微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書教材

1、微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書第一章前言1.1項目背景微波爐作為一種新型的廚具。它采用電磁感應(yīng)電流（又稱渦流）的加熱原理打破了 傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，微波爐的交變磁場是通過電子線路板組成部分來產(chǎn)生、當(dāng)用含鐵 質(zhì)鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線的交變的電流（即渦流）在鍋具底部金 屬部分產(chǎn)生，電磁感應(yīng)電流使鍋具鐵分子無規(guī)則高速運動， 其熱能是因為分子相互碰撞、 摩擦產(chǎn)生（故微波爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是微波爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所 以熱效率要比所有飲具的效率均高出近 1倍）來實現(xiàn)器具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱 和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目地。1.2微波爐簡介1.2.1微波爐的基本工作原

2、理微波爐主要由交流進(jìn)線電路、電源電路、LC振蕩電路、功率控制電路、整流電路、 EMC防護(hù)電路、濾波電路、同步電路、控制及顯示電路、電壓檢測電路、鍋具檢測電路、 過零檢測電路、電流檢測電路、主控 CPU電路、高低壓保護(hù)電路、IGBT模塊等組成。圖 1.1為微波爐的工作原理框圖圖1.1微波爐的工作原理框圖1.2.2微波爐的基本組成1. 加熱部分：微波爐有擱板在鍋體下面，也有勵磁線圈。對鍋體進(jìn)行加熱是根據(jù) 電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦電流。2. 控制部分：主要有電源開關(guān)，功率選擇鈕，溫度調(diào)節(jié)按鈕等。由內(nèi)部的控制電 路來控制。3. 冷卻部分：采用風(fēng)冷的方式。爐身的側(cè)面有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，內(nèi)部有風(fēng)扇。4. 電氣部分：由

3、整流電路、逆變電路、控制回路、繼電器、電風(fēng)扇等組成。5. 烹飪部分：主要包括各種炊具，供用戶使用。1.2.3微波爐的優(yōu)缺點微波爐作為一種新型的廚具，具有以下優(yōu)點。1. 高效節(jié)能：微波爐降低了損耗，是因為其使鍋具自身發(fā)熱，大大提高了熱效率， 熱效率可達(dá)到85%-99%與傳統(tǒng)加熱方式不同，與電爐、液化氣爐等爐具相比，節(jié)省了 大量的能源。如圖 1.2 所示圖1.2微波爐等廚具的熱效率對比示意圖1.3本章小結(jié)本章主要對微波爐就行簡要介紹，微波爐作為市場的一種新型廚具。它采用電磁感 應(yīng)電流（又稱渦流）的加熱原理打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，又簡單介紹了微波爐的基 本工作原理框圖、微波爐的基本組成以及通過各種

4、廚具的比較來簡單介紹微波爐的優(yōu)缺 點。第二章微波爐的加熱原理2.1微波爐加熱的基本工作原理微波爐采用電磁場感應(yīng)渦流加熱原理工作。它先通過整流濾波把220V工頻交流電變成直流電，再通過逆變把直流電轉(zhuǎn)換成高頻交變電流，流過感應(yīng)線圈的交變電流產(chǎn)生 強大磁場，它會產(chǎn)生無數(shù)小渦流在磁場內(nèi)磁力線通過鐵質(zhì)鍋的底部時，電磁感應(yīng)使鍋具 鐵分子無規(guī)則高速運動，由于分子的相互碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，而使鍋具本身自行高 速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物。微波爐的加熱工作原理如圖2.1 12時圖2.1微波爐的加熱工作原理2.2電磁感應(yīng)加熱的技術(shù)現(xiàn)階段普遍為電熱圈發(fā)熱，把熱量傳到料筒上利用傳導(dǎo)的方式，這樣只能使內(nèi)側(cè)的 熱量傳導(dǎo)到

5、料筒上，存在熱傳導(dǎo)損失，大部分外側(cè)的熱量失散到空氣中，導(dǎo)致環(huán)境溫度 上升，它還有一個缺點功率密度低，無法適應(yīng)一些需要溫度較高的場合。電磁加熱技術(shù) 是使金屬料筒實現(xiàn)自身發(fā)熱，根據(jù)其具體情況在料筒外部包裹一定的隔熱保溫材料，這 樣可以大大降低熱量的損失，提高熱效率，使熱效率達(dá)96鳩上，因此節(jié)電效果十分顯著，其可達(dá)30%以上，并且其加熱速度也大大提高，大約為 60%其預(yù)熱時間大大節(jié)省。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)被稱為誘導(dǎo)加熱技術(shù)，它的英文為：In duction Heati ng ，其縮寫為：IH。它是一種新開發(fā)的電能利用手段，它的加熱過程是通過電磁場直接作用于被 加熱的導(dǎo)體，其加熱效率比傳統(tǒng)的加熱方式要高很

