CN110493904B - 一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备 - Google Patents

一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备 Download PDF

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Abstract

一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备；所述电磁加热设备，包括电感线圈盘(L)、与所述电感线圈盘(L)并联以用于形成LC谐振电路的谐振电容器(C2)、直流脉冲电源(200)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及控制电路(100)；控制电路(100)与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极电性连接，用于给绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极提供脉冲波；电磁加热设备还包括分别与直流脉冲电源(200)和控制电路(100)相连、用于检测直流脉冲电源(200)所输出电压的过零点信号并将该过零点信号发送给控制电路(100)的过零点采样装置(300)；控制电路(100)根据过零点信号来输出所述脉冲波。本发明的电磁感应加热控制方法及电磁加热设备设计巧妙，实用性强。

Description

一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备
技术领域
本发明涉及电磁加热领域，尤其涉及一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备。
背景技术
传统单谐振电磁感应加热控制器存在连续加热功率范围窄、加热功率难降低等瓶颈，以常规家用电磁炉为例，其一般连续功率范围在800W-2200W；低于800W的功率会采用大功率间歇加热来实现，由于启停时噪声大，开关频率不能太高，所以瞬时功率波动大、影响烹饪效果。如需做到小功率持续加热，一般需采用改变电路拓扑结构、驱动电压、谐振参数等方法来实现，但会导致成本升高、电路变复杂、关键元器件寿命短、工作噪音变大等问题。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了一种电磁感应加热控制方法及电磁加热设备。
本发明所提出的技术方案如下：
本发明提出了一种电磁加热设备，包括用于在通电时产生交变磁场以使处于该交变磁场中的导体制品发热的电感线圈盘、与所述电感线圈盘并联以用于形成LC谐振电路的谐振电容器、直流脉冲电源、绝缘栅双极型晶体管以及控制电路；电感线圈盘、直流脉冲电源以及绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极形成加热回路；控制电路与绝缘栅双极型晶体管的栅极电性连接，用于给绝缘栅双极型晶体管的栅极提供脉冲波以实现绝缘栅双极型晶体管导通和截止的交替；
电磁加热设备还包括分别与直流脉冲电源和控制电路相连、用于检测直流脉冲电源所输出电压的过零点信号并将该过零点信号发送给控制电路的过零点采样装置；控制电路根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure BDA0001659583090000021
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管的阈值电压；
T表示直流脉冲电源所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
本发明上述的电磁加热设备中，直流脉冲电源包括交流电源和整流器；交流电源具有火线和零线，火线和零线分别连接整流器的两个输入端；整流器的输出正极经电感线圈盘后与绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，整流器的输出负极接绝缘栅双极型晶体管的发射极；
过零点采样装置的输入端接整流器的输入端或整流器的输出端。
本发明上述的电磁加热设备中，整流器的输出正极和输出负极之间连接有储能电容器。
本发明还提出了一种电磁感应加热控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、提供如上所述的电磁加热设备；
步骤S2、检测直流脉冲电源所输出电压的过零点信号；
步骤S3、根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure BDA0001659583090000031
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管的阈值电压；
T表示直流脉冲电源所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
本发明上述的电磁感应加热控制方法中，还包括：
在t＝3(n+1)T时刻，控制电路停止输出所述脉冲波。
本发明的电磁感应加热控制方法及电磁加热设备通过采用对控制电路所输出的脉冲波的调整在不增加硬件成本条件下，通过创新的起功率方法，降低最小功率、扩宽功率范围，功率范围由传统800-2200W扩宽至100-2200W；并使设备启动电流低；有效降低工作噪声，还可以将功率波动从秒级变为10ms级。本发明的电磁感应加热控制方法及电磁加热设备设计巧妙，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了一种现有电磁加热设备的电路图；
图2示出了本发明优选实施例的电磁加热设备的电路图；
图3示出了图2所示的电磁加热设备中A点、B点、C点以及D点的波形图；
