CN102300349B - 电磁感应加热装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种电磁感应加热装置及其方法，电磁感应加热装置包括微处理器、调制电路、驱动电路、IGBT半桥电路、主震荡回路和同步器电路，调制电路的输入端与微处理器的输出端I/O口联接，调制电路的输出端与驱动电路联接；驱动电路的输出端与所述IGBT半桥电路的控制端联接；IGB半桥电路的输出端与主震荡回路的控制端联接；同步电路的输入端串联在主震荡回路中，同步电路的输出端与驱动电路联接，本发明的加热效率比传统半桥电路高，改进型的半桥串联逆变电路，相对于全桥电路成本大大降低，采用恒功率控制和温度控制相结合的控制策略，具有较好的瞬态性能和稳态性能，又具有较高的精度和反应灵敏度。

Description

电磁感应加热装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种加热装置，特别是涉及一种半桥串联逆变电磁加热装置及其方法。
背景技术
电磁感应加热技术起源于德国，并在20世纪初应用于工业部门。自投入应用以来，由于它具有效率高、能耗小、加热速度快、加热区域易控制、纯净无污染、易于实现自动化等一系列优点，在短短的100年间得到了快速发展。例如美国1976年的加热设备1/4是以电磁感应加热技术为基础的， 30年来安装功率数翻了近三番。德国早就过渡到以电磁感应加热和天然气加热为主的时期。日本的制造厂近几年使用感应加热设备的比重占到了40%以上，并致力于纯正节能技术的研发。我国的电磁感应加热技术在汽车制造业中的应用也已经进入到世界先进水平的行列。但是，由于电磁感应加热技术在我国起步比较晚，总体上来讲和国外有很大差距。
现在的大功率高频电磁感应加热器常用的一种做法是基于IGBT的全桥设计，采用双路驱动技术。全桥设计虽然能输出很高的功率，但是控制电路设计复杂、故障率高，而且成本也高，后来的很多改进多采用单管调谐电路，虽然故障率降低了，但是加热功率和效率也随之降低。
由此可见，上述现有的电磁感应加热器在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决电磁感应加热器存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的电磁感应加热器存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的半桥串联逆变电磁加热装置，能够改进一般现有的电磁感应加热器，不仅能减少IGBT的使用数量，节约成本，而且其控制电路简单，故障率低，更有利于推广使用，特别适用于几千瓦到几十千瓦的高频电磁感应加热系统。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的电磁感应加热器存在的缺陷，而提供一种新型结构的半桥串联逆变电磁加热装置，所要解决的技术问题是使其加热效率高，且成本低，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电磁感应加热装置，包括提供电能的主电源和联接在所述主电源的输出端的方波电路，它还包括微处理器、调制电路、驱动电路、IGBT半桥电路、主震荡回路和同步器电路，
所述主电源的输入端接电网电源，所述主电源的输出端与主震荡回路的电源端联接；
所述调制电路的输入端与微处理器的输出端I/O口联接，所述调制电路的输出端与驱动电路联接；
所述驱动电路的输出端与所述IGBT半桥电路的控制端联接；
所述IGBT半桥电路的输出端与所述主震荡回路的控制端联接；同步电路的输入端串联在主震荡回路中，同步电路的输出端与驱动电路联接；
前述的电磁感应加热装置，其中，所述调制电路包括PWM调制电路和开关控制及软启动电路，所述PWM调制电路的输入端与所述微处理器的输出端I/O口联接，所述PWM调制电路的输出端与所述驱动电路联接，所述开关控制及软启动电路的输入端与微处理器的输出端I/O口联接，开关控制及软启动电路输出端与驱动电路联接。
