數(shù)字感應(yīng)加熱電磁爐的設(shè)計

秦繼祥

摘 要：電磁爐是一種比較常見的烹飪工具，主要起到加熱的作用，同時還可以用來。電磁爐已經(jīng)成為了很多家庭必備的工具，所以其功能以及種類也在不斷增加，這是為了滿足人們多樣化的需求。因為人們對電磁爐的要求在增加，所以其中應(yīng)用的技術(shù)也更加多樣化，功能與性能更加令人滿意。因為感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，使很多領(lǐng)域都受到了影響。將該技術(shù)應(yīng)用到電磁爐中，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，功能也更加多樣。但是，這種電磁爐能耗大，不符合當(dāng)前人們對節(jié)能的需求，同時安全性也較差，很可能在使用時出現(xiàn)問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字感應(yīng)加熱；電磁爐；設(shè)計

引言：感應(yīng)加熱的有點在于，速度快、能量損失少、容易控制等，這滿足了大多數(shù)人對電器的需求，所以在未來有很大的發(fā)展空間。但是應(yīng)用了該技術(shù)的電磁爐卻存在很多問題，例如能耗大、容易漏電等。為了使數(shù)字感應(yīng)加熱電磁爐可以被更好地應(yīng)用到生活中，并為人們的生活提供更多便利，就必須從設(shè)計工作入手，從根本上提高其實用性，使其可以更加節(jié)能且安全。

1.數(shù)字化感應(yīng)加熱電磁爐的控制原理

感應(yīng)加熱的主要原理為在負(fù)載兩端的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生變化的磁場，使金屬材料中產(chǎn)生渦流，從而在其中產(chǎn)生熱量。感應(yīng)電磁爐主要由加熱線圈、控制電路、金屬外殼等構(gòu)成，需要通過交變電流加熱線圈產(chǎn)生高頻交變磁場。在渦流的作用下，原子將高速無規(guī)則運(yùn)動，通過相互作用產(chǎn)生熱能?？偠灾?，將金屬放在電磁爐上，可以感應(yīng)獲得渦流，從而提高自身的熱量，起到加熱的功能。采用感應(yīng)加熱電磁爐，需要利用二極管整流橋和濾波電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。而直流電需要經(jīng)過半橋逆變電路加載在負(fù)載兩端的感應(yīng)線圈中，促使磁場產(chǎn)生。在感應(yīng)加熱電源中，包含整流器、濾波器、逆變器、變換器、控制器和負(fù)載，負(fù)載由感應(yīng)線圈和被加熱件構(gòu)成，就像一個變壓器。在工作頻率較高的場合下，半橋逆變電路的變換器負(fù)載為容性阻抗，開關(guān)器件將輪流開通，促使二極管產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流，造成器件損耗較大。為了保證電磁爐安全工作，還要使諧振變換器為感性負(fù)載，所以，需要實現(xiàn)半橋諧振逆變電路的數(shù)字控制。

設(shè)計中使用的核心控制芯片為TMS320F2812，外部與采樣電路、故障保護(hù)電路、驅(qū)動電路相連接。該芯片雖然體積較小，但是性能很像，可以通過振動測試。采用系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)加熱電磁爐控制，可以在半橋電路工作頻率比諧振頻率高的情況下，促使電壓相位超前于電流相位，使變換器在阻感性負(fù)載狀態(tài)工作。通過這種方式，電路能夠在零電壓開通的條件下運(yùn)行，這樣開關(guān)就不容易發(fā)生故障，使系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

2、數(shù)字化感應(yīng)加熱電磁爐硬件的設(shè)計

2.1、供電模塊設(shè)計

為了使整個電路可以有足夠的電能供給，從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能，就必須對供電模塊進(jìn)行設(shè)計。在供電時，必須保證電流的穩(wěn)定性，這樣才能使電磁爐可以起到加熱功能。在模塊中，需要實現(xiàn)220V輸入交流電壓和輸出+5V電壓，這基本是每一個電磁爐都需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。在交流電壓輸入后，經(jīng)過變壓器整流濾波，可以得到9V電壓，為芯片供電。當(dāng)前使用的主要是直流穩(wěn)壓電源，由于科技的發(fā)展，電器中更多使用集成化電路，能滿足幾乎所有電器的用電需求。目前市場上充斥著種類繁多的由單片機(jī)集成的電路，讓設(shè)計階段有了更多的選擇。使用穩(wěn)壓電路的原因在于其質(zhì)量好、節(jié)能、穩(wěn)定性好、運(yùn)行速度快，適合大批量生產(chǎn)，因此也被廣泛應(yīng)用于各種家用電器的制造中。電器必須有穩(wěn)定的供電，而電網(wǎng)經(jīng)常會由于各種原因發(fā)生波動，電壓可能會十分不穩(wěn)定，所以必須進(jìn)行穩(wěn)壓。電源由變壓器、整流二極管、濾波器、穩(wěn)壓器四部分構(gòu)成。變壓器是將220V的標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)為可以被電器直接使用的電壓，這是供電模塊中必要的組成部分。其余三個部件分別負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)為脈動直流電，從脈動直流電轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的直流電，最終通過穩(wěn)壓電路的調(diào)整作用來實現(xiàn)穩(wěn)壓并為電器供電。

