CN201238406Y - 一种大功率节能电磁灶智能控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大功率节能电磁灶的智能控制装置，其主体包括可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块，其特点是：可控整流滤波模块将三相交流电源整流成可调节的直流电源；逆变模块将直流电源逆变成为高频的交流电源，再经线圈盘L4将电能转换成电磁能辐射至锅底产生涡流，利用涡流的热效应加热锅具；微电脑控制模块用于采集数据及向各模块发送控制信息。该装置采用PI调节器的整流桥触发控制、智能自适应恒功率控制、智能软启动控制、智能的锅具检测控制等一系列先进控制策略，增强电磁灶工作的稳定性和安全性。本实用新型节约电能的同时能使设备对电网的谐波污染减少为最小，适合各种厨房餐厅使用。

Description

一种大功率节能电磁灶智能控制装置

技术领域

本实用新型属于一种电磁灶控制装置，具体而言，是一种大功率节能电磁灶智能控制装置。

背景技术

随着人们生活水平的普遍提高，环保和节能的概念开始深入人心。电磁灶作为一种清洁，节能，使用方便的厨房设备开始取代传统灶台走进千家万户。而目前市面上出售的大部分电磁灶是小功率的家用电磁灶，其功率大都在2000W以下，由于其功率小，难以满足学校食堂、工厂、酒店、宾馆、机关、大型商业中心对大功率的需求。

目前已有的大功率电磁灶都采用调频的方式来调节功率输出。在输出功率较小时，其工作频率远离谐振电路的谐振点频率，在主回路上产生的无功功率大，电磁灶的功率因素低，能量转换效率低，浪费了大量的电能。较大的无功功率也会对电网产生谐波污染，并且，较大的无功电流增加了IGBT等大功率电子器件的发热，降低了IGBT与其他电子器件的工作稳定性、安全性以及使用寿命。目前的大功率电磁灶还都采用定档定频率的控制方式，当档位一定时，电磁灶的工作频率就一定了。定档定频的控制方式不能精确控制每个档位的功率输出，当电网电压波动、锅具大小变化、锅具材料变化、锅具与加热线圈盘的距离变化时，输出功率在不同情况下存在很大的差异，不能准确控制电磁灶的输出功率，每个档位的加热火力不稳定，控制精度差。另外，电磁灶在加热过程中，当锅具取走后，系统往往不能及时判断锅具的有无，从而继续工作，在无锅具的情况下，造成大量的电磁泄漏和电能浪费，降低了能量的转换效率。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种采用微电脑控制设计，具有高效节能，清洁环保、安全性强、可靠性高的大功率节能电磁灶智能控制装置，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本实用新型包括可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块，其特点是：

可控整流滤波模块集成有交流电源输入接口，作为整个装置的能量输入，经三相整流触发控制电路进行全桥可控整流，滤波后通过输出接口，为逆变模块提供直流电源；

逆变模块通过串联谐振电路将直流电源逆变为高频的交流电源，经过线圈盘L4后高频交流能量产生交变的电磁场，线圈盘上放置锅具后，电磁场辐射至锅具底部产生涡流，由于涡流的热效应产生焦耳热，从而加热锅具；

微电脑控制模块与其它各模块通过数据线相连，实时检测直流母线电压、直流母线电流、高频交流电流、线圈盘L4温度、机芯温度和档位输入信号，并发出控制指令，由微控制芯片控制PWM单元输出单路PWM信号，通过硬件死区控制电路得到两路带死区控制的PWM驱动信号以驱动逆变模块。

上述可控整流滤波模块由共模电感L1、保险管F1～F3、电源干扰抑制电容C1～C3、继电器、三相可控整流桥、三相整流桥触发电路、同步变压器、PI调节器1、差模电感L2～L3、滤波电容C4、直流电压检测器UT和直流电流检测器IT1构成；直流电压检测器UT检测的电压信号分成两路，一路作为整流控制电路的电压反馈信号U_b，另一路信号U_d和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，一起作为智能自适应恒功率控制的反馈信号。

上述逆变模块由大功率开关管IGBT1～IGBT2、IGBT隔离驱动电路、谐振电容C5～C6、交流电流检测器IT2及线圈盘L4构成；IGBT驱动信号由经过硬件死区控制电路产生的带双路死区控制的PWM信号提供，经过IGBT驱动模块后驱动功率开关管工作；在谐振主回路上串接有交流电流检测器IT2，IT2的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，然后送到微控制器(MCU)，作为锅具检测控制和过流保护信号。