前述的电磁感应加热装置，其中，它还包括保护模块，所述保护模块包括电流检测模块、电压监控模块、IGBT温度检测电路和浪涌电压检测电路，所述电流检测模块的输入端串联在所述主电源的输出端，所述电流检测的输出端与微处理器的输入端A/D口联接；
所述电压监控模块的输入端并联在主电源的输出回路中，所述电压监控模块的输出端与微处理器的输入端A/D口联接；
所述IGBT温度检测电路和所述微处理器相联接；
所述浪涌电压检测电路的输入端与主电源的输出端联接，所述浪涌电压检测电路的输出端分别与微处理器和驱动电路的电源端联接。
前述的电磁感应加热装置，其中，它还包括与所述微处理器相联接的报警电路和散热系统，所述散热系统的散热片上安装固定有所述IGBT温度检测电路和所述IGBT半桥电路。
前述的电磁感应加热装置，其中，所述IGBT半桥电路包括两个IGBT元件以及和其相联接的两个容值相同的电容。
前述的电磁感应加热装置，其中，在所述两个IGBT元件的发射极和集电极之间分别并联有电阻和电容。
前述的电磁感应加热装置，其中，它还包括与所述微处理器5相联接的键盘。
前述的电磁感应加热装置，其中，所述主震荡回路8谐振频率为21KHz。
本发明的另一目的在于，提供一种电磁感应加热的方法，所要解决的技术问题是使其采用恒功率控制和温度控制相结合的控制策略，使系统既具有较好的瞬态性能和稳态性能，又具有较高的精度和反应灵敏度。，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种电磁感应加热的方法，包括进行如下步骤：
A、电磁感应加热前，首先对微处理器的程序进行初始化；
B、经历过A步骤后，进行负载感知，当无负载或者负载短路时，应及时关断PWM调制电路；
C、通过微处理器进行恒功率和温度控制相结合的加热方式对负载进行加热。
前述的电磁感应加热的方法，其中，在进行步骤B的过程中，采用发送小间隔低频驱动信号的方式来试探负载是否存在或正常，并通过传感器检测到的电流大小确定，当电流小于此设定值时，判定无负载，通过报警电路驱动蜂鸣器给出短叫声提示。
借由上述技术方案，本发明电磁感应加热装置及其方法至少具有下列优点：
（1）本发明的加热效率比传统半桥电路高，改进型的半桥串联逆变电路，相对于全桥电路成本大大降低，有效的提升了系统的安全性、可靠性。
（2）本发明采用恒功率控制和温度控制相结合的控制策略，使系统既具有较好的瞬态性能和稳态性能，又具有较高的精度和反应灵敏度。
（3）本发明的电磁感应加热装置，适应功率为几千瓦到几十千瓦。
综上所述，本发明特殊结构的电磁感应加热装置及其方法，具有加热效率高，且成本低的优点。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的电磁感应加热装置具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 
附图说明
图1为本发明电磁感应加热装置原理结构图。
图2为本发明电磁感应加热装置的主震荡回路原理图。
图3为本发明电磁感应加热装置的驱动电路原理图。
图4为本发明电磁感应加热装置的主程序流程图。
图5为本发明电磁感应加热装置的模糊-PID复合恒功率控制流程图。
图6为本发明电磁感应加热装置的模糊自适应PID温度控制流程图。
图7恒功率控制原理框图。
