CN106102199A - 一种多相位多线圈的感应加热设备及方法 - Google Patents

一种多相位多线圈的感应加热设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多相位多线圈的感应加热设备及方法，包括主电路、控制电路以及N个线圈、磁芯，其中N为大于等于2的正整数；所述主电路包括整流电路、滤波电路、N个逆变电路；所述控制电路包括主控制器以及与其相连的面板电路；所述整流电路的输入端连接至200V工频交流电源，所述整流电路的输出端经所述滤波电路连接至N个逆变电路，所述N个逆变电路分别对应连接N个线圈，所述线圈下有磁芯。本发明能够提高电磁加热设备效率，改善温度均衡性。

Description

一种多相位多线圈的感应加热设备及方法
技术领域
本发明涉及电磁加热领域，特别是一种多相位多线圈的感应加热设备及方法。
背景技术
电磁感应加热技术作为一种新型的加热技术迅速崛起，其依靠高频交变电流产生高频交变磁场，而置于高频交变磁场中的工件产生涡流的机理来实现工件的迅速发热，从而达到加热的目的。
现有电磁加热设备如电磁炉以电磁感应为主要原理。现有技术中电磁炉主要为“三明治”结构，主要分为感应线圈、磁芯、锅体三个部分。现有技术中，将感应加热线圈设计成平面螺旋型，其外直径由感应加热锅具的尺寸决定。其线圈绕组一般采用铜导线，感应加热铜导线线圈通常采用圆导线或多股绞合线。电磁炉加热有许多问题如无法加热特定区域，加热过于集中，受热不均匀，经常导致食物烧焦、锅变形；电磁加热设备感应线圈的优化不足，效率仍然不够高；电磁加热设备功率较高，驱动电路中开关管容易损坏。
现有专利号为ZL 201320408605.5一种多线圈电磁炉结构提出了一种多线圈电磁炉结构。该专利主要特征为将原有的整个圆形电磁线圈分解为多个小线圈从而实现热均匀分布。
传统平面螺旋型线圈结构简单制作方便，但是存在均热和效率不高问题，同时单个线圈使用单个驱动电路，驱动所用的开关管通过电压电流较大，驱动电路尤其是开关管容易烧毁。专利ZL201320408605.5提出的多线圈结构仅仅将单个平面螺旋线圈分解为多个小线圈，增加了线圈制作难度，增加了线圈高度，而且没有进行电磁分析和驱动电路设计，实际效果并不一定理想，实用性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种多相位多线圈的感应加热设备及方法，能够提高电磁加热设备效率，改善温度均衡性。
本发明采用以下方案实现：一种多相位多线圈的感应加热设备，包括主电路、控制电路以及N个线圈、磁芯，其中N为大于等于2的正整数；所述主电路包括整流电路、滤波电路、N个逆变电路；所述控制电路包括主控制器以及与其相连的面板电路；所述整流电路的输入端连接至200V工频交流电源，所述整流电路的输出端经所述滤波电路连接至N个逆变电路，所述N个逆变电路分别对应连接N个线圈，所述线圈下设置有磁芯。
进一步地，所述整流电路为桥式整流电路。
进一步地，所述逆变电路为包括驱动电路的谐振逆变电路；不同逆变电路的导通角不同。其电路拓扑可以为全桥、半桥、单管零电压开关、单管零电流开关这四类，逆变电路中开关管采用IGBT或者电力MOSFET。
进一步地，所述N个逆变电路可以替换为能够产生N个不同相位交流电压的一个逆变电路和N-1个移相电路。
进一步地，当线圈需要的逆变角为0度或者180度时，采用线圈反绕来改变相位角。
进一步地，所述主控制器为单片机或集成芯片。
进一步地，所述磁芯采用条幅状磁芯。
进一步地，所述控制电路还包括采样反馈电路，所述采样反馈电路与所述负载、主控制器相连；所述采样反馈电路包括电流采样电路、电压采样电路，所述电流采样电路、电压采样电路经AD转换模块连接至所述主控制器。
本发明还提供了一种基于上文所述的多相位多线圈的感应加热设备的方法：感应加热设备通过220V市电供电，经过整流电路、滤波电路形成直流，再经过若干个导通角不同的逆变电路，将直流逆变为不同相位的高频交流供各个对应的线圈使用；线圈在交流励磁下通过电磁感应在负载锅体上感应出热；同时采样反馈电路通过采集不同线圈输出的电压电流信息经过AD转换后反馈给主控制器，主控制器根据用户输入的给定功率和采样反馈电路反馈的数值控制逆变电路完成功率稳定闭环控制；如无采样反馈电路直接开环控制即根据面板电路输入的功率级别，主控制器调节生产方波占空比调节输出功率，占空比越大输出功率越大。
进一步地，一种多相位多线圈的感应加热设备中线圈为2个或2个以上规律排列大小可不一致的线圈，线圈采用利兹线，螺旋绕制方式。根据下式，计算出半径为ap(p＝1,2...n)的n匝线圈盘最小的线圈总等效电阻，采用粒子群算法选取利兹线的最优股数和股径：