6、多，可達(dá)到90沖上。另外在使用壽命、安全性能等方面都具有獨特的優(yōu)勢，是根據(jù)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的油、氣、煤 和使用電熱管的用電設(shè)備相比而言的 。在導(dǎo)體外面繞一線圈，設(shè)其匝數(shù)設(shè)為當(dāng)在交變電流通入線圈中后，就會產(chǎn)生相 同頻率的交變磁通？通過感應(yīng)線圈中，以及在金屬工件中就會有感應(yīng)電動勢 e產(chǎn)生。如 圖2.2所示交流磁束渦電流加熱線圈被加熱金屬(2-1)(2-2)(2-3)圖2.2電磁感應(yīng)示意圖設(shè)金屬工件的等效匝數(shù)為 N2，故MAXWELL的電磁方程式為:d e - -N2 2 dt設(shè)交變磁通為 = m sint，則e = -N2 d N2 m cos t dt感應(yīng)電動勢的有效值為：=警=警=4.4

7、4fN為此感應(yīng)電動勢在工件中使工件內(nèi)部加熱是感應(yīng)渦流的產(chǎn)生I，其焦耳熱為：Q=0.24l2Rt（ 2-4）其中：I感應(yīng)電流的有效值，單位為 A； Q感應(yīng)電流通過電阻產(chǎn)生的熱量， 單位為J; t工件通電的時間，單位為S ； R工件的等效電阻，單位為11。由公式（2-3）和（2-4）可以看出，e及P與交變磁通的頻率和磁場強度有關(guān)，在 感應(yīng)線圈中通過的電流越大，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁通量就越大，故為使金屬工件中的感應(yīng)渦 流加大可以通過提高感應(yīng)線圈中的電流值來實現(xiàn)；另外為使工件中的感應(yīng)電流加大可以 在一定條件下通過來提高工作頻率來實現(xiàn)，從而可以使工件的發(fā)熱效果得到提高。由此 可以看出電磁感應(yīng)加熱的發(fā)熱效率不僅

8、與頻率和磁場強度，金屬工件大小，截面積的形 狀有關(guān)，而且還與工件本身的導(dǎo)電等特性有關(guān)。電磁感應(yīng)加熱的過程是，首先把電能轉(zhuǎn)化成磁能通過感應(yīng)線圈來實現(xiàn)，產(chǎn)生同頻率 交變的電動勢E,交變電動勢E作用于金屬工件后，形成閉合回路。在工件中產(chǎn)生電流, 從而把磁能轉(zhuǎn)換成電能。然而渦流可能很大因為塊狀金屬的電阻一般較小，所以在金屬 內(nèi)流動時就會釋放出大量的熱能。這樣，又可以實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化成金屬工件的內(nèi)能，從而 達(dá)到加熱的目的。在電磁感應(yīng)加熱過程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2.3所示：電磁亠流 電 應(yīng) 感電應(yīng) 效 熱 流 電一內(nèi)匕匕 厶冃匕匕 厶冃 II匕匕 厶冃匕匕 厶冃圖2.3感應(yīng)加熱能量轉(zhuǎn)化圖2.3串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變

9、器的負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點高頻感應(yīng)加熱電源的負(fù)載都是功率因素很低的感性負(fù)載，可以等效成一個電感和 一個電阻串聯(lián)或并聯(lián)的形式。等效的電感、電阻其值受耦合程度的影響，它是感應(yīng)器和 負(fù)載耦合的結(jié)果。一般采用增加補償電容的方法來提高功率因數(shù)，主要有兩種方式：一 種是并聯(lián)補償，另一種是串聯(lián)補償，從來形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)諧振電路和串 聯(lián)諧振電路。感應(yīng)加熱電源一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，這樣可以提高效率和保證逆變器的 安全運行。串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的特性見表 2-1。諧振類型電壓諧振電流諧振從表2-1可以看出，串聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻， 并達(dá)到最小值, 串聯(lián)諧振電路采用電壓源供電，從而