图8为本发明电磁感应加热装置的负载感知程序流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电磁感应加热装置及其方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，电磁感应加热装置包括微处理器5、键盘6、主电源7、主震荡回路8、同步电路9、报警电路10、散热系统11、IGBT半桥电路12、驱动电路13、调制电路和保护模块，保护模块包括电流检测模块4、电压监控模块2、IGBT温度检测电路3和浪涌电压检测电路16，调制电路包括PWM调制电路14和开关控制及软启动电路15；IGBT温度检测电路3和IGBT半桥电路12均安装在散热系统11的散热片上；驱动电路13的输出端与IGBT半桥电路12的控制端联接；IGBT半桥电路12的输出端与主震荡回路8的控制端联接；主电源7的输入端接电网电源，主电源7的输出端与主震荡回路8的电源端联接，主震荡回路8谐振频率为21KHz；报警电路10的输入端与微处理器5的输出端I/O口联接；电流检测4的输入端串联在主电源7的输出回路中，电流检测4的输出端与微处理器5的输入端A/D口联接；VAC监控2的输入端并联在主电源7的输出回路中，VAC监控2的输出端与微处理器5的输入端A/D口联接；IGBT温度检测电路3的输出端与微处理器5的输入端I/O口联接；键盘6的输出端与微处理器5的输入端I/O口联接；方波电路1的输入端与主电源7的输出端联接，方波电路1的输出端与与微处理器5的输入端I/O口联接；散热系统11的输入端与微处理器5的输出端I/O口联接；同步电路9的输入端串联在主震荡回路8中，同步电路9的输出端与驱动电路13联接；PWM调制电路14的输入端与微处理器5的输出端I/O口联接，PWM调制电路14的输出端与驱动电路13联接，PWM调制电路14采用KA3525A集成电路芯片；开关控制及软启动电路15的输入端与微处理器5的输出端I/O口联接，开关控制及软启动电路15输出端与驱动电路13联接；浪涌电压检测电路16的输入端与主电源7的输出端联接，浪涌电压检测电路16的输出端分别与微处理器5和驱动电路13的电源端联接。
图2所示，小功率电磁感应加热装置的主震荡回路8，本发明采用典型的交流-直流-交流结构，逆变侧为IGBT半桥电路12，,IGBT半桥电路12包括两个IGBT元件（IGBT1、IGBT2）以及和其相联接的两个容值相同的电容C31、C32，交流电经过整流桥后由LC滤波平滑，得到稳定的直流电，两个大电容C31、C32各分得一半电压，相当于两个直流稳压源。220V交流电经过压敏电阻NR1，RC滤波，再经过保险丝，EMC处理后送到整流桥，将工频50Hz交流电变成直流电，经过RC滤波，输出稳定的直流电，两个大电容C31、C32容值相同，相当于两个直流稳压源，高频开关（IGBT1、IGBT2）由控制电路发出的矩形脉冲交替驱动导通，最终产生21kHz左右的振荡。由于IGBT元件的开关速度较快，尤其是高压大电流工作时，导通电阻明显减小，所以输出效率比较高。为了抑制开通时的di/dt，防止开通时电流过冲和电流变化过快，减小器件的开通损耗，也为了抑制关断时du/dt，吸收关断过压，减小关断损耗，消除高频振荡的电压尖峰，需要为IGBT添加缓冲电路，本设计的做法是在IGBT1的发射极和集电极之间并联电阻R44和电容C35，在IGBT2的发射极和集电极之间并联电阻R45和电容C36。
图3中，通过PWM调制电路14中集成电路芯片KA3525的14端和11端的高低压变化，来控制驱动电路13中的三极管B772和三极管B882的导通和关断，不断对电容充放电，在T3的次级生成感应电压来驱动高频开关（IGBT1、IGBT2）的开通和关断，经过两个稳压管反向串联稳压，得到高频开关（IGBT1、IGBT2）的驱动电压，为了避免上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通而造成直通，烧毁IGBT元件，所以对每个开关的占空比不能超过50%，并且应该留有裕量。
一种电磁感应加热的方法，包括进行如下步骤： 
A、电磁感应加热前，首先对微处理器的程序进行初始化；
 B、经历过A步骤后，进行负载感知，当无负载或者负载短路时，应及时关断PWM调制电路；
C、通过微处理器进行恒功率和温度控制相结合的加热方式对负载进行加热。
如图4中，初始化子程序模块包括系统初始化、定时器初始化、普通IO口初始化、A/D采集初始化、CCP初始化、SPI初始化等；恒功率控制和温度控制模块本发明采用基于电压、电流的模糊-PID分段复合恒功率控制和模糊自适应PID温度控制相结合的控制策略，采用分开编程的思想，避免恒功率控制和温度控制的冲突。
