1、1大功率商用电磁加热系统设计报告1 电磁加热系统原理与特点当线圈流过高频交变电流时会在其周围产生交变磁场，如果该磁场靠近金属表面，则在金属中能感应出漩涡状的电流，简称涡流。涡流的大小与金属材料的导电性、导磁性、几何尺寸有关。涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的大小，其方向与线圈电流磁场相反，因而抵消部分原磁场，它与线圈磁场叠加后形成线圈的交流阻抗，导致线圈的电感量发生变化（减小）。这些涡流消耗电能，在感应加热装置中，利用涡流可对金属进行加热热。涡流的大小与金属的电阻率、磁导率 、厚度 h ，金属与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。工业上把感应加热依频率分为四种：工频(50 Hz) ；中
2、频(0.5 Hz 8 kHz)；超音频(20Hz60kHz)；高频(60Hz600kHz)工频交流电直接由配电变压器提供；中频交流电由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生；超音频和高频交流电由大功率电子管振荡器产生。电磁感应加热如图1所示。高频电磁感应加热方法是利用电磁感应在被加热体内产生的涡流，对被加热体进行涡流加热。将被加热体看成无数个同心圆状的电流环网路，当通过被加热体线圈的磁通增加时，就产生使它减小的方向的感生电流；当通过线圈的磁通减小时，就产生使它增加的方向的感生电流，该电流称为涡流。涡流的计算公式为：（1）2(/)2mdJArt式中： 为以 为半径的圆内交变磁通在加热体表面
3、形成的涡流； 为加Jr 热体金属的导电率； 为半径r圆内的磁通。m将被加热体和电磁感应加热线圈结合在一起，中问留有24 mm的间隙，电磁感应加热线圈通过高频交变电流，便相当于在电磁感应加热线圈和被加热体之间形成无数个小交变磁场，这些小磁场的磁通变化，在被加热体表面产生涡流，涡流的能量转化为热能，达到加热的目的。感应加热是利用电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内磁力线通过锅局部时，磁力线被切割而产生无数小涡流，使锅局部瞬间迅速发热。由于“集肤效应”，涡流分布高度集中于锅表面，而且随距表面的距离增大而急剧下降。设图 1 涡流加热原理图2锅表面的感应电流强度为 ，沿感应透入深度方向，距离表面 处的感应
4、电流0I x强度为 ，涡流的理论透入深度为/0()xIe（2）1()2mf式中 为电阻率( )； 为频率(Hz)； 为导磁率( )。80 7410/TA实际应用中规定 降至表面涡流强度的1e处的深度为“电流透入深度”，)Ix经计算证明，865的热量是发生在深度为 的薄层内。钢铁材料在感应加热过程中， 随温度的上升而增大， 的大小在材料失去磁性前基本不变，而达到居里点温度(铁为770 C，中碳钢724 C)以上钢材就失去磁性， 急剧下降为真空导磁率，即 。材料在失磁前的涡流透入深度1称为“冷态的涡流透入深度” 。而随着材料温度的上升，会导致 增大和冷 下降，使涡流分布平缓，透入深度增大。考虑一块
5、厚为 ，电阻率为 ，半径为 的金属圆板，置于磁感应强度B、ha随时间交变的磁场中，为了计算热功率，沿着电流方向将金属圆板分割成若干个宽度为 、周长为 ，厚度为 的金属薄筒，任意一个薄筒的感生电动势dr2rh为（3）2drtt薄简的电阻为（4）Rhr所以薄筒的瞬时热功率为（5）23dBdpt整块金属圆板的涡流的瞬时热功率为（6）2408ahdt设 ，则 ，0sinBtcosdBtt涡流在一个周期内的平均热功率为（7）422240 00011s816r rhahpt tdBaTT由上式可见，若要得到较大的热功率输出，必须选择高频交变的电磁场，产生较大的磁感应强度，且金属的电阻率要较小。3由于感应器
