电磁炉主谐振电路研究与功率控制

电磁炉主谐振电路研究与功率控制

0    引言

    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所示。研究一个工作周期的情况，定义主开关开通的时刻为t0。

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）。

    L＊＋iLR＊=Udc（1）

    由初始条件iL（t0）=0，解得

    iL=（2）

式中：τ为时间常数。

    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u1=－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＊＋iLR＊＋uc=0

    Cr=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：

    uc=sin〔ω(t－t1)－φ〕（4）

        φ=arctan－1(5)

    iL=－ω0Crsin〔ω(t－t1)－β－φ〕（6）

        β=arctan－1(ω/δ)（7）

    IGBT上的电压

    uce=uc＋Udc=Udc＋sin〔ω(t－t1)－φ〕(8)

式中：δ为衰减系数；

            ω0=为电磁炉谐振频率；

            ω=为衰减振荡角频率；

            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）=φ＋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：

    iL=（9）

    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，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。