图5中，微处理器5首先对直流电压、直流电流（具体那条电路中）采样，计算出实际功率并进而求得功率偏差和功率偏差的变化率，在模糊-PID分段复合控制的恒功率控制子程序中，由于模糊化、模糊推理以及解模糊的运算工作量很大，在线实时计算影响系统的实时性，且会因为信息堵塞而导致死机。在本设计中，采用离线方式得到模糊控制器输入量的量化等级与输出量的量化等级间的确定关系，并将其制作成模糊控制规则表存在单片机的内存中。对于恒功率控制直接实时查询模糊控制表，获得相应的输出控制量。
图6、图7中，由于采用模糊自适应PID温度控制后系统参数会实时改变，导致恒功率控制的模糊控制过程变长，经反复调试后，通过减少模糊规则，牺牲精度来提高系统的实时性要求。
恒功率控制是本发明的核心部分，本发明要求电压适应范围在198V-270V，且在198V-270V时候恒功率输出，若大于270V或者小于198V则直接动作保护。实现额定功率5KW且功率可调，调功模式采用PFM(调频)实现。
正常的工业生产用电磁加热器需要功率恒定的输出，而且大功率高频电磁加热系统的控制对象具有非线性的结构，纯滞后、负载时变性等特征，精确稳定的数学模型很难建立，单纯的传统经典控制方法的控制效果不是太好，因此发明提出了模糊-PID分段复合恒功率控制，即采集到实际振荡的电压、电流后输入微处理器5并计算出功率，与额定功率做比较得到偏差，此偏差与设定的阈值做比较，若偏差大于设定的阈值，即在开机以及功率大范围波动阶段，选择模糊控制器，通过控制脉冲频率的输出来调频调功，这样实际功率很快到达给定功率且超调很小，从而使调节具有较快的响应速度和较好的瞬态性能；若偏差小于设定的阀值，即在正常工作过程中，为了提高输出功率精度和稳定性，选择PID控制器，通过控制脉冲频率的输出来对频率微调，最终达到给定功率而消除由于模糊控制自身无法消除的静差影响导致的偏差，使系统最终达到精确的5KW功率输出，从而使系统具有较高的控制精度和较好的稳态性能。
从图7中可以看出，恒功率控制需要电压、电流检测信号，通过在单片机内相乘后算出实际功率，所以，双调谐振荡回路中电压、电流的变化反映了反馈功率变化，实际上构成了双闭环反馈控制。电网电压的波动、负载的变化以及其他因素等引起的电压、电流波动都将引起功率反馈的变化，根据功率偏差与设定的阈值的比较，选择合适的控制器，使系统维持快速恒定的功率输出，达到最佳的加热效果。本发明采用的模糊-PID分段复合控制的恒功率控制有效的解决了因负载变化而带来的系统时变性以及非线性的问题，并且克服了单独使用模糊控制而存在的静差问题，既提高了装置的自适应能力和抗干扰能力，又提高了系统的反应灵敏度和精确度。
在实际工程设计中，模糊推理和模糊判决的运算工作量很大，在线实时计算会占用微处理器5大量资源，且影响系统的反映时间，对实时性产生影响。特别是需要进行繁琐矩阵运算的模糊推理过程。因此，发明用离线方式得到模糊控制器输入量的量化等级与输出量的量化等级之间的确定关系，制作成模糊控制查询表保存在微处理器5的存储器中。当微处理器5进行实时控制时只需要将连续变化的输入量化，然后直接查询模糊控制表。有时这种量化得到的数不在论域范围内，可采用就近四舍五入原则取值。查模糊控制表得到量化值，然后再乘以适当的比例因子得到精确控制量。
图8中，对负载的检测是感应加热很重要的环节，当无负载或者负载短路时，应及时关断PWM的产生，否则，容易因无负载时无功电流过大，在补偿电容上产生较高的电压而击穿电容器，设计中采用发送小间隔低频驱动信号的方式来试探负载是否存在或正常，并通过传感器检测到的电流大小确定。当电流大于某一设定阈值，负载正常，而当电流小于此设定值时，判定无负载，通过报警电路驱动蜂鸣器给出短叫声提示。