上述微电脑控制模块包括档位输入电路、风扇继电器驱动电路、三相电源继电器驱动电路、微控制器(MCU)、电源模块、信号调理电路、硬件死区控制电路、安全保护电路、数码管显示电路、声光报警电路和通讯接口电路构成；外部电源经过电源模块后为微电脑控制模块的各个电路提供电源；风扇和三相电源继电器驱动电路由MCU的I/O口控制，驱动电路的输出与继电器组相连；直流电压检测器UT、直流电流检测器IT1、交流电流检测器IT2、温度检测器TT1～TT2和档位输入电路等信号经过信号调理电路后输送给MCU的A/D采样单元；档位输入电路采用电阻串联分压的方式，每个档位对应一个电压，经过电压跟随和隔离放大电路后传送给MCU的A/D采样单元，作为不同档位对应功率的给定信号；数码管显示电路显示电磁灶当前的工作档位，在故障状态下显示故障代码。

上述硬件死区控制电路由逻辑电路和电阻、电容组成，硬件死区控制电路的输入与微控制器(MCU)的PWM单元输出引脚相连；硬件死区控制电路首先将单路PWM信号通过反相器分为两路互补的信号，信号由低电平变高电平时，通过电阻对电容充电，使PWM信号由低电平变高电平时时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电容通过反向二极管快速放电，使PWM信号由高电平变低电平时不被延时，从而得到两路带死区互补的PWM信号。

上述微电脑控制模块集成有通讯接口单元，采用RS-485总线通信协议，实现远程通讯；微电脑控制模块通过RS-485总线，可连接液晶控制器或者经过RS-485转RS-232后连接PC机，实时提供电磁灶的工作状态和故障信息，实现远程在线监测和故障诊断。

上述可控整流模块集成有PI调节器1，从档位输入电路给出三相整流桥输出电压的给定信号U_I，U_I与直流电压检测器检测的反馈电压信号U_b进行比较，得到电压偏差ΔU，通过PI调节器1，调节整流触发电路的移相控制电压U_C大小，改变三相整流桥晶闸管的触发角，从而调整三相可控整流桥的输出电压，改变电磁灶的输出功率。

上述装置当锅具从线圈盘L4移开时，微电脑控制模块实时检测直流电流检测器与交流电流检测器的信号大小，自动判断电磁灶是否处于检锅状态，并采用间歇工作方式向逆变模块发送检锅信号，在发送停止期间，禁止功率开关管IGBT1和IGBT2工作，并且通过微控制芯片输出PWM封锁信号，使IGBT模块的上、下桥臂同时处于关断状态。

由于本实用新型采用可控整流的方式进行功率调节输出，明显区别于其它电磁灶调频调功的控制方式，使得控制主回路上无功电流小，无功功率小，功率因素高，大幅节约了电能，同时也减小了无功功率对电网的谐波污染；采用的基于PI调节器的整流桥触发控制和智能自适应的恒功率双控调节策略，保证了各档位加热火力的精确及稳定；采用的智能软启动控制技术提高了电路的安全性；采用的智能锅具检测技术减少了电磁辐射和电磁污染，并节约电能；采用的硬件死区电路增强了电磁灶工作的安全稳定性。本实用新型突破了传统的电磁灶输出功率的限制，使双管半桥式电磁灶的输出功率扩展到6000-10000瓦。该电磁灶火力控制精确、稳定，负载电路功率因素高，大幅节约电能，同时能使设备对电网的谐波污染减少为最小，适合各种厨房餐厅使用。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构原理框图。

图2为本实用新型的硬件死区控制电路图。

图3为本实用新型PI调节器整流触发控制与智能自适应的恒功率控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型主体部分结构如附图1所示，本实用新型的主体部分由可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块等部件组成；可控整流滤波模块将三相交流电整流成可调节的直流电压，然后经过逆变模块，将直流电转换成高频交流电，通过线圈盘L4将电能转换成电磁能辐射至锅底产生涡流，由于涡流的热效应以加热锅具，微电脑控制模块为整个系统的核心，用于采集数据及向各模块发送控制信息。