6、的工作电流很大且频率很高，在设计和应用时，必须考虑电磁感应的三个基本效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。集肤效应 当变化的电流在导体中流动时，它周围的磁场也随着变化。这变化的磁场也要在导体中产生感应电流，因而影响导体中电流的分布，使电流趋向导体表面。也就是说，愈靠近导体的表面，电流的密度就越大。频率越高，集肤效应就越明显。因此，在高频状态下，常采用中空导线，或用若干股并列的细导线作为输出馈线。邻近效应 就是导体的邻近还有其他载有变化电流的导体时，每一导体中的电流将要重新分布，和孤立时不一样，其分布是不均匀的。不均匀的程度，则视导体的形状、尺寸、相对位置以及交变电流的频率而定。圆环效应 是指环形
7、导体的电流分布有集中于内表面的趋势，而且其程度也受频率的影响。频率越高，圆环效应就越明显。采用感应加热原理设计的高频电磁加热系统具有着突出的优点。它是利用电磁感应产生的交变磁场，在发热体的表面形成涡流达到直接加热的目的，效率高，加热时间比相同功率的加热器要快得多，更值得指出的是，它通过感应线圈使发热体产生涡流达到加热的目的，实现了发热体和主电路之间电气上的隔离，避免了因绝缘损坏而产生的漏电现象，在安全性上大大提高了。感应加热具有以下优点：(1)加热速度快。由于感应加热过程主要是依靠电流感应透热和传导的方式实现，故在很短的时间内便能加热到预期的温度。(2)热损少、加热效率高。在感应加热过程中，能
8、量的传递是以电磁波的形式进行的，故受外界的干扰小、能量的扩散少，提高了能量的利用率和加热热效率。(3)无污染。加热热源是电能，不会产生任何有害的气体和污染物，属于环保型的热源。(4)易于实现自动控制。加工过程中热源的参数主要是电源的功率和频率，这两项电参数在控制过中是很容易实现自动控制的，不需要相关的转换模块，可以更有效地控制加工的质量。（5）实现了发热体和主电路之间电气上的隔离，避免了因绝缘损坏而产生的漏电现象，在安全性上大大提高了。2 技术指标1.1 输入电压：三相 380V20%，50Hz；1.3 工作环境温度：（-10 +60）；1.4 最大输出功率 15Kw;1.5 输出功率连续可调
9、；2 电磁加热系统的功能2.1 过流、过压、欠压、过功率保护和故障报警显示功能；42.2 软启动、软关断功能；2.2 停电记忆功能；2.3 IGBT 高温保护、线圈高温保护和故障报警显示及自动恢复功能；2.4 IGBT 温度传感器、线圈温度传感器、调功电位器开路、短路保护和故障报警显示功能；2.5 关机散热风机延时功能；2.6 小物件检测功能（小于 80mm 不加热） 。3 外形尺寸及系统组成3.1 主机箱外壳尺寸主机箱尺寸图：3.2.3 LED 显示屏控制接口定义和原理图 2 主机箱主要尺寸图 3 LED 显示屏53 主电路设计三相交流电通过滤波后送入三相整流模块，得到一脉动直流电源，通过
10、型滤波获得直流电压源，其额定幅度为 513V。主电路有两种选择，其一是半桥，其二是全桥，半桥通过桥路电容和电感形成谐振，全桥通过电感和串联电容形成谐振。这两种电路均可以应用，但全桥需要四个驱动电路，需要 4 个 IGBT，但通过的电流是半桥的 1 半。本设计采用半桥电路。3.1 输入参数计算最大输出功率 max15outPKW系统效率 in0.8则变换器最大输入功率图 4 显示板控制接口定义6maxax150764.8inPW输入电压 380V20%，最大 456V，最小 304V，三相全桥整流后，最大直流电压 max4561.35UV最小直流电压 in0.0.4因此输入最大电流 maxain