图4示出了图2所示的电磁加热设备的控制电路输出的脉冲波的电压示意图。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题是：现有低于800W的功率的电磁加热设备会采用大功率间歇加热来实现，由于启停时噪声大，开关频率不能太高，所以瞬时功率波动大、影响烹饪效果；如需做到小功率持续加热，一般需采用改变电路拓扑结构、驱动电压、谐振参数等方法来实现，但会导致成本升高、电路变复杂、关键元器件寿命短、工作噪音变大等问题。本发明就此提出的技术思路是：检测电源电压的过零点，在过零点前向绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极输入小脉宽的驱动电压，以将绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电压降下来，并使之接近0；然后，在电源电压到达过零点时，向绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极输入正常脉宽的驱动电压，从而实现电磁加热设备对应功率的工作。
为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，图1示出了一种现有电磁加热设备的电路图。该电磁加热设备包括用于在通电时产生交变磁场以使处于该交变磁场中的导体制品发热的电感线圈盘L、与所述电感线圈盘L并联以用于形成LC谐振电路的谐振电容器C2、直流脉冲电源200、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及控制电路100；电感线圈盘L、直流脉冲电源200以及绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和发射极形成加热回路；控制电路100与绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极电性连接，用于给绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极提供脉冲波以实现绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和截止的交替。这样，绝缘栅双极型晶体管IGBT与LC谐振电路的配合就可以在加热回路中产生交变电流，该交变电流流经电感线圈盘L，会使电感线圈盘L产生交变磁场。进一步地，导体制品通常为金属容器或者非金属容器上的金属部件。当导体制品处于交变磁场中时，导体制品内部会产生感应电流，该感应电流会产生热量，从而实现电磁加热。
进一步地，直流脉冲电源200包括交流电源AC和整流器U1；交流电源AC具有火线和零线，火线和零线分别连接整流器U1的两个输入端；整流器U1的输出正极经电感线圈盘L后与绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接，整流器U1的输出负极接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极。整流器U1的输出正极和输出负极之间连接有储能电容器C1。
如图1所示的现有电磁加热设备，其刚开始工作时，控制电路100会给绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极提供固定宽度的脉冲，然后，在LC谐振电路谐振到谷底时，控制电路100会给绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极提供下一个脉冲，于是，控制电路100给绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极所提供的脉冲波电压V(t)为：
Figure BDA0001659583090000051
其中，t为时间；
U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管IGBT的阈值电压；
T为脉冲波的周期，其等于LC谐振电路的周期；
τ表示脉冲波的脉宽，其为常数。
在这里，考虑到要适应被电磁加热设备加热的不同锅具材料、锅具的摆放位置以及电源的电压变动；因此，脉冲波的脉宽不会太小，由于此时绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极电压为直流脉冲电源200的峰值电压，这样就会产生很大的启动噪声。
如图2和图3所示，图2示出了本发明优选实施例的电磁加热设备的电路图；图3示出了图2所示的电磁加热设备中A点、B点、C点以及D点的波形图；图4示出了图2所示的电磁加热设备的控制电路输出的脉冲波的电压示意图。
该电磁加热设备包括用于在通电时产生交变磁场以使处于该交变磁场中的导体制品发热的电感线圈盘L、与所述电感线圈盘L并联以用于形成LC谐振电路的谐振电容器C2、直流脉冲电源200、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及控制电路100；电感线圈盘L、直流脉冲电源200以及绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和发射极形成加热回路；控制电路100与绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极电性连接，用于给绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极提供脉冲波以实现绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和截止的交替。这样，绝缘栅双极型晶体管IGBT与LC谐振电路的配合就可以在加热回路中产生交变电流，该交变电流流经电感线圈盘L，会使电感线圈盘L产生交变磁场。进一步地，导体制品通常为金属容器或者非金属容器上的金属部件。当导体制品处于交变磁场中时，导体制品内部会产生感应电流，该感应电流会产生热量，从而实现电磁加热。
进一步地，电磁加热设备还包括分别与直流脉冲电源200和控制电路100相连、用于检测直流脉冲电源200所输出电压的过零点信号并将该过零点信号发送给控制电路100的过零点采样装置300；控制电路100根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure BDA0001659583090000061
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管IGBT的阈值电压；
T表示直流脉冲电源200所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