可控整流滤波模块如图1所示，由共模电感L1、滤波电容C1、C2、C3、继电器、三相可控整流桥、三相整流桥触发电路、同步变压器、PI调节器1、差模电感L2和L3、直流滤波电容C4、直流电压检测器UT以及直流电流检测器IT1组成，外部三相电源连接至三相共模电感L1和电容C1、C2、C3组成的有中线滤波器，对输入该装置的三相电源滤波，去除高频干扰，滤波器的输出与继电器相连，继电器的输出端连接至三相可控整流桥，并且并联有同步变压器，输出三路同步电压U_sA，U_sB，U_sC，连接至整流触发电路的同步电压输入端，触发脉冲信号控制整流桥晶闸管，使三相可控整流桥输出脉动的直流电压，整流之后采用差模电感L2、L3和电容C4滤波，使系统输出稳定平滑的直流电压U_DC，在额定电压下，其输出平均电压U_DC＝2.34*220cosα，α为触发角。PI调节器1根据给定电压与反馈电压的偏差，输出移相控制电压U_C，移相控制电压连接至整流桥触发电路模块的移相电压输入端，控制触发脉冲的触发角α，使整流桥输出大小可控和稳定的直流电压。在整流滤波电路之后的直流母线上，连接有直流电压检测器UT和直流电流检测IT1，UT检测的信号分成两路，一路作为电压反馈信号，与给定电压比较后，经过PI调节器1输出移相控制电压，移相控制电压控制整流触发电路模块输出的触发控制信号，另一路和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，然后与MCU的AD采样单元相连，IT1和UT检测的信号作为智能自适应恒功率控制的反馈信号。

逆变模块如图1所示，由半桥大功率开关管IGBT模块、IGBT的隔离驱动电路、线圈盘L4、谐振电容C5、C6高频交流电流检测器IT2和锅具构成。IGBT的隔离驱动电路与微电脑控制模块的硬件死区控制电路相连，由微电脑控制模块输出驱动频率，IGBT的隔离驱动电路驱动半桥IGBT模块工作，将整流滤波电路得到的稳定平滑的直流电压U_DC逆变成高频的交流电。逆变电路的工作频率略高于谐振电路的谐振频率，负载电路接近于纯阻性，无功功率小，功率因素高，对电网的谐波污染小，节约电能。线圈盘L4和谐振电容C5、C6串联连接，其谐振点频率略低于功率开关管工作的最低频率，使负载在任何工况下呈感性，在逆变电路产生的高频的交流电压驱动下，线圈盘L4上有高频的交流电流，高频的交流电流产生交变的电磁场，根据感应加热原理，线圈盘L4上放置锅具后，锅具的底部产生涡流热，将电能转换成热能加热锅具，涡流热直接作用于锅具底部，热量损耗小，热效率高，有效提高能量的利用率，节约电能。谐振电路主回路上连接有高频交流检测器IT2，IT2的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，然后送到MCU，作为锅具检测控制、过流保护控制反馈到微电脑控制模块。

微电脑控制模块由微控制器MCU、电源模块、继电器驱动电路、硬件死区控制电路、信号调理电路、档位输入电路、显示电路和通讯接口电路构成。外部电源经过电源模块后为微电脑控制模块的各个电路提供电源。继电器驱动电路由MCU的I/O口控制，继电器驱动电路的输出与继电器组相连，控制三相电源继电器和散热风扇继电器。直流电压检测器UT，直流电流检测器IT1，交流电流检测器IT2，档位输入电路，温度检测器TT1、TT2经过信号调理电路后输送给MCU的A/D采样单元，将模拟信号转换为数字信号进行计算处理。硬件死区控制电路的输入与MCU的PWM单元输出引脚相连，硬件死区控制电路输出两路互补的驱动信号与IGBT的隔离驱动电路相连，控制功率开关管IGBT工作频率。档位输入电路经信号调理电路后与MCU的A/D采样模块相连，向MCU输入每个档位的给定功率信号，MCU根据检测到的直流电压和直流电流，微调电磁灶的工作频率，使输出功率总是跟随功率给定，自适应的恒功率控制各个档位的加热功率，精确控制各个档位的加热火力。数码管显示电路与MCU的SPI口相连，采用串行方式传送数据给数码管显示，数码管显示当前的工作档位，在故障状态下显示故障代码，指示灯电路与MCU的I/O口相连，指示电磁灶的各种工作状态。通讯接口采用RS-485总线，实现上位机的实时在线监测，方便调试和维修。

硬件死区控制电路如图2所示，电路的输入与MCU的PWM输出引脚相连，MCU输出占空比为1/2的PWM信号，该PWM信号首先被反相器分成两路相反的信号，然后对每一路信号由低电平到高电平进行延时。每一路信号由低电平变高电平时，通过电阻RES1(另一路为RES2)对电容CAP1(另一路为CAP2)充电，使PWM信号由低电平变高电平时时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电容CAP1(另一路为CAP2)通过反向二极管DIODE1(另一路为DIODE2)快速放电，使PWM信号由高电平变低电平时不被延时，从而得到两路带死区互补的PWM信号，死区时间的长短由一阶电路的零状态响应和与门电路的高电平输入的门槛电平计算得到，两路带死区互补的PWM信号与过流、过压保护信号、MCU的I/O输出的PWM封锁信号相与后送给IGBT的隔离驱动模块，驱动IGBT工作。

