CN1067836C - 带饱和扼流圈的交变电流发生器 - Google Patents

带饱和扼流圈的交变电流发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于感应加热装置的交变电流发生器，包括一个由电流注入扼流圈(6)，感应加热线圈(14)、电容器(13)以及一个高频控制功率开关(12)组成的振荡电路。
电流注入扼流圈(6)是饱和型的并串接一个由两个支路(即含有开关(12)的B1支路以及含有电容器(13)串接感应加热线圈(14)的B2支路)组成的并联组合件。
本发明应用于如感应锅架、煮锅或深油炸锅等家用烹调设备，也用于处理金属部件的工业感应加热设备。

Description

带饱和扼流圈的交变电流发生器
本发明涉及一种准备要用在感应加热装置中的交变电流发生器。这种型式的发生器是众所周知的，并且本申请中叙述的发生器包括一个由电流注入扼流圈，一个电容器，一个感应加热线圈以及一个高频控制的功率开关组成的振荡电路。
感应加热的原理是众所周知的，其要点是将一个以相当高的频率(达数十千赫)变化的电流加到一个充当感应器并放置在导电对象本体邻近处的线圈上，使得其中形成涡流并借助焦耳效应产生可观的热量，利用这一加热原理的现有设备都表现有对耦合敏感的缺点，也就是说，当被加热对象的尺寸变化时，发出的热功率要变化。尤其是，已经知道，当这类发生器用于在感应平板上加热盛在一个容器中食物时，该容器底部的直径越小，传到盛装被加热食物的容器上的最大加热功率则更加小。
为了弥补这一缺点，已经提出了几种解决方案，一些方案利用改变振荡电路的电感以调节发出的功率，另外的技术则利用改变感应器和位于感应器旁的上面放有容器的支撑板之间的缝隙的机械方法使得夹着所述支撑板的缝隙变化，从而导致通过这一缝隙的磁道量变化。其它已知的解决方案则在于改变为感应加热线圈馈电的半导体转换器的输出频率。通过在整流电路中使用相控制整流器来调节转换器的DC电源电压的解决方案也是众所周知的。使用的另一个解决方案是逐步地改变开关电路的电容和电感参数。
所有这些解决方案，虽然都能调节加热功率，但都不可能避开被加热物体的尺寸对感应器传给该物体的功率的影响。事实上，正如我们前面提到的，在对盛装于烹调容器中的食物加热的情形，这个影响表现为当被加热容器的表面积(涡流就形成在其中)减小时，所吸收的功率下降。对于那些想要在小尺寸的容器中有高可用功率的用户来说，这就构成了一个缺点。
本发明的目的是生产一种装置，使得有可能感应出一个不依赖于被加热物体的尺寸的功率，并使得有可能甚至对小尺寸的烹调容器也获得高加热功率。
根据本发明，这里叙述的发生器包括一个饱和型电流注入扼流圈，它同由两个支路(即一个含有功率开关的第一支路B1以及一个含有电容器与感应加热线圈串接的第二支路B2)组成的并联组件串接。
因而，根据本发明的设备，使得有可能从大约100瓦的低数值到大约2.5千瓦的高数值连续改变功率，而不管所使用的容器尺寸如何。这个优点在家庭使用发生器感应加热锅架的情形特别重要，不用反复升降温度就获得一个用于文火煮沸常常需要的低功率。
根据本发明的发生器的另一个主要优点在于使用一个设计得饱和的、不需要任何额外设备就可达到饱和并且在振荡电路谐振期间自动工作在饱和状态的电流注入扼流圈。除了尺寸减小和价格降低以外，使用这种饱和振流圈的一个重要结果是获得发生器对负载的自动适应性。事实上，与现有技术的模拟装置不同，在现有技术的模拟装置中，当被加热物体的尺寸减小时，该物体吸收的功率要减小，而根据本发明的发生器，则使得有可能获得不依赖被加热物体尺寸、能够在宽范围变化并且其数值仅受用户选择的加热功率。
由下面参照附图，通过对非限制例子的叙述，根据本发明的发生器的特征和优点将显现出来，在附图中：
图1表示根据本发明的发生器的一个实施例的简图，图中使用的功率开关是一个IGBT型功率晶体管连接一个功率二极管；
图2示出一个曲线图，说明在含有一个非饱和扼流圈的现有技术的发生器的情形下，吸收功率对于盛装被加热食物的器皿的不同直径d(以cm为单位)时作为供电电压的函数的演化过程；
图3说明在根据本发明并含有一个饱和扼流圈的发生器的情形下，吸收功率对于盛装被加热食物的器皿的不同直径d(以cm为单位)时作为供电电压的函数的演化过程；
图4表示本发明的一个实施变例，其中开关是一个MCT(MOS控制晶闸管)电压对称型的晶闸管；
图5a表示构成电流注入扼流圈的磁路的E型铁氧体零件的透视图；
图5b表示用在根据本发明的发生器中的饱和电流注入扼流圈的垂直截面；
图5c表示用在根据本发明的发生器中的饱和电流注入扼流圈的水平截面；
图6一方面示出在其中有非饱和电流注入扼流圈以及感应加热线圈组成的振荡电路里流动的供电电流的一周A，以及另一示出在同样型式但使用根据本发明的饱和扼流圈的电路里流动的供电电流的一周B。
图7示出在振荡电路包含一个非饱和电流注入扼流圈的情形下供电电压的包络E，并以一个很大的放大比例尺示出加到功率开关的端子上的该所述电压的一部分；
