duì)鍋體進(jìn)行渦流加熱的新型灶具。由于具有熱效率高、使用方便、無(wú)煙熏、無(wú)煤氣污染、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)代家庭使用。電磁爐的主電路是一個(gè)AC/DC/AC變換器，由橋式整流器和電壓諧振變換器構(gòu)成，本文分析了電磁爐主諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。
圖1
當(dāng)電磁爐負(fù)載（鍋具）的大小和材質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的等效電感會(huì)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(huì)不穩(wěn)定，常會(huì)使功率管IGBT過(guò)壓損壞。針對(duì)這種情況，本文提出了一種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和模糊控制方法，使負(fù)載變化時(shí)保持電磁爐的輸出功率穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。
1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作過(guò)程
1．1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
電磁爐的主電路如圖1所示，市電經(jīng)橋式整流器變換為直流電，再經(jīng)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(kāi)關(guān)損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由單片機(jī)控制，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路完成。
電磁爐的加熱線圈盤(pán)與負(fù)載鍋具可以看作是一個(gè)空心變壓器，次級(jí)負(fù)載具有等效的電感和電阻，將次級(jí)的負(fù)載電阻和電感折合到初級(jí)，可以得到圖2所示的等效電路。其中R＊是次級(jí)電阻反射到初級(jí)的等效負(fù)載電阻；L＊是次級(jí)電感反射到初級(jí)并與初級(jí)電感L相疊加后的等效電感。
1．2 電磁爐主電路的工作過(guò)程
電磁爐主電路的工作過(guò)程可以分成3個(gè)階段，各階段的等效電路如圖3所?。研究一個(gè)工作周期的情況，定義主開(kāi)關(guān)開(kāi)通的時(shí)刻為t0。時(shí)序波形如圖4所示。
圖4
1.2.1 [t0，t1]主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段
按主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通的特點(diǎn)，t0時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)上的電壓uce=0，則Cr上的電壓uc=uce－Udc=－Udc。如圖3（a）所示，主開(kāi)關(guān)開(kāi)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(jīng)是－Udc，故Cr中的電流為0。電流僅從R＊及L＊支路流過(guò)。流過(guò)IGBT的電流is與流過(guò)L＊的電流iL相等。由圖3（a）得式（1）。
可見(jiàn)，iL按照指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加。流過(guò)R＊形成了功率輸出，流過(guò)L＊而儲(chǔ)存了能量。到達(dá)t1時(shí)刻，IGBT關(guān)斷，iL達(dá)到最大值Im。這時(shí)，仍有uc=－Udc，uce=0。iL換向開(kāi)始流入Cr，但Cr兩端的電壓不能突變，因此，IGBT為零電壓關(guān)斷。
1.2.2 [t1，t2]諧振階段
IGBT關(guān)斷之后，L＊和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振，同時(shí)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(gè)階段來(lái)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(jié)果：
IGBT上的電壓
式中：δ=R*/2L*為衰減系數(shù)；
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