在本实用新型的实施例中，智能自适应的恒功率控制包含两个部分，如图3所示，在较大功率范围内调节时，采用基于PI调节器的整流触发控制，粗调电磁灶的输出功率；功率在较小范围内调节时，当整流桥输出电压稳定后，采用基于PI调节器的调频调功的方式，微调逆变模块IGBT的工作频率，使输出功率智能自适应的跟随档位给定功率，精确控制每个档位的加热火力。基于PI调节器的整流触发电路控制策略为：PI调节器1根据给定电压与反馈电压的偏差，输出移相控制电压U_C，移相控制电压连接至整流桥触发电路模块的移相电压输入端，控制触发脉冲的触发角，使整流桥输出大小可控和稳定的直流电压，从而调整电磁灶的输出功率。同时，在电网电压升高或降低时，整流桥输出的电压升高或降低，反馈电压也增大或减小，与给定电压比较后，偏差电压不为零，从而改变PI调节器1输出的移相控制电压，调整整流桥晶闸管的触发角，改变整流桥的输出电压，使整流桥的输出电压跟随给定电压，有效抑制电网电压波动对输出功率的影响。

当直流电压稳定不变后，采用基于PI调节器的准电压电流双闭环控制，微调电磁灶的输出功率，使输出功率跟随给定功率。其具体实施为：从档位输入电路输入工作档位，向MCU输入给定功率P_I信号，MCU根据直流电压检测器UT和直流电流检测器IT1检测回来的电压、电流大小，计算实际的输出功率P_O，给定功率P_I和实际的输出功率P_O比较，得到功率偏差ΔP，然后通过限幅的PI调节器2，PI调节器2的输出送给MCU中PWM单元，微调PWM波形的输出频率，PI调节器2限幅的目的是确保PWM单元输出的最低频率高于谐振电路谐振点频率，使负载呈感性。PWM单元输出单路PWM信号与外部硬件死区控制电路相连，形成两路带死区的互补驱动信号，该两路带死区的互补驱动信号经隔离连接到IGBT的驱动模块，IGBT的驱动模块输出的驱动信号与半桥IGBT模块的栅射极相连，驱动半桥IGBT模块工作，调整输出功率，使输出功率跟随给定功率。锅具材料、大小、线圈盘L4与锅具的距离是影响输出功率的差异较大的重要因素，在安装过程中，线圈盘L4存在安装误差导致输出功率存在差异，锅具材料的变化和锅具大小的变化也会导致输出功率变化，加热火力存在差异，在整流桥输出电压稳定的情况下，采用基于PI调节器的准电压电流双闭环控制，微调电磁灶的工作频率，使输出功率总是跟随给定功率，有效消除了安装误差导致的功率偏差和锅具大小、材料变化导致的功率偏差，使输出功率总是跟随给定功率，精确控制加热的火力。

在本实用新型的实施例中，采用基于PI调节的智能软启动技术，抑制功率突变，做到大功率器件的软启动，保护大功率器件的安全。在图3所示控制结构图中，将PI调节器1的比例常数设定得较小，积分时间常数设定得较大，因此，当开机启动和档位切换时，因比例常数较小，积分时间常数较大，偏差的存在和PI调节器1的积分作用，使PI调节器1的输出移相控制电压U_C变化缓慢，整流触发电路模块输出的触发角缓慢变化，从而整流桥输出的电压缓慢变化，输出功率不会瞬间增大或减小，电流不会突变，不会引起由于电流突变产生的瞬态高压损坏大功率器件，保护大功率电子器件的安全可靠的运行。同时，将谐振回路上高频电流检测器IT2检测的信号送给微电脑控制模块，经过信号调理电路后与电流比较器比较，当出现过流时，比较器输出过流信号送给硬件死区控制电路，封锁驱动信号，对大功率器件过流快速保护，确保器件工作安全。