11、1768/2./PI AU因此主电路整流管额定电流和 IGBT 额定电流必须大于最大电流，考虑安全系数，取额定电流为 150A/1200V。3.2 半桥设计电磁灶系统框图如图5所示。市电交流380 V经过滤波整流后变为大约510 V直流，通过半桥谐振逆变电路的振荡在线圈中产生交变磁场，在发热体中产生涡流以达到加热的目的。把涡流效应等效到原边，用L、R串联表示。当负载为RLC且满足振荡条件时，这种负载称为谐振负载，对于谐振负载可以通过改变频率来改变输出的电压和功率。逆变式谐振负载（串联谐振）的电路特点是：逆变电路输出的波形为方波（方波电压）；可以将逆变频率调谐在谐振频率附近，而正弦输出的电流，无
12、需通过低通滤波器消除其最低次谐波，所谓“谐振逆变”电路因此得名；因为利用负载谐振特点电路中的元件要承受很大的电流或电压。串联谐振网络的形式如图 6 所示，其中 是谐振电感， 是谐振电容，涡LC流等效阻抗 R。图 5 电磁灶系统框图 7Usinwt图 6 串联谐振电路对图 3 所示的电路图，导纳可表示为（9）21() 1sCYsLRLs它是频率 的函数，令 ， ，则有：sj0（10）2201()sYsR由式（10）可以看出，在谐振时，即 时，电感和电容阻抗相互抵消，0j，电路阻抗为纯电阻负载，电路对数幅频特性曲线如图 7 所示。01()YsR令串联谐振电路的品质因数为（11）02LQR则式（10
13、）可改写为02001()sYsQ （12） 2a 1lg2R 0lg lg lg()Ys 图 7 对数幅频特性曲线8电路谐振时， 01()YsR设电源电压为 ，则电流为 ，电容电压U()()IsUYs22020 20 0() 1() ()CIsCsCRsR（13）20()CUs当 时0sj（14）0()2CsQU也就是说谐振时负载电压等于电源电压，电容上的电压可达电源电压的倍。Q谐振时 通过调整工作频率，调整通过开关管，S1、S2的开通和关断，AB感应线圈电感和半桥电路的两个电容在各自的回路形成谐振。当逆变器工作在谐振频率 时，开关器件的状态转换总是发生在开关器件0电流过零时刻，在这种情况下，
14、所有反并联二极管始终不通过电流。实际上半桥输出入电压为幅度为 的方波，只要 ，而且 值足/2U0Q够大，电流几乎为正弦波（15）0100()sinsinaamiYjttR为方波电压的基波分量幅值。12amU输出功率（16）2221()amIUPRR若输出15kw，不考虑效率，等效电阻 0.35当逆变电路的工作频率大于谐振频率（ ，且 ） ， 作用相当0LC9于一个电感 EL（17）20(1)EL谐振电路的阻抗等值于 电路，工作于感性负载，电流滞后于电压R（18）2sin()1EaELUi tarcgRL当逆变电路的工作频率小于谐振频率（ ，且 ） ， 作用相当00C于一个电感 EC（19）20
15、1()EC谐振电路的阻抗等值于 电路，工作于容性负载，电流超前于电压R（20）211sin()1a EEUi tarcgCRC从上面分析可以看出，当没有锅在灶上时，没有涡流产生，电路为纯电感负载，储存在电感中的能量和电容交换，输入直流平均电流为零，若灶上有一个较小的金属物体时，涡流等效到电感原边的电阻较大，输入直流平均电流较小，因此可以根据输出电流衰减的快慢判断有无锅，实现小于某直径金属不加热功能。当涡流发生时，涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的大小，其方向与线圈电流磁场相反，因而抵消部分原磁场，它与线圈磁场叠加后形成线圈的交流阻抗，导致线圈的电感量发生变化（减小）。没有锅时，电感为其测