进一步地，直流脉冲电源200包括交流电源AC和整流器U1；交流电源AC具有火线和零线，火线和零线分别连接整流器U1的两个输入端；整流器U1的输出正极经电感线圈盘L后与绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极连接，整流器U1的输出负极接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极。整流器U1的输出正极和输出负极之间连接有储能电容器C1。过零点采样装置300的输入端可以接整流器U1的输入端，也可以接整流器U1的输出端。控制电路100包括控制单元和驱动电路。通常情况下，驱动电路可以由多个三极管组成。控制单元采用SoC芯片。
进一步地，在本实施例中，还提出了一种电磁感应加热控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、提出如上所述的电磁加热设备；
步骤S2、检测直流脉冲电源200所输出电压的过零点信号；
步骤S3、根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure BDA0001659583090000071
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管IGBT的阈值电压；
T表示直流脉冲电源200所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
在这里，第一脉冲信号用于启动LC谐振电路，并实现其加热功能。而第二脉冲信号用于把绝缘栅双极型晶体管IGBT集电极处存储的电能沿着电源正弦波的包络线(略高于包络线)释放掉，把该处电压降下来，并使之接近0V。这样，之后采用第一脉冲信号实现加热功能过程中可以有效减少电磁加热设备的噪声。
进一步地，电磁感应加热控制方法还包括：
在t＝3(n+1)T时刻，控制电路100停止输出所述脉冲波。
通过这一方式，可以有效提高电磁加热设备输出功率的平稳性，减少电磁加热设备的噪声。
本发明的电磁感应加热控制方法及电磁加热设备通过采用对控制电路所输出的脉冲波的调整在不增加硬件成本条件下，通过创新的起功率方法，降低最小功率、扩宽功率范围，功率范围由传统800-2200W扩宽至100-2200W；并使设备启动电流低；有效降低工作噪声，还可以将功率波动从秒级变为10ms级。本发明的电磁感应加热控制方法及电磁加热设备设计巧妙，实用性强。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种电磁加热设备，包括用于在通电时产生交变磁场以使处于该交变磁场中的导体制品发热的电感线圈盘(L)、与所述电感线圈盘(L)并联以用于形成LC谐振电路的谐振电容器(C2)、直流脉冲电源(200)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及控制电路(100)；电感线圈盘(L)、直流脉冲电源(200)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的集电极和发射极形成加热回路；控制电路(100)与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极电性连接，用于给绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极提供脉冲波以实现绝缘栅双极型晶体管(IGBT)导通和截止的交替；其特征在于，
电磁加热设备还包括分别与直流脉冲电源(200)和控制电路(100)相连、用于检测直流脉冲电源(200)所输出电压的过零点信号并将该过零点信号发送给控制电路(100)的过零点采样装置(300)；控制电路(100)根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure FDA0001659583080000011
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的阈值电压；
T表示直流脉冲电源(200)所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
2.根据权利要求1所述的电磁加热设备，其特征在于，直流脉冲电源(200)包括交流电源(AC)和整流器(U1)；交流电源(AC)具有火线和零线，火线和零线分别连接整流器(U1)的两个输入端；整流器(U1)的输出正极经电感线圈盘(L)后与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的集电极连接，整流器(U1)的输出负极接绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发射极；
过零点采样装置(300)的输入端接整流器(U1)的输入端或整流器(U1)的输出端。
3.根据权利要求2所述的电磁加热设备，其特征在于，整流器(U1)的输出正极和输出负极之间连接有储能电容器(C1)。
4.一种电磁感应加热控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、提供如权利要求1-3任意一项所述的电磁加热设备；
步骤S2、检测直流脉冲电源(200)所输出电压的过零点信号；
步骤S3、根据过零点信号来输出所述脉冲波；该脉冲波包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；该脉冲波电压V(t)为：
Figure FDA0001659583080000021
N1T2≤T
N2T1≤T
其中，U为常数，其大于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的阈值电压；
T表示直流脉冲电源(200)所输出电压的周期；
T2表示脉冲波中第一脉冲信号的周期；
τ2表示脉冲波中第一脉冲信号的脉宽；
N1表示一个脉冲波中第一脉冲信号的数目；
T1表示脉冲波中第二脉冲信号的周期；
τ1表示脉冲波中第二脉冲信号的脉宽；
N2表示一个脉冲波中第二脉冲信号的数目。
5.根据权利要求4所述的电磁感应加热控制方法，其特征在于，还包括：
在t＝3(n+1)T时刻，控制电路(100)停止输出所述脉冲波。
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