该式表示利兹线绕组总损耗可以等效看成是由三部分电阻所引起的，即：集肤效应电阻、内邻近效应电阻、外邻近效应电阻。
其中，n0为利兹线股数；r0为每股导线的半径即股径；σ为利兹线材料的电导率，如铜线的电导率σ＝5.8·107(Ω·m-1)；其中δ为集肤深度，μ为利兹线材料的磁导率，ω为驱动交流的角速度，ω＝2πf，f为交流驱动信号频率；Φskin为集肤效应热流量；Φprox为邻近效应热流量；rc：一整束利兹线的半径；为当线圈中通入的电流为1A时，在第p匝线圈中产生的磁场。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明能够有效解决现有电磁炉等电磁加热设备的加热不均问题，而且能够有效提高整机效率，实现均温、高效。
2、本发明采用多路驱动设计，替换原有的单路驱动，单开关管承受功率下降，寿命提高。虽然开关管数目增加，但是由于大功率开关管昂贵，故本专利的驱动电路开关管总价格并不一定比单个开关管高。
3、通过仿真实验证实多相位多线圈电磁加热设备能够降低电磁辐射，在面板上的电磁强度更加均匀，降低了电磁辐射对人体伤害和干扰。
4、本发明可以为更多感应加热设备的优化算法提供硬件支撑。能够实现智能局部快速升温、均匀加热等等实用功能。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备2线圈形状及典型相位图。
图3为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备2线圈形状接线方式图。
图4为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备3线圈形状及典型相位图。
图5为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备4线圈形状及典型相位图。
图6为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备5线圈形状及典型相位图。
图7为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备6线圈形状及典型相位图。
图8为本发明实施例中多相位多线圈感应加热设备7线圈形状及典型相位图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图所示，本实施例提供了一种多相位多线圈的感应加热设备，包括主电路、控制电路以及N个线圈、磁芯，其中N为大于等于2的正整数；所述主电路包括整流电路、滤波电路、N个逆变电路；所述控制电路包括主控制器以及与其相连的面板电路；所述整流电路的输入端连接至200V工频交流电源，所述整流电路的输出端经所述滤波电路连接至N个逆变电路，所述N个逆变电路分别对应连接N个线圈，所述线圈下设置有磁芯。
在本实施例中，所述整流电路为桥式整流电路。
在本实施例中，所述逆变电路为包括驱动电路的谐振逆变电路；不同逆变电路的导通角不同。其电路拓扑可以为全桥、半桥、单管零电压开关、单管零电流开关这四类，逆变电路中开关管采用IGBT或者电力MOSFET。
在本实施例中，所述N个逆变电路可以替换为能够产生N个不同相位交流电压的一个逆变电路和N-1个移相电路。
在本实施例中，当线圈需要的逆变角为0度或者180度时，采用线圈反绕来改变相位角。
在本实施例中，所述主控制器为单片机或集成芯片。
在本实施例中，所述磁芯采用条幅状磁芯。
在本实施例中，所述控制电路还包括采样反馈电路，所述采样反馈电路与所述负载、主控制器相连；所述采样反馈电路包括电流采样电路、电压采样电路，所述电流采样电路、电压采样电路经AD转换模块连接至所述主控制器。
本实施例还提供了一种基于上文所述的多相位多线圈的感应加热设备的方法：感应加热设备通过220V市电供电，经过整流电路、滤波电路形成直流，再经过若干个导通角不同的逆变电路，将直流逆变为不同相位的高频交流供各个对应的线圈使用；线圈在交流励磁下通过电磁感应在负载锅体上感应出热；同时采样反馈电路通过采集不同线圈输出的电压电流信息经过AD转换后反馈给主控制器，主控制器根据用户输入的给定功率和采样反馈电路反馈的数值控制逆变电路完成功率稳定闭环控制；如无采样反馈电路直接开环控制即根据面板电路输入的功率级别，主控制器调节生产方波占空比调节输出功率，占空比越大输出功率越大。
在本实施例中，一种多相位多线圈的感应加热设备中线圈为2个或2个以上规律排列大小可不一致的线圈，线圈采用利兹线，螺旋绕制方式。根据下式，计算出半径为ap(p＝1,2...n)的n匝线圈盘最小的线圈总等效电阻，采用粒子群算法选取利兹线的最优股数和股径：
该式表示利兹线绕组总损耗可以等效看成是由三部分电阻所引起的，即：集肤效应电阻、内邻近效应电阻、外邻近效应电阻。