16、量值，最小谐振频率 ，当工作频率远大r1LC空 空于此谐振值时，其输出电流滞后电压约 90 度电角度。有锅时，电感值增大，即 ，谐振频率减小，不同的锅谐振频率不同。L空 合最大谐振频率 ，当工作频率接近于此谐振值时，负载等效为rmin1C合 合负载，其输出电流滞后于电压，小于 90 度电角度，当在谐振点工作时，其LR10等效负载为纯电阻负载，电流和电压同相位。从公式（7）可知，输出的功率与工作频率的平方成正比，因此通过调解谐振工作频率就可以调解输出功率。同一工作频率下，调解占空比相当于调解了磁感应强度 B，而输出的功率与 B 的平方成正比，因此调解占空比也可以调解输出功率。因此通过调节工作频率
17、和占空比都可以调解输出功率，可以分别应用或同时应用。为了使电路在不同锅材质情况下都工作在谐振条件下，必须合理选择电容和电感大小。由于 IGBT 最大工作频率受器件限制，一般不大于 30KHz，所以最大谐振频率小于 IGBT 最大工作频率，最小谐振频率为 IGBT 最小工作频率。空载时，电容选取 ，电感为 ，最小谐振频率为0.8uF120uHmin 61643z2.fLC空3.3 工作过程分析半桥电路如图 2 所示，为了分析方便，重画其电路如图 8 所示。当电路工作频率大于谐振频率时，电压超前电流相位，回路负载特性呈现感性，设某一时刻，开关管 S1 处于导通状态，负载中流过电流（如图 5 中实现
18、表示） ，当 S1 关断时，由于电感的储能作用，将通过二极管 D2 续流，如图 9所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-May-2007 Sheet of File: D:circuittu1.Ddb Drawn By:4216357S1C?CAPC?CAPLRS2D1D2BT?BATTERY图 8 半桥电路11由于 D2 续流，IGBT（S2）EC 之间的电压仅为二极管争相导通压降， S1承受电源电压，死区时间结束后，开通 S2，D2 承受反向电压而关断，如果能够正好在续流结束之前开通 S2，则实现了零电压
19、开通，二极管 D2 实现零电流关断。当电路工作频率小于谐振频率时，电流超前电压相位，回路负载特性呈现容性，设某一时刻，开关管 S1 处于导通状态，负载中流过电流（图 10 中用实线表示） ，由于电流超前电压相位，因此在 S1 仍导通时电流首先过零，之后电流通过二极管 D1 反向流通（图 10 中用虚线表示） ，如图 10 中所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-May-2007 Sheet of File: D:circuittu1.Ddb Drawn By:4216357S1C?CAPC?CAPLRS2D1
20、D2BT?BATTERY图 9 感性负载时的工作过程1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-May-2007 Sheet of File: D:circuittu1.Ddb Drawn By:4216357S1C?CAPC?CAPLRS2D1D2BT?BATTERY图 10 感性负载时的工作过程12二极管 D1 导通后，S1 实际上已不起作用，当 S1 关断，S2 导通时，D1 将承受反向电压而强迫关断，关断过程中 D1 将产生较大的反向恢复电流，此恢复电流将通过 D1、S2 使电源短路，从而危及 IGBT。当 S2
21、 导通末期，电流再次提前反向，D2 续流，此时如果 S1 导通，D2 将承受反向电压而强迫关断，二极管 D2 反向恢复电流和 S2 使电源短路。通过上面分析可以看出，当电路工作于容性状态时，IGBT 的交替导通，由于二极管反向恢复电流较大，IGBT 损耗较大，不适合频繁起动的工作场合，容易导致 IGBT 的损坏。当电路工作于感性状态时，IGBT 可以实现零电压导通，开关损耗取决于电流滞后的角度。因此，要让谐振回路工作于略感性负载的准谐振状态，保证电路的安全可靠工作。3.3 部分电路参数设计1） 功率跟定电路由于电位器为 1k，为了保证输出最大值为 3V， 53R，取 3.9 。4kK当电位器最
