CN205726493U - 一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统 - Google Patents
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Abstract
本方案提出一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，可以针对不同材质锅具进行加热，电磁加热控制系统包括控制器、滤波模块、整流模块、功率元件及与功率元件连接的驱动模块，所述驱动模块包括谐振单元、变频单元及切换单元，所述切换单元切换变频单元与谐振单元组合关系以改变谐振模块的谐振频率适应不同材质锅具进行加热。本方案设置变频单元及切换单元可以针对不同材质锅具实现谐振模块谐振频率的选择进而满足不同材质锅具谐振频率范围实现加热。
Description
【技术领域】
本发明涉及电磁加热技术领域，具体涉及一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统。
【背景技术】
随着电磁感应加热技术的迅速发展，基于电磁感应加热原理的厨房电器比如基于电磁加热技术电磁灶、基于IH加热技术电饭煲等越来越多，现有的电磁加热控制系统硬件设计上谐振参数与锅具匹配是实现对锅具进行的加热的关键技术，不同材质的锅具(如铁锅与铝锅)在进行电磁加热过程中对电磁加热控制系统中谐振参数要求是不一样的，因此要实现对不同锅具的加热电磁加热控制系统需对应不同的谐振参数(范围)。如此，在硬件电路谐振参数无法调整的情况下，就无法适应不同的材质谐振参数(范围)要求，所以导致了现有的电磁加热控制系统中没有办法兼容全金属或多金属材质进行加热，导致同一电磁加热装置(如电磁炉)在锅具材质更换情况下，很难正常的工作甚至无法正常工作。
目前现有技术中，电磁加热控制系统中其电路谐振频率范围一般在50KHz以内，该谐振范围只能实现对铁质或不锈钢材质锅具或具有该材质的复底锅具进行加热，比如，电磁炉在使用铝或者铜等非铁材质锅具时无法对其进行加热。而随着锅具技术的发展，非铁质锅具技术的迅速发展，使得市场上有大量非铁质锅具，而非铁质锅具(比如铝锅)在电磁加热过程中对谐振电路中的参数要求与铁质锅是不一样的，所以在目前的电磁谐振范围情况下不能对铝锅进行加热实现相应的烹饪的功能，所以导致了原有的设计控制方案没有办法兼容不同材质金属锅具加热。
为解决上述问题，现有技术中提出一种采用在非铁质或不锈钢锅具底部加入复底片(复底片为铁质或不锈钢材质)实现对非铁质或不锈钢锅具的电磁加热，但是该技术需要在锅具成型后加入复底片，复底片的加工及附加不仅使该锅具生产流程繁琐，同时增加了整锅成本。而且此设计也并非真正意义上的实现不同材质锅具加热。因此，对电磁加热控制系统本身研究改进实现对不同材质金属锅具加热具有重要意义。
【实用新型内容】
本实用新型方案提出适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，旨在改善上述问题，该方案具有效果好、可实施性强的特点。
为达到以上技术效果，本实用新型采用如下技术方案：
一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，包括控制器、滤波模块、整流模块、功率元件及与功率元件连接的驱动模块，其特征在于：所述驱动模块包括谐振单元、变频单元及切换单元，所述切换单元切换变频单元与谐振单元组合关系以改变电磁加热控制系统的谐振频率适应不同材质锅具进行加热。
进一步的方案，所述变频单元的一种方案为所述变频单元包括谐振电容或谐振电容组合电路。
所述变频单元的另一种方案为所述变频单元包括谐振电感或谐振电感组合电路。
所述变频单元的另一种方案为所述变频单元包括谐振电容与谐振电感的组合电路。
进一步的方案，所述切换单元包括与变频单元串联或并联连接的可控电子开关器件，切换可控电子开关器件通断状态以改变变频单元与谐振单元组合关系，进而改变电磁加热控制系统的谐振频率。
