CN114071816B - 多负载柔性感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多负载柔性感应加热装置，包括多个加热区域，每个加热区域均包括一个加热表面，及设置于之下的线圈阵列、整流器、逆变器、MPC控制器及功率控制器。整流滤波器的输入端连接市电，输出端连接逆变器，逆变器的输出端连接线圈阵列，线圈阵列中的每一个线圈均与一个谐振电容及全控开关器件串联。MPC控制器根据线圈电压和谐振电容电压控制逆变器的输出电流频率，使线圈阵列中的每一个线圈与对应的谐振电容处于谐振状态，功率控制器用于根据设定温度控制全控开关器件的开关频率。上述加热装置，采用MPC技术控制逆变器输出，使得加热功率可以保持最大化，且可以根据锅的位置对线圈进行独立控制，减少能量浪费。

Description

多负载柔性感应加热装置

技术领域

本发明涉及感应加热领域，特别涉及一种多负载柔性感应加热装置。

背景技术

现在感应电加热技术在家庭应用中已经较为普遍，其中最普遍的为电磁炉。现有的电磁炉采用全桥谐振逆变器控制单线圈的方式进行加热，这种方法存在加热不均的缺点，限制了锅具的大小和位置，用户体验较差，且会造成锅具老化较快。为了解决上述问题，感应加热开始往多线圈方向发展，但是现有的多线圈感应加热装备，仍然存在无法保证加热功率最大化，能量浪费较多的缺点。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种多负载柔性感应加热装置，采用MPC(模型预估控制)技术控制逆变器输出，使得加热功率可以保持最大化，且可以根据锅的位置对每个线圈进行独立控制，减少能量浪费。

技术方案：本发明所述的多负载柔性感应加热装置，包括多个加热区域，每个加热区域均包括一个加热表面，及设置于所述加热表面下的线圈阵列、整流滤波器、逆变器、MPC控制器及功率控制器，所述整流滤波器的输入端连接市电，所述整流滤波器的输出端连接所述逆变器，所述逆变器的输出端连接所述线圈阵列，所述线圈阵列中的每一个线圈均与一个谐振电容及全控开关器件串联，所述MPC控制器根据线圈电压和谐振电容电压控制所述逆变器的输出电流频率，使所述线圈阵列中的每一个线圈与对应的谐振电容处于谐振状态，所述功率控制器用于根据设定温度控制所述全控开关器件的开关频率。

进一步的，所述线圈为螺线管线圈。

进一步的，所述线圈设置于绝缘耐高温层上。

进一步的，所述加热表面由钢化玻璃制成。

进一步的，所述逆变器为由四个全控开关器件组成的桥式电路，每个所述全控开关器件的两端均并联有伴生二极管。

进一步的，所述MPC控制器通过如下方法实现对所述逆变器的控制：

S1：根据线圈的动态微分方程建立预测模型；

S2：利用预测模型对逆变器的输出电流频率进行预测；

S3：以保持线圈和谐振电容谐振为控制目标，构建代价函数J，并求解逆变器输出电流频率的最优解；

S4：MPC控制器依据获得的最优解的电流频率值，控制逆变器的开关频率。

进一步的，所述S1步骤中的预测模型为：

式中x₁为v_c+v_L,x₂为i₀，u为所述逆变器的开关频率f，v_c为所述谐振电容的电压，v_L为所述线圈的电压， C_r为所述谐振电容的电容值，R_L为所述线圈和锅的等效电阻，v₀为所述逆变器的输出电压。

进一步的，所述S2步骤中，对预测模型离散化后如下所示：

x(k+1)＝A*x(k)+B*u(k)

并设置预测区间为2，以滚动方式进行预测，则可通过下式获得预测序列：

X(k)＝Mx(k)+CU(k)

式中

进一步的，所述S3步骤中，利用二次规划的方式构建代价函数J，代价函数J如下式所示：

式中Q、R和F均为权重系数。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、利用MPC控制技术保证线圈电路保持谐振状态，不会因为锅具变化而无法保持最优状态。2、采用螺线管线圈替代饼形线圈，可以对锅具进行更均匀的加热。3、每个线圈均串联有一个开关器件，可以通过检测线圈的电感变化判断线圈上方是否有锅具，对每个线圈进行独立的导通和关断，减少能量消耗，减轻MPC控制压力。

附图说明

图1为本发明实施例的加热区域的结构示意图；

图2为本发明实施例的逆变器的电路原理图；

图3为本发明实施例的加热装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的加热装置的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

根据本发明实施例的多负载柔性感应加热装置，包括多个如图1所示的加热区域，每个加热区域均包括一个加热表面100，加热表面100下设有线圈阵列200、整流滤波器300、逆变器400、MPC控制器500和功率控制器600。参照图4，整流滤波器300的输入端连接市电，其输出端连接逆变器400的输入端，逆变器400的输出端连接线圈阵列200。线圈阵列200中的每个线圈210均串联一个谐振电容和一个全控开关器件组成线圈电路，MPC控制器500根据线圈210电压和谐振电容电压控制逆变器400的输出电流频率，使得线圈电路能始终保持在谐振状态，保持加热功率的最大化。功率控制器600根据设定温度值控制全控开关器件的开关频率，从而实现对温度的控制。同时功率控制器600还可以通过测量线圈210的电感变化，判断线圈210上方是否有锅具，控制全控开关器件关断上方没有锅具的线圈210，节约电能。

在本实施例中，线圈阵列200中线圈210选用磁场更加集中的螺线管线圈210，实现对锅具更加均匀的加热，提升锅具寿命。加热表面100需要采用耐高温材料制作，在本实施例中，采用钢化玻璃，线圈阵列200设置在绝缘耐高温层上。