其中，n0为利兹线股数；r0为每股导线的半径即股径；σ为利兹线材料的电导率，如铜线的电导率σ＝5.8·107(Ω·m-1)；其中δ为集肤深度，μ为利兹线材料的磁导率，ω为驱动交流的角速度，ω＝2πf，f为交流驱动信号频率；Φskin为集肤效应热流量；Φprox为邻近效应热流量；rc：一整束利兹线的半径；为当线圈中通入的电流为1A时，在第p匝线圈中产生的磁场。
图2至图8分别为2至8个线圈时的线圈形状及典型相位图。
其中，图2为多相位多线圈感应加热设备2线圈形状及典型相位图，线圈1、2可以采用相位角相反的交流驱动，或者采用同样相位角的交流驱动，而线圈1和线圈2反向绕制来间接改变相位角，如图3所示，线圈驱动相位角为0°和180°时可以通过接线方式实现移相。如图3所示，通过图示连接1、2线圈，a、d两端同逆变后的交流驱动源，交流驱动源的电流方向为a-b-c-d，这样，电流在线圈1、线圈2中的方向正好相反，即实现了180°反相。该方法可以减少一路驱动电路，用一路驱动驱动两个线圈而且线圈内驱动电流相位不同。
图5中，4个线圈可以通用同样相位角的驱动电路，2、3号线圈与1、4号线圈绕线方向相反即可实现180°相位角。
图6中，表示线圈5可以与其他线圈大小不同。
图8中，一个线圈中心放置，其他6个线圈圆心以该线圈为六边形中心点均匀放置，各个线圈所通的交流相位角不同，图示为典型应用情况，相位角有0°、90°、180°三种，此时驱动电路设计方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：包括主电路、控制电路以及N个线圈、磁芯，其中N为大于等于2的正整数；所述主电路包括整流电路、滤波电路、N个逆变电路；所述控制电路包括主控制器以及与其相连的面板电路；所述整流电路的输入端连接至200V工频交流电源，所述整流电路的输出端经所述滤波电路连接至N个逆变电路，所述N个逆变电路分别对应连接N个线圈，所述线圈下设置有磁芯。
2.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述整流电路为桥式整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述逆变电路为包括驱动电路的谐振逆变电路；不同逆变电路的导通角不同。
4.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述N个逆变电路可以替换为能够产生N个不同相位交流电压的一个逆变电路和N-1个移相电路。
5.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：当线圈需要的逆变角为0度和180度时，采用线圈反绕来改变相位角。
6.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述主控制器为单片机或集成芯片。
7.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述磁芯采用条幅状磁芯。
8.根据权利要求1所述的一种多相位多线圈的感应加热设备，其特征在于：所述控制电路还包括采样反馈电路，所述采样反馈电路与所述负载、主控制器相连；所述采样反馈电路包括电流采样电路、电压采样电路，所述电流采样电路、电压采样电路经AD转换模块连接至所述主控制器。
9.一种基于权利要求8所述的多相位多线圈的感应加热设备的方法，其特征在于：感应加热设备通过220V市电供电，经过整流电路、滤波电路形成直流，再经过若干个导通角不同的逆变电路，将直流逆变为不同相位的高频交流供各个对应的线圈使用；线圈在交流励磁下通过电磁感应在负载锅体上感应出热；同时采样反馈电路通过采集不同线圈输出的电压电流信息经过AD转换后反馈给主控制器，主控制器根据用户输入的给定功率和采样反馈电路反馈的数值控制逆变电路完成功率稳定闭环控制；如无采样反馈电路直接开环控制即根据面板电路输入的功率级别，主控制器调节驱动方波占空比调节输出功率。
10.根据权利要求9所述的一种多相位多线圈的感应加热设备的方法，其特征在于：所述线圈采用利兹线，螺旋绕制方式；根据下式，计算出半径为ap(p＝1,2...n)的n匝线圈盘最小的线圈总等效电阻，采用粒子群算法选取利兹线的最优股数和股径：
其中，n0为利兹线股数；r0为每股导线的半径即股径；σ为利兹线材料的电导率；其中δ为集肤深度，μ为利兹线材料的磁导率，ω为驱动交流的角速度，ω＝2πf，f为交流驱动信号频率；Φskin为集肤效应热流量；Φprox为邻近效应热流量；rc为一整束利兹线的半径；为当线圈中通入的电流为1A时在第p匝线圈中产生的磁场。
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