进一步的方案，所述可控电子开关器件为继电器或交流接触器或半导体开关。
进一步的方案，所述电磁加热控制系统还包括适应电磁加热控制系统谐振频率变化的升压PFC模块，所述升压PFC模块输入端连接整流模块输出端，升压PFC模块输出端连接驱动模块输入端，以将整流模块输出的电压稳定后输入到驱动模块。
进一步的方案，所述升压PFC模块输出的电压为310V～450V。
进一步的方案，所述驱动模块还包括与功率元件连接的全桥驱动电路或所述驱动模块还包括与功率元件连接的半桥驱动电路。功率元件可以为IGBT或智能功率模块等。
进一步的方案，所述电磁加热控制系统还包括锅具类型检测模块，所述锅具类型检测模块检测锅具的材质类型并将对应的信号传输控制器，控制器获取信号后控制所述切换单元的通断状态，以启动相应的谐振频率对锅具进行加热。
本实用新型方案的有益效果：
1、一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，包括控制器、滤波模块、整流模块、功率元件及与功率元件连接的驱动模块，其特征在于：所述驱动模块包括谐振单元、变频单元及切换单元，所述切换单元切换变频单元与谐振单元组合关系以改变谐振模块的谐振频率适应不同材质锅具进行加热。本方案设置变频单元及切换单元可以针对不同材质锅具实现系统谐振频率的选择进而满足不同材质锅具谐振频率范围实现加热。
2、所述变频单元包括谐振电容或谐振电容组合电路；所述变频单元包括谐振电感或谐振电感组合电路；所述变频单元包括谐振电容与谐振电感的组合电路。三种不同的方案，可以单独切换谐振电容方案，也可以单独切换谐振电感方案，当然也可以为电容电感组合方案。由谐振频率计算公式可以得出谐振频率决定因素主要由电感有效电感量L和电容C决定，故而改变任意其中一个或两个都改变的情况下均可以实现整个电路谐振频率的改变。
3、所述切换单元包括与变频单元串联或并联连接的可控电子开关器件，切换可控电子开关器件通断状态以改变变频单元与谐振单元(LC谐振单元)组合关系，进而改变系统的谐振频率。所述可控电子开关器件为继电器或交流接触器或半导体开关。继电器为可控电子元器件可以通过控制器对其实现控制，进而实现变频单元与谐振单元组合关系的改变，改变整个系统谐振频率。变频单元及切换单元的有效组合切换，可以有效的解决了不同锅具所需求的谐振频率的问题。使全金属感应加热系统才有可能得到实现。
4、所述电磁加热控制系统还包括升压PFC模块，所述升压PFC模块输入端连接整流模块输出端，升压PFC模块输出端连接驱动模块输入端。PFC电路的应用，使输出给谐振系统的电压非常稳定，不受用户用电电网电压波动的影响；PFC电路在谐振系统中的应用，使整个系统的能效得到有效的提高；同时，使用PFC电路具有功率因数校正技术，就是使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波且和电压波形同相位。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时的PF值为1；通过PFC升压技术为驱动模块提供310Vdc～450Vdc的稳定电源，在相同功率输出条件下，可以有效的降低系统的电流值，这样系统更加安全可靠。
5、所述驱动模块还包括与功率元件连接的全桥驱动电路或所述驱动模块还包括与功率元件连接的半桥驱动电路。功率元件可以为IGBT或智能功率模块等。桥式驱动电路，(包括半桥和全桥电路)能有效解决普通单管感应加热中的大功率加热温升问题以及小功率连续加热的问题。
6、所述电磁加热控制系统还包括锅具类型检测模块，所述锅具类型检测模块检测锅具的材质类型并将对应的信号传输控制器，控制器获取信号后控制所述切换单元的通断状态，以启动相应的谐振频率对锅具进行加热。实现对锅具类型的检测后启动相应的谐振模块匹配相应的谐振频率，从锅具类型检测到后续匹配对应的加热谐振模块，实现对应匹配的谐振参数，实现选金属加热的完善系统控制。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本方案做进一步详细的说明。