图8是一个类似图7的表示图，只不过是在振荡电路中包含一个根据本发明的饱和电流注入扼流圈的情形下而已。
正如图1所表示的，交变电流发生器1准备要用在热板型的感应加热装置中。并由电力网供电，所述发生器就其自身来说，包括一个整流电桥2，电桥前面置有一个抗干扰滤波器3，电桥后跟一个由线圈5和电容器7组成的低通滤波器4。所述整流电桥2的一个第一输出端子8与线圈5的第一端子连接，线圈5的第二端子连接电流注入扼流圈6和电容器7的公共端子。电流注入扼流圈6的第二端子9连接到由两个支路B1和B2组成的并联组件的第一端子。该并联组件的第二端子10连接到电容器7的第二端子以及整流电桥2的第二输出端子11,B1支路包括一个电子开关12，而B2支路则由一个电容器13串接一个构成感应器的线圈14组成。
线圈5和电容器7组成低通滤波器4，它使得有可能避免振荡电路中可能出现的陡峭电压朝前返向电力网。
正如图2所能看出的，曲线表示在上述现有技术的发生器中吸收功率为供电电压的函数。这一曲线说明，当供电电压从180V变到270时，若所用的容器具有95cm至150cm范围的直径的话，感应加热功率不超过2千瓦。
根据本发明，电流注入扼流圈是一个饱和扼流圈，并且同由两个支路(即一个含有在图1中标号为12、在图4中标为21的开关的第一支路B1以及一个含有电容器13串接感应馈电线圈14的第二支路B2)组成的并联组件串接。所述扼流圈6包括一个在其绕组载有预定数值的电流时自动达到饱和的磁路。这个磁路，如图5a和5b所示，包括两个完全一样的通过其相应的侧边杆17连接而相应的中间芯杆18则隔开4mm间隙的E型铁氧体部件16。
根据本发明的一个优选实施例，所述扼流圈6是设计成饱和的，并且包括一个由直径0.2mm的60股绞合线组成一个40匝的绕组。所述扼流圈6的特征在于它包括一个当其绕组载有预定数值的电流时自动达到饱和的磁路。B1支路的开关12，如图1所示，是一个与功率二极管19串接的IGBT型的功率晶体管。二极管19在功率晶体管关时允许一个反向电压加到后者的端子上。
当B1支路的电流为零时，标号为20的控制机构CMD的振荡电路谐振期间驱动功率晶体管的高频率转换。所述控制机构20还使得有可能避免在功率晶体管的端子上会出现的过电压。
于是，借助本发明，当扼流圈6饱和时，就获得一种发生器，使得有可能感应出一个在宽范围内变化的加热功率，并且其数值不依赖于被加热容器的尺寸。如图3所示，对于从180V到270V变化的不同供电电压，除了在厨房器皿的直径为95cm并且供电电压大于230V的情形以外，吸收功率均大于2千瓦。
在最后这一情形，发现吸收功率跌落是由于事实上已经达到了开关所能经受的极限电压；结果便自动调节开关端子上的电压，从而避免损坏开关。
根据图4所示的第二实施例，图中元件和图1的那些完全一样的均带有同样标号，高频控制开关是一个电压对称的MCT(MOS控制的晶闸管)型的晶闸管21。使用这种型式的开关可以省去B1支路中的功率二极管19。而且，本实施例还能大大提高效率和缩小尺寸。事实上，在根据图1的B1支路两端，在包含有串接功率二极管19的IGBT型功率晶体管12的情况下，总电压降为6.1V，而在其中B1支路只含MOS控制晶闸管的图4安排下，这个电压降仅为1.6V。结果获得至少3.8的功率增益。
根据申请人进行试验得到的优选实施例，饱和扼流圈6的电感具有250μH的数值，电容器13的电容具有188nF的数值，感应器14的空载电感具有66μH的数值，并且功率开关选择得击穿电压不超过1200V。还进行了对室温条件下大约17安培的扼流圈6的饱和电流的试验。
图7的试验是在叔率29.6Hz对1500W的功率进行的，而图8的试验则是在频率31.5KHz时对功率1500W进行的。
根据图6、7和8，这些试验表明，当使用根据本发明的扼流固时，图8的供电电流(曲线B)以及B1支路的端电压的包络E与图7的曲线A及E相比，显示出一个平顶，并且在没有饱和扼流圈的情形为正弦形。图8的曲线E所绘出的试验中，B1支路的端电压比本例中功率开关的击穿电压1200V低得很多，而在图7的曲线E绘出的试验中，B1支路的端电压则大体等于功率开关的击穿电压。
于是，根据本发明的发生器，使得有可能获得简单、价廉、工作在一个宽的功率范围的装置，并且其加热功率不依赖于盛装被加热食物的容器的尺寸。
而且，本装置还使得有可能对于小负载明显地提高硅的利用率。这就使用户不管负载如何能通过一个经济的开关获得所需要的高功率。而且，通过降低开关12、21的端子上的过电压，不管耦合多么不好，都能在小负载中维持高功率。
本发明还应用于准备要结合到住宅设备例如蒸锅、煮饭锅或者深油炸锅的感应加热发生器上。也应用到准备要处理金属零件的工业感应加热设备上。
事实上，利用饱和扼流圈，获得了一个小型的电子线路，获得了适合于深油炸锅的高功率以及调节得适合于使用文火的煮锅或者也适合于蒸锅的低功率。