2.2、故障保護(hù)模塊設(shè)計

電磁爐在運(yùn)行時，容易受到干擾，發(fā)生事故的幾率也相對較大。一些常見的外部因素，都可能對其產(chǎn)生影響，所以經(jīng)常會發(fā)生故障。例如當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動時，就容易導(dǎo)致驅(qū)動電路或控制回路誤動，使整個電路短路，進(jìn)而無法繼續(xù)工作。而一旦電流超過額定值，開關(guān)就會被燒毀，使電路無法正常繼續(xù)工作。因此，為了避免在電流發(fā)生變化時，開關(guān)被損壞，就必須在電磁爐中添加故障保護(hù)模塊。該模塊的設(shè)計工作并不復(fù)雜，只需要實現(xiàn)檢測功能就可以有效防止故障的發(fā)生。通常來講，需要使用2SD315A驅(qū)動器來檢測直流母線和自檢測，使整個線路都能在安全的環(huán)境下運(yùn)行。當(dāng)故障發(fā)生時，可以利用硬件和軟件同時加強(qiáng)線路保護(hù)，及時完成故障檢測。

2.3、逆變整流模塊設(shè)計

在系統(tǒng)逆變整流模塊設(shè)計上，采用單相橋式整流電路中，各二極管平均電流僅為負(fù)載電流平均值的一半，并在交流輸入電壓半個周期內(nèi)通過電流?？紤]到電網(wǎng)電壓波動和二極管承受的反向電壓大小，還需要使用單相整流橋，其額定電壓與電流分別為1000VHE 35A。經(jīng)過大電容濾波后，得到的直流電壓，諧振功率達(dá)到最大。因此，在選擇開關(guān)器件時，應(yīng)當(dāng)選擇額定電壓60A的開關(guān)，其額定電壓為1000V。通過并聯(lián)緩沖電容、吸收電阻和快恢復(fù)二極管，則能對開關(guān)軌跡進(jìn)行改善。這樣可以顯著降低電壓應(yīng)力，防止對開關(guān)產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成安全隱患。

3、數(shù)字化感應(yīng)加熱軟件設(shè)計

電磁爐的主控系統(tǒng)中必須具有加熱軟件，這也是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。如果加熱軟件存在問題，電磁爐就失去了任何作用，所以應(yīng)當(dāng)做好對該軟件的設(shè)計工作。

為了實現(xiàn)其他的功能，還需要在系統(tǒng)中加入相應(yīng)的子程序，這些都需要通過設(shè)計來完成。因為功能之間通常具有邏輯關(guān)系，又因為其總數(shù)較大，所以設(shè)計具有很大的難度，并且容易出現(xiàn)錯誤。因此，通常都會采用模塊化設(shè)計方法來簡化整個過程，將功能分別賦予模塊，例如顯示模塊、檢測模塊等。這樣在系統(tǒng)就可以通過調(diào)用模塊來實現(xiàn)功能，避免了復(fù)雜的流程對系統(tǒng)的影響。從系統(tǒng)主程序來看，在開始工作后，系統(tǒng)將進(jìn)行自檢，確認(rèn)工作是否正常，并確認(rèn)能否正常關(guān)機(jī)，如果不正常，則將進(jìn)行報警。當(dāng)確認(rèn)工作完成后，主電路開始達(dá)到電力供給，電磁爐整體開始工作。在這個過程中，電磁爐始終處于最大功率，需要時刻保持對其的檢測。另外，還需要始終保持對電流、電壓等參數(shù)的監(jiān)測工作，避免發(fā)生各種意外的問題，導(dǎo)致整個電路無法繼續(xù)工作。在必要的情況下，可以通過開關(guān)來切斷電路。如果系統(tǒng)內(nèi)部無故障，則需要確定電流、電壓等值是否超出設(shè)定值范圍，超出范圍時需要將電源切斷，未超出范圍時需要進(jìn)行平均功率的發(fā)送，并根據(jù)功率給定值完成工作時間計算。在工作時間為0的情況下，需要將開關(guān)器件關(guān)斷，否則需要繼續(xù)進(jìn)行電流、電源等參數(shù)的檢測。通過這樣的設(shè)計，就能進(jìn)行感應(yīng)加熱。

結(jié)束語：在生活中，越來越多的家庭開始使用電磁爐來烹飪事物，而不是傳統(tǒng)的煤氣爐。因為人們的生活在不斷被改善，所以使用的電器也越來越多。當(dāng)前市場上有很多種類的電磁爐，人們可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，其中就包含數(shù)字感應(yīng)加熱電磁爐。這是一種比較先進(jìn)的工具，應(yīng)用了感應(yīng)加熱的原理，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。但是這種電器的弊端也很多，并且存在一定安全隱患，導(dǎo)致很多人在生活中不敢使用。在文章中，我們主要闡述了電磁爐的原理，以及對每個功能模塊的設(shè)計。

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