参照图2，在本实施例中，逆变器400主要部分是由四个全控开关器件组成的桥式电路。四个开关器件中Q₁和Q₂先串联，开关器件选用功率场效应管，Q₁的源极接Q₂的漏极。同理，Q₃和Q₄的串联也是如此。两个串联的电路然后进行并联Q₁的漏极与Q₃的漏极相接然后接直流电源的正极。Q₂的源极和Q₄的源极相接，然后接直流电源的负极。线圈电路中的全控制开关器件也是选用MOS管，每个线圈210的全控开关器件的漏极接Q₁和Q₂的连接点，线圈210接在Q₃和Q₄的连接点，栅极连接功率控制器600，控制全控制开关器件的导通和关断。逆变器400的四个功率场效应管的源极和漏极的两端并联有伴生二极管。

在本实施例中，如图3所示，多负载柔性感应加热装置包括8个加热区域，8个加热区域的加热表面100拼接成一个长为80cm和宽为60cm的大的加热表面，可以同时实现八个锅具的加热，每个加热区域的线圈阵列200分别受各自的MPC控制器500和功率控制器600控制。实际中，功率控制器600可以采用开环控制的方式对线圈210进行控制，也可以在加热表面100上设置温度传感器，根据温度传感器反馈的锅具的温度值进行闭环控制。加热装置还包括一个控制面板，分别与MPC控制器500和功率控制器600电性连接，用于输入设定的温度值，显示锅具温度信息等。

在本实施例中，MPC控制器500通过如下方法控制逆变器400工作：

线圈210的动态微分方程如下式所示：

式中i₀为线圈210电流，C_r为谐振电容的电容值，R_L为线圈210和锅的等效阻抗，v₀为逆变器400的输出电压，v_c为谐振电容两端的电压。将上式写成矩阵形式，即可获得下式：

式中x₁＝v_c+v_L，x₂为i₀，u为逆变器400的开关频率，v_L为线圈210两端的电压，

以保持线圈电路处于谐振状态为目标进行模型预测，建立预测模型并离散化可获得：

x(k+1)＝A*x(k)+B*u(k) (3)

利用滚动优化的方式进行系统模型预测，设置预测区间为2，则有预测矩阵令/>则可以获得下式：

X(k)＝Mx(k)+CU(k) (4)

当线圈电路谐振时：线圈210和谐振电容中的能量需要完全相互补偿，相当于短路状态，所以要求v_c+v_L为0。

利用二次规划的方式构建使线圈电路处于谐振为目标，构建系统的代价函数J：

其中Q、R和F均为权重系数，技术人员可以根据实际情况和先验数据知识进行调整。将(5)式化简可得：

J＝x(k)^TGx(k)+U(k)^THU(k)+2x(k)^TEU(k) (6)

其中：x(k)为系统初始状态，U(k)为系统预测的输入，且只有第一个分量应用于系统的控制。根据得到的代价函数利用最速下降法，得到系统的最优解的输入，使线圈电路保持谐振，不受锅具位置变化和尺寸变化带来的线圈电感扰动的影响，保持加热功率的最大化。

Claims (5)

1.一种多负载柔性感应加热装置，其特征在于，包括多个加热区域，每个加热区域均包括一个加热表面，及设置于所述加热表面下的线圈阵列、整流滤波器、逆变器、MPC控制器及功率控制器，所述整流滤波器的输入端连接市电，所述整流滤波器的输出端连接所述逆变器，所述逆变器的输出端连接所述线圈阵列，所述线圈阵列中的每一个线圈均与一个谐振电容及全控开关器件串联，所述MPC控制器根据线圈电压和谐振电容电压控制所述逆变器的输出电流频率，使所述线圈阵列中的每一个线圈与对应的谐振电容处于谐振状态，所述功率控制器用于根据设定温度控制所述全控开关器件的开关频率；所述MPC控制器通过如下方法实现对所述逆变器的控制：

S1：根据线圈的动态微分方程建立预测模型；

S2：利用预测模型对逆变器的输出电流频率进行预测；

S3：以保持线圈和谐振电容谐振为控制目标，构建代价函数J，并求解逆变器输出电流频率的最优解；

S4：MPC控制器依据获得的最优解的电流频率值，控制逆变器的开关频率；

所述S1步骤中的预测模型为：

式中x₁为v_c+v_L,x₂为i₀，i₀为线圈电流，u为所述逆变器的开关频率f，v_c为所述谐振电容的电压，v_L为所述线圈的电压， C_r为所述谐振电容的电容值，R_L为所述线圈和锅的等效电阻，v₀为所述逆变器的输出电压；

所述S2步骤中，对预测模型离散化后如下式所示：

x(k+1)＝A*x(k)+B*u(k)

并设置预测区间为2，以滚动优化方式进行预测，则可通过下式获得预测序列：

X(k)＝Mx(k)+CU(k)

式中

所述S3步骤中，利用二次规划的方式构建代价函数J，代价函数J如下式所示：

式中Q、R和F均为权重系数。

2.根据权利要求1所述的多负载柔性感应加热装置，其特征在于，所述线圈为螺线管线圈。

3.根据权利要求1所述的多负载柔性感应加热装置，其特征在于，所述线圈设置于绝缘耐高温层上。

4.根据权利要求1所述的多负载柔性感应加热装置，其特征在于，所述加热表面由钢化玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的多负载柔性感应加热装置，其特征在于，所述逆变器为由四个全控开关器件组成的桥式电路，每个所述全控开关器件的两端均并联有伴生二极管。