22、大时输出： 1.063.9V最小时 0V。为了防止电源故障时输出电压升高，采用 3.3V 稳压管限幅。如图 11 所示。2 ）温度传感器 LM35希望当温度 150 摄氏度时，输出3V。LM35 每度变化 10mV，150 度时输出电压 150150.mVV采用同相放大器其放大倍数为 2，即 58710RK放大倍数=1+ =287R3）5V 分压为 3.3V分压电电阻分别为上电阻 ，下电阻 。5.1K4）变压器设计变压器初级输入电压 380V，次级共 6 个绕组，其输出分别为18V，0.8A，作为 Vcc 电压的输入，LM350；18V，0.2A，作为-Vcc 电压的输入，MC33063 设计
23、为降压；18V，0.5A，作为+15VH 电压的输入，MC33063 设计为降压；12V，0.3A，作为-5VH 电压的输入，MC33063 设计为降压；18V，0.5A，作为+15VL 电压的输入，MC33063 设计为降压；12V，0.3A，作为-5VL 电压的输入，MC33063 设计为降压；1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 30-May-2007 Sheet of File: D:circuitMyDesign1.ddb Drawn By:R783.9KRP1A1KVCCD?IN4728(3.3V)图 11
24、功率给定电路13高度不大于 90mm，匝间隔离电压，原副边隔离电压大于 3000V.3.4 软启动和谐振频率跟踪为了防止起动是冲击电流对系统的损坏，系统采用软起动，由于输出功率与工作频率、和脉冲宽度的平方成正比，显然逐步提高工作频率或脉冲宽度就可以实现软起动。由于当工作频率小于谐振工作频率时，电磁炉的负载特性为容性负载，电流超前电压，功率管开通时，会使续流二极管流过较大的反向冲击电流，因此希望系统工作与谐振状态或感性负载，即工作频率大于等于谐振频率。输出功率和工作频率存在对应关系，不同材质、大小的锅有着不同的对应关系。为了防止不同材质、大小的锅在应用中不会出现故障，必须考虑软启动的方法。调频法
25、：系统从最大工作频率启动；调宽法：系统从最大工作频率最小脉宽启动。由于不同材质的锅对应不同的谐振工作频率，所以必须实现谐振频率的自动跟踪。通过检测直流母线电流，当负载为感性时，母线电流有回流（有正负电流） ，谐振时母线电流为正，当负载为容性时，母线电流有回流（有正负电流） ，把母线电流经过过零比较器处里，谐振时输出的脉冲最宽，比较其输出脉冲低通滤波，则输出最大电压出为谐振频率，如果频率降低，输出电流增大，则为感性负载，若频率降低，输出电流减小，则为容性负载。4 控制流程4.1 系统主循环程序流程当供电后，DSP 初始化，初始化由系统初始化、引脚配置、PWM 初始化、SPI 初始化和 A/D 初
26、始化等构成。要保证输出的 IGBT 控制信号均为低电平，初始化完成后，进入自检程序，检查 IGBT 温度传感器、线圈温度传感器、调功电位器等输入输出是否工作正常，如果不正常，电路不工作，并给予警示；如果正常，等待输入。主循环流程图见图 xx 所示。1、主循环流程图分四块，第一块：辅助电源供电、DSP 初始化、自检；第二块：主电路供电、软起动，频率跟踪，第三块，检测电流、电压、温度和功率给定值，是否超标，第四块，检锅，第五步：提锅。 14图 12 主程序流程图主电路供电启动 SPI 发送输出平均功率、故障自检正常否？YN 报警及显示是否非正常关机？Star_flag?YN开始检测电流、电压、温度