10、獲得最大的電源輸出功率。并聯(lián)諧振電路在諧振狀 態(tài)下等效阻抗達(dá)到最大值，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，從而獲得最大的電源輸出功 率。為了滿足MOSFET, IGBT等器件的要求，串聯(lián)諧振逆變器中在換流時要反并聯(lián)二 極管，其中續(xù)流的電流為正弦波，所以開關(guān)器件承受的反壓是非常低的是反并聯(lián)二極管 的正向?qū)▔航?。同時串聯(lián)諧振逆變器不僅可以自激工作，也可以他激工作，并且起動 比較簡單。串聯(lián)諧振逆變器采用大電容濾波，當(dāng)發(fā)生上、下橋臂短路故障時，由于電容電壓不 能突變，因此瞬時將會產(chǎn)生很大的放電電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率器件的額定電流，如果不能 在允許的短路時間內(nèi)將器件關(guān)斷，就將會對器件造成永久性損壞。串聯(lián)諧振逆變電

11、器對 補償電容耐壓的要求比較高，因而必須采取相應(yīng)的措施來降低補償電容上的電壓。并聯(lián)諧振逆變器采用大電感進(jìn)行濾波，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時，由于電感電流不會突變， 因此電流上升率就將會得到抑制，不易損壞功率器件，保護(hù)起來比較容易。由于其負(fù)載 電路的電容、電感本身構(gòu)成振蕩回路，因此運行較為可靠，并且對負(fù)載的適應(yīng)能力強。 該電路對補償電容耐壓的要求只要達(dá)到負(fù)載兩端正弦電壓的峰值即可。在換流期間，用 于高頻感應(yīng)加熱電源的自關(guān)斷器件 IGBT，所承受反壓的能力低，而逆變開關(guān)器件有可 能承受反壓。如果在電路中為進(jìn)行保護(hù)而采用反并聯(lián)二極管，則會出現(xiàn)環(huán)流從而損壞器 件。因此，每一橋臂必須串入快速恢復(fù)整流二極管，并且其

12、串入的整流二極管與開關(guān)器 件相同等級的以承受反向電壓。但是，并聯(lián)諧振逆變器起動時間較長，起動比較困難， 需要對濾波大電感預(yù)充電，因而控制電路也相對比較復(fù)雜。并聯(lián)諧振逆變器采用大電感 濾波，雖然帶來了短路保護(hù)比較容易的優(yōu)點，但同時也帶來了體積也非常龐大的缺點， 從而使整個裝置體積增大。綜合所述比較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，考慮到本項目中我們研究的電磁加熱 環(huán)境，我選擇并聯(lián)型逆變器作為微波爐電磁感應(yīng)加熱電源的逆變電源主電路。2.4感應(yīng)加熱電源的負(fù)載等效模型為了便于分析，將加熱負(fù)載上感應(yīng)電流的環(huán)行區(qū)域看作為一個單匝線圈且是閉合的，并且等效電阻為Ro，等效電感為Lo。這樣線盤線圈L和等效線圈Lo組成

13、一個變壓器，其中Ro為負(fù)載電阻，其大小取決于工件自身因素。將 Ro等效折算到加熱線盤回路 中，設(shè)其等效電阻為R，則感應(yīng)加熱的負(fù)載等效為阻感負(fù)載，如圖2.4所示。因為負(fù)載呈感性，這樣會造成電路功率因數(shù)降低和無功損耗的增大，因此在實際應(yīng)用中矯正電路 都要通過加功率因數(shù)，即為提高功率因數(shù)和降低無功損耗，在原電路的基礎(chǔ)上附加一個 容性元件，從而使電路趨向于純電阻性。其中最常用的方法是將加熱線盤與矯正電容并 聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)成諧振電路，并促使電路工作在諧振頻率附近，有兩方面的功能：一是提高 功率因數(shù)，二是當(dāng)并聯(lián)諧振時通過線盤的電流最大或當(dāng)為串聯(lián)諧振時線盤兩端的電壓最 高，因此在并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振一定的情況下，

14、在負(fù)載的功率最大6 o+LR(2-7)(2-8)(2-9)圖2.4感應(yīng)加熱負(fù)載等效電路在實際應(yīng)用中，一般是直流電源通過高頻電子開關(guān)進(jìn)行間歇性的給諧振回路供電，只有在部分時間內(nèi)諧振電路處在諧振狀態(tài)，通常稱為準(zhǔn)諧振狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)中采用的并 聯(lián)諧振逆變電路，下面來詳細(xì)簡要介紹該并聯(lián)諧振逆變電路的工作過程。并聯(lián)諧振逆變 電路可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)模型有以下 3種情況：1. RL電路與直流電源接通的暫態(tài)過程開關(guān)接通前電流為零，開關(guān)接通后電流逐漸增大。如圖2.5所示，設(shè)開關(guān)接通的時刻選作t =0，取圖示所示為參考方向，則根據(jù)基爾霍夫第二定律有U 71 Ur即:U = L di Ridt在符合初始條件i(0.)