上述如此结构构成的本发明电磁感应加热装置及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种电磁感应加热装置，包括提供电能的主电源（7）和联接在所述主电源（7）的输出端的方波电路（1），其特征在于，它还包括微处理器（5）、调制电路、驱动电路（13）、IGBT半桥电路（12）、主震荡回路（8）和同步器电路（9），
所述主电源（7）的输入端接电网电源，所述主电源（7）的输出端与主震荡回路（8）的电源端联接；
所述调制电路的输入端与微处理器（5）的输出端I/O口联接，所述调制电路的输出端与驱动电路（13）联接；
所述驱动电路（13）的输出端与所述IGBT半桥电路（12）的控制端联接；
所述IGBT半桥电路（12）的输出端与所述主震荡回路（8）的控制端联接；同步电路（9）的输入端串联在主震荡回路（8）中，同步电路（9）的输出端与驱动电路（13）联接。
2.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述调制电路包括PWM调制电路（14）和开关控制及软启动电路（15），所述PWM调制电路（14）的输入端与所述微处理器（5）的输出端I/O口联接，所述PWM调制电路（14）的输出端与所述驱动电路（13）联接，所述开关控制及软启动电路（15）的输入端与微处理器（5）的输出端I/O口联接，开关控制及软启动电路（15）输出端与驱动电路（13）联接。
3.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，它还包括保护模块，所述保护模块包括电流检测模块（4）、电压监控模块（2）、IGBT温度检测电路（3）和浪涌电压检测电路（16），
所述电流检测模块（4）的输入端串联在所述主电源（7）的输出端，所述电流检测（4）的输出端与微处理器（5）的输入端A/D口联接；
所述电压监控模块（2）的输入端并联在主电源（7）的输出回路中，所述电压监控模块（2）的输出端与微处理器（5）的输入端A/D口联接；
所述IGBT温度检测电路（3）和所述微处理器（5）相联接；
所述浪涌电压检测电路（16）的输入端与主电源（7）的输出端联接，所述浪涌电压检测电路（16）的输出端分别与微处理器（5）和驱动电路（13）的电源端联接。
4.根据权利要求3所述的电磁感应加热装置，其特征在于，它还包括与所述微处理器（5）相联接的报警电路（10）和散热系统（11），所述散热系统（11）的散热片上固定安装有所述IGBT温度检测电路（3）和所述IGBT半桥电路（12）。
5.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述IGBT半桥电路（12）包括两个IGBT元件以及分别和其相联接的两个容值相同的电容。
6.根据权利要求5所述的电磁感应加热装置，其特征在于，在所述两个IGBT元件的发射极和集电极之间分别并联有电阻和电容。
7.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，它还包括与所述微处理器（5）相联接的键盘（6）。
8.根据权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述主震荡回路（8）谐振频率为21KHz。
9.一种如权利要求2所述的电磁感应加热装置的加热方法，其特征在于，包括进行如下步骤：
A、电磁感应加热前，首先对微处理器（5）的程序进行初始化；
B、经历过A步骤后，进行负载感知，当无负载或者负载短路时，应及时关断PWM调制电路（14）；
C、通过微处理器（5）进行恒功率和温度控制相结合的加热方式对负载进行加热。
10.根据权利要求9所述的电磁感应加热装置的加热方法，其特征在于，在进行步骤B的过程中，采用发送小间隔低频驱动信号的方式来试探负载是否存在或正常，并通过传感器检测到的电流大小确定，当电流小于此设定值时，判定无负载，通过报警电路驱动蜂鸣器给出短叫声提示。
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