27、、功率给定YY关断 IGBT报警及显示N平均电流大于 I*?温度否大于设定？N关断 IGBT 频率跟踪电流、电压是否大于设定值是否过流、过压、欠压？YN由功率给定计算工作 Ton和停止时间 Toff，开定时器关断 IGBTtoff 秒以最大频率启动Ton=0?YN切断主电源152、关断 IGBT 子程序包括两大部分：如果为软件关断，则软关断逆变电路驱动信号；SPI 模块外输出功率和故障信息；如果为硬件中断关断，则关断逆变电路驱动信号，禁止所有模块输出，清所有标志。3、检锅探测有无锅方法采用最高频率法，10ms 时间内平均电流小于某一值则无锅，否则有锅。系统输出功率分为 12 档，可以连续调功也
28、可以间歇调功。4 提锅当锅被移走以后，立即关断驱动，停止加热，两秒后执行检锅子程序。提锅判断有两种，其一是锅稍稍提起，此时平均电流增大（由于频率跟踪，电感减小，谐振频率下降，电流增大） ，其而是锅完全提走，此时平均电流为零。通过检测当前电流和前一刻电流比较，如果后一刻电流大于前一刻电流 25%即为稍稍提起，电流等于零提锅。5 SPI 数据传送程序SPI 数据传送程序主要用于将输出功率大小和故障信号传送给显示部件，以便显示输出功率大小和故障信息。6 保护程序设计当电路出现过流、过压，过热等故障时，立即关断加热电路，启动 SPI，将故障信息传递给显示单元。当系统过流、缺相故障时，引脚 PDPINT
29、x 上信号的下降沿跳变会引起 DSP的功率保护中断。在 DSP 的可屏蔽中断里该中断优先级最高，可保证系统在出现故障时有最快的保护响应。若 PDPINTx 有效，会由硬件将 GPTCONA/B 的TCOMPOE 位清零，并禁止 PWM 信号输出。根据 DSP 功率保护引脚 PDPINTx工作的特点，可监测 TCOMPOE 位，当该位为 0 时说明此时功率电路出现故障。首先，禁止所有系统输出，关闭除 SPI 模块外的所有外设模块；然后，检测连接在 I/O 引脚上的故障信号，将故障标号写入 Error_num， Error 位置 1，启动SPI，将故障信息传递给显示单元。4.2 中断处理程序本软件
30、中所涉及到的中断处理程序包括：A/D 中断、定时器中断等，下面分别予以说明。2、A/D 中断A/D 中断主要用于电流、电压、温度、输入功率给定采样， PI 运算对应的中断服务程序入口标志为 AD_ISR。A/D 中断速度取决 PWM 调制信号的频率，其触发源由 EVA 模块 T1 定时器周期中断提供，这是因为 T1 定时器周期中断频率就是 PWM 信号频率。每次 A/D 中断中都进行一次 PI 运算，解算出工作频率，用以更新 PWM 信号周期、脉宽。4、定时器中断定时器中断指由 T4 定时器每隔固定时间产生一个中断，用于向 SPI 总线发16送当前控制系统工作状态数据。信息格式见附件。4.3
31、看门狗监视程序看门狗分为硬件看门狗和软件看门狗。DSP 内部自带一个硬件看门狗，可利用这个硬件看门狗监视主循环的运行。看门狗定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作。程序正常运行时，定时器不会出现定时中断。一旦程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数而导致看门狗溢出，系统就会复位。主循环使用了硬件看门狗，则中断服务程序只能由软件看门狗来监视。在主循环中设置软件定时器，其定时时间大于中断时间，在中断程序中执行一次软件计数器刷新操作。当中断失效不能刷新计数器时，软件定时器出现溢出，系统复位。图 6.7 是本系统所采用的软件看门狗原理图。采用这样的看门狗监视方法，可有效防止主程序或中断处理程序跑飞，使系统可靠运行。D S P 片上硬件看门狗软件看门狗 1C A P 1 _ I S RC A P 2 _ I S RC A P 3 _ I S RA D _ I S R软件看门狗 4软件看门狗软件看门狗 3软件看门狗 2主循环硬件看门狗溢出系统复位失效软件看门狗溢出跑飞图 6.7 看门狗监视设置