Claims (9)

1．用于感应加热装置中的交变电流发生器，包括一个由电流注入扼流圈(6)、感应加热线圈(14)、电容器(13)以及高频控制的功率开关(12,21)组成的振荡电路，其特征在于电流注入扼流图(6)是一个饱和型的，并且与由两个支路-即含有开关(12,21)的第一支路B1以及含有电容器(13)串接感应加热圈(14)的第二支路B2-组成的并联组合件串接。
2．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于开关(12)是一个IGBJ型的功率晶体管连接一个功率二极管(19)。
3．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于开关(21)是一个电压对称的MOS晶闸管(MCT)型的。
4．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于它包括一个当B1支路中的电流为零时控制功率开关(12,21)的高频率转换的机构(20)。
5．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于它包括一个电压整流电桥(2)，电桥前面置有一个抗干扰滤波器(3)，电桥后面跟一个低通滤波器(4)。
6．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于通过电流注入扼流图(6)的交变电流有一个17安培的饱和值。
7．根据权利要求1的交变电流发生器，其特征在于电流注入扼流圈(6)包括一个适于自动达到饱和的磁路。
8．根据权利要求7的交变电流发生器，其特征在于电流注入扼流图(6)的磁路在振荡电路谐振荡期间自动达到饱和。
9．根据权利要求1-8的任一个交变电流发生器，其特征在于可用于象蒸锅和深油炸锅这样的厨房器皿。
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