电磁灶在无锅具情况下继续驱动IGBT工作则会有部分磁场外泄，并且浪费大量电能。为减少电磁泄漏和电磁污染并节约电能，在本实用新型的实施例中，采用了低功耗的智能锅具检测功能。MCU控制PWM单元间歇性的输出PWM驱动信号，MCU每间隔2s就发送50ms的PWM驱动信号，而在其它时间内，MCU内部的PWM单元停止工作，同时，MCU输出封锁信号给硬件死区控制电路，同时封锁两路带死区的互补驱动信号，使开关管的上下桥臂同时处于关断状态。在发送频率期间，检测主回路高频电流检测器IT2上电流大小和直流母线上直流电流检测器IT1电流大小，判断电磁灶上是否有锅，当电流大于某一设定值时，证明锅具存在，电磁灶进入正常的功率输出对锅具进行加热，而当电流小于此设定值时，则判断为无锅，并且蜂鸣器给出短叫声和指示灯闪烁提示无锅。在正常的加热过程中，当锅具移开后，直流电流检测器检测的电流迅速减小，当电流小于某一设定值时，则判断为无锅，进入检锅模式检测锅具，有效抑制了电磁灶在无锅情况下MCU继续输出IGBT的驱动频率造成的大量的电磁泄漏和电磁污染，节约了电能，提高了效率。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1、一种大功率节能电磁灶智能控制装置，它包括可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块，其特征在于：

可控整流滤波模块集成有交流电源输入接口，作为整个装置的能量输入，经三相整流触发控制电路进行全桥可控整流，滤波后通过输出接口，为逆变模块提供直流电源；

逆变模块通过串联谐振电路将直流电源逆变为高频的交流电源，经过线圈盘L4后高频交流能量产生交变的电磁场，线圈盘L4上放置锅具后，电磁场辐射至锅具底部产生涡流，由于涡流的热效应产生焦耳热，从而加热锅具；

微电脑控制模块与其它各模块通过数据线相连，实时检测直流母线电压、直流母线电流、高频交流电流、线圈盘L4温度、机芯温度和档位输入信号，并发出控制指令，由微控制芯片控制PWM单元输出单路PWM信号，通过硬件死区控制电路得到两路带死区控制的PWM驱动信号以驱动逆变模块。

2、如权利要求1所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置，其特征在于：可控整流滤波模块由A、B、C输入三相交流电压经共模电感L1、保险管F1～F3、电源干扰抑制电容C1～C3、继电器、三相可控整流桥、三相整流桥触发电路、同步变压器、PI调节器1、差模电感L2～L3、滤波电容C4、直流电压检测器UT和直流电流检测器IT1构成；直流电压检测器UT检测的电压信号分成两路，一路作为整流控制电路的电压反馈信号U_b，另一路信号U_d和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，一起作为智能自适应恒功率控制的反馈信号。

3、如权利要求1所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置，其特征在于：逆变模块由大功率开关管IGBT1～IGBT2、IGBT隔离驱动电路、谐振电容C5～C6、交流电流检测器IT2及线圈盘L4构成；IGBT驱动信号由经过硬件死区控制电路产生的带双路死区控制的PWM信号提供，经过IGBT驱动模块后驱动功率开关管工作；在谐振主回路上串接有交流电流检测器IT2，IT2的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路，然后送到微控制器(MCU)，作为锅具检测控制和过流保护信号。

4、如权利要求1所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置，其特征在于：微电脑控制模块包括档位输入电路、风扇继电器驱动电路、三相电源继电器驱动电路、微控制器(MCU)、电源模块、信号调理电路、硬件死区控制电路、安全保护电路、数码管显示电路、声光报警电路和通讯接口电路构成；外部电源经过电源模块后为微电脑控制模块的各个电路提供电源；风扇和三相电源继电器驱动电路由MCU的I/O口控制，驱动电路的输出与继电器组相连；直流电压检测器UT、直流电流检测器IT1、交流电流检测器IT2、温度检测器TT1～TT2和档位输入电路等信号经过信号调理电路后输入给MCU的A/D采样单元；档位输入电路采用电阻串联分压的方式，每个档位对应一个电压，经过电压跟随和隔离放大电路后传送给MCU的A/D采样单元，作为不同档位对应功率的给定信号；数码管显示电路显示电磁灶当前的工作档位，在故障状态下显示故障代码。

5、如权利要求1或4所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置，其特征在于：硬件死区控制电路由逻辑电路和电阻、电容组成，硬件死区控制电路的输入与微控制器(MCU)的PWM单元输出引脚相连；硬件死区控制电路首先将单路PWM信号通过反相器分为两路互补的信号，信号由低电平变高电平时，通过电阻对电容充电，使PWM信号由低电平变高电平时时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电容通过反向二极管快速放电，使PWM信号由高电平变低电平时不被延时，从而得到两路带死区互补的PWM信号。

6、如权利要求1或4所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置，其特征在于：微电脑控制模块集成有通讯接口单元，采用RS-485总线通信协议，实现远程通讯；微电脑控制模块通过RS-485总线，可连接液晶控制器或者经过RS-485转RS-232后连接PC机，实时提供电磁灶的工作状态和故障信息，实现远程在线监测和故障诊断。

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