15、=0情況下，解此方程里的特解為則在電感中t1時刻的電流為微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書tlR(2-10)U-,-tiUI =i(ti)(1-e L )(1-e )RR故可以得出越大，電流增加的就會越慢。UL(a)電路圖2.5 RL電路與直流電源的接通t其中.詁，并稱其為RL電路中的時間常數(shù)，并且當(dāng)時，i達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值的63%。R1 k*-URi2.已通電RL電路對電源放電的暫態(tài)過程如圖2.6已通電RL電路對電源放電所示，將開關(guān)先擲向1，當(dāng)L中電流充到I時將 其擲向2,則電路將經(jīng)歷一個放電過程，并且初始電流為I。在實際電路中，通常在IGBT 的C、E兩端反向并聯(lián)一只續(xù)流二極管，從而實現(xiàn)零電壓開通，

16、保護(hù)開關(guān)管 IGBT。假 如將此個二極管看成理想二極管，則當(dāng) 4 -，即t二才父時，電容兩端o電壓第一次恢復(fù)初始電壓值U。并且在此之后，二極管開始續(xù)流導(dǎo)通，電路變?yōu)殡姼型?過二極管給電源充電，退出自由諧振狀態(tài)，同時釋放能量。該狀態(tài)將持續(xù)到電流變?yōu)榱悖?電感中的能量全部釋放完為止。根據(jù)ic(t) = U yCecos(t亠二八亠)，可得出該過程中初始條件為COSG2i(0 J “L(t )二ic(tj 二5 二0Ce cos(2黑(2-10)(2-11)(2-12)2取如圖中所示方向為參考方向，則按基爾霍夫第二定律得：UR ul 0:L+iR +U =0 即： dt在符合初始條件i (0 J =

17、 I的條件下解方程得的特解為Rti(t) 一號(I 片廿(I U)eRRRR(i 0(2-12)微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書其中，1當(dāng) t =.時,i(t)=_U (I U)eJ =- -(1)U0.37I -0.63UR R e e RRU，由此可以看出，其R暫態(tài)過程比已充電LR電路短接時的暫態(tài)過程放電速度更加的快。當(dāng)i=o時，t丸=m.罟)，若1 =(1)UR，則,；若1(-1*則 ti ；圖2.6(b)所示為t .時的曲線7 oULt(b)暫態(tài)電流RL電路對電源放電(a)電路圖2.6 已通電3.已充電RLC電路的短接的暫態(tài)過程RURiULUCC圖2.7 已通電RLC電路的短接如圖2.7

18、所示，取圖示中的方向為參考方向，電容被充至電壓-U，則URULUc =0(2-13)又根據(jù)ul=l dt，U-Ri，“嘗，因此(2-14)其特征方程為LCp RCp1=0，特征根為Pi一0一#2一梯，R2L1，0 LC，d2uc , ducLC c RC c uc = 0dtdtF面分三種情況進(jìn)行討論微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書Uc(0.)U，(2-15)(2-16) 附_國；0，即R2止，這時pi及P2為實數(shù)，由初始條件:VCi(0 .) = ，可得滿足初始條件的特解為山二- 一?2(“以 - P2epit)此時為過阻尼振蕩。其中振蕩曲線如圖 2.8所示。(2) 12-2 =0,即R=2

19、C，可得在滿足初始條件的情況下特解為Uc(t) = U(1 Pe此時為臨界阻尼振蕩。其中振蕩曲線如圖2.8所示。(2-18)i(0 J = I可得(2-17)(3) I2 00，即R . 2 L，此時pi及P2為復(fù)數(shù)V CPi - - - . - 2 - 韋二 j ， P2 1 - - - . - 2 - 咱 U i - j 1r2c其中國=晶00 _ P2 =，,寸i，根據(jù)初始條件：Uc(o+)= -u，PLC 4L出特解為U J亠uc(t)e cos( t 二)cos。duc U_SiL(t) =ic(t) =C 二川Cesi n(t*U)dtcos：微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書其中,pP一),=arctan=arctan2尬4L-r2cr2c這就是阻尼振蕩其振蕩曲線如圖2.9所示由式（2-17）及圖2.9可得，在振蕩電壓中的第一個峰值Ucm （正峰值）出現(xiàn)在rtrtH 0( r r r即t二時刻cmcos 二cos工cos：(2-19)此時，一種情況為，因為：增大使得COS減小，從而使Ucm增大。另一種情況為, 因為出現(xiàn)了衰減因子e4-）tan 又使得Ucm出現(xiàn)減小的情況，由此可得其最終值是由兩個方面的因素共同來決定的由式（2-18）及圖2.9可得當(dāng)時，在諧振電流心思t時出現(xiàn)第一個峰值（正峰