图1为现有技术电磁感应加热的半桥控制系统；
图2为现有技术电磁感应加热的全桥控制系统；
图3为本实用新型一种适应不同材质锅具加热的电磁加热半桥控制系统；
图4为本实用新型一种适应不同材质锅具加热的电磁加热半桥控制系统；
图5为本实用新型具体实施例一谐振单元与切换单元电路示意图；
图6为本实用新型具体实施例二谐振单元与切换单元电路示意图；
图7为本实用新型具体实施例三谐振单元与切换单元电路示意图；
图8为本实用新型具体实施例四谐振单元与切换单元电路示意图；
图9为本实用新型具体实施例五驱动模块与功率元件连接关系示意图；
图10为本实用新型方案利用铝锅加热测试曲线波形图。
【具体实施方式】
为使本实用新型技术方案实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施例的技术方案进行清楚地解释和说明，但下述实施例仅为本实用新型的优选实施例，而不是全部实施例。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
参照下面的描述和附图，将清楚本实用新型的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本实用新型的实施例中的一些特定实施方式来表示实施本实用新型的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本实用新型的实施例的范围不受此限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
为使本方案的实施例目的、技术方案和优点更加清楚下面结合附图1及附图2对背景技术提到的现有技术方案做进一步阐述交代。
如图1为现有技术电磁感应加热的半桥控制系统及图2为现有技术电磁感应加热的全桥控制系统图中包括交流电源1、滤波模块2及整流模块3、功率元件4及驱动功率元件工作的驱动模块5构成电路系统，现有技术中无论半桥控制系统还是全桥控制系统其驱动模块5中的谐振电路均为由电磁线盘L1与谐振电容(C1和C2或C3)组成为硬件上无法更改的LC谐振电路，由此导致了现有技术中电磁加热控制系统的谐振频率为定值或(相对范围内的定范围值)现有技术通常谐振频率范围为50KHz以下，此频率范围为铁质或不锈钢锅具谐振匹配范围，所以该现有技术下只能对铁质或不锈钢锅具进行加热。
电磁加热系统(如电磁炉)的谐振频率主要由电感(有效电感量L)和电容(容值C)决定，频率为：(f为谐振频率，L为有效电感量和C为电容)当锅具材质变化时，有效电感量L将发生变化，谐振频率产生变化，不同锅具对有效电感量差异见附表：
表1不同锅具下有效静态电感量
表2不同频率下有效静态电感量
由以上表1及表2可见，当采用铝材质锅时其Q值和等效电阻值Ω与铁材质锅具有较大差别，其比值达到10以上，而当频率达到100k左右时，铝锅的等效电阻能达到0.480欧姆。根据P＝I2R在实现同样功率的情况下，锅具的等效电阻越大，其整体的等效电流就越小，越容易实现加热。而在同样耐压的情况下，等效电阻越大，功率就越难做大，所以一般铁材质锅尽可能的使用较低频段加热，而铝、铜等材质锅具则尽可能的使用较高频率加热。
如图3及图4所示，结合上述分析本方案提出一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，可以应用于电磁炉、IH加热电饭煲等厨房家电，所述的电磁加热控制系统包括交流电源1，电源通常为市电220V交流，当然为适应不同地区或国家标准电源电压也可以为其它值，所述的电磁加热控制系统还包括控制器(图中未标出)、滤波模块2、整流模块3、功率元件4及与功率元件4连接的驱动模块5，本实施例中功率元件4为IGBT，当然也可以为智能功率模块等其它功率器件，滤波模块2可具有EMC滤波功能等，整流模块3可以为全桥整流也可以为半桥整流，本实施例中附图中所展示为全桥整流方式，驱动模块5包括谐振单元51、变频单元与切换单元组合52，顾名思义变频单元与切换单元组合52包括变频单元521与切换单元522，本实施例中谐振单元为51为LC谐振单元，所述驱动模块5还包括与功率元件4连接的驱动电路53，本实施例中驱动电路53为全桥驱动电路或半桥驱动电路。功率元件4还可以智能功率模块等。功率元件4即本实施例中的IGBT可以为一个，此时为常规单管控制系统，也可以为半桥控制系统(如图3)，此时IGBT的个数为两个，当然相应的驱动电路53也为两个。当然，也可以为全桥控制系统(如图4)，此时IGBT为四个，对应的驱动电路53也为四个。所述驱动模块5包括谐振单元51，本实施例中谐振单元51为LC谐振单元包括电感L通常情况下为电磁线圈，还包括谐振电容，通常情况下LC谐振单元的谐振电感与谐振电容串联，本方案中驱动模块还包括变频单元及切换单元组合52，顾名思义变频单元及切换单元组合52包括变频单元521及切换单元522的组合，所述切换单元522切换变频单元521与LC谐振单元组合关系以改变驱动模块5的谐振频率适应不同材质锅具进行加热。比如，如图5当切换单元S522闭合时，此时变频单元521(此时为单独电容)未接入工作电路，此时的驱动模块包括LC谐振单元，此时可以实现对铁质或不锈钢锅具的加热，当切换单元S522断开时，此时变频单元521接入工作电路，此时的驱动模块包括LC谐振单元与变频单元521，变频单元521的接入，增加了谐振模块的谐振频率，此时可以达到铝锅锅具或其它材质锅具的谐振范围，实现对铝锅材质的加热或其他需要高频谐振的材质锅具加热，当然也可以通过降低谐振频率实现需要低频谐振的材质锅具加热。由电磁加热系统的谐振频率公式频率为：可知，降低谐振模块的谐振电容或谐振电感或两者都降低，则升高系统的谐振频率，反之增加谐振电容或谐振电感或两者都增加则升高系统的谐振频率。通常情况下，由物理学基本定律常识可知，并联方式量值降低，串联方式量值则增加。本实施例中所述变频单元可以包括一个谐振电容或多个谐振电容组合电路，多个谐振电容连接方式可以为串联、并联及串并联组合。
所述电磁加热控制系统还包括锅具类型检测模块(图中未标出)，所述锅具类型检测模块检测锅具的材质类型并将对应的信号传输控制器，控制器获取信号后通过控制所述切换单元522的通断状态，进而改变变频单元521与LC谐振单元的组合关系，实现与锅具所要求的谐振参数相匹配的谐振模块，以启动相应的谐振频率对锅具进行加热。
所述切换单元522包括与变频单元521串联或并联连接的可控电子开关器件，所述可控电子开关器件为继电器或交流接触器或半导体开关。切换可控电子开关器件通断状态以改变变频单元522与LC谐振单元组合关系，进而改变谐振模块的谐振频率。本实施例中可控电子开关器件为继电器，通过控制器对继电器的控制可以实现继电器的通断控制，进而改变变频单元521与LC谐振单元组合关系，进而改变谐振模块的谐振频率。
为了增强系统的整体性能，本方案所述电磁加热控制系统还包括升压PFC模块6，所述升压PFC模块6输入端连接整流模块输出端，升压PFC模块6输出端连接谐振模块输入端。比如，高频频率提升电压，低频频率加热相对降低电压，使用PFC电路有以下效果或好处：
其一：传统的从220V交流电网通过非控整流获取直流电压的方法使得输入电流波形发生严重畸变，含有大量的谐波成分。不仅辐射干扰严重，而且电路的功率因数通常仅能达到0.5～0.7左右；加入升压PFC模块6可以实现功率因数的校正使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波且和电压波形同相位。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时的PF值为1。
其二：升压PFC模块6还可以具有提升谐振模块电压并使其稳定的作用，可以通过PFC升压技术为谐振模块提供310Vdc～450Vdc的稳定电源，当锅具匹配关系发生变化后，系统的谐振频率发生变化，此时PFC模块为驱动模块稳定电压输入，可以有效的降低系统的电流值，这样系统更加安全可靠。
具体的控制系统的工作流程为，当然此流程不分先后顺序，当系统上电后，电源经过变压器对电源进行变压处理，可能还要经过EMC滤波模块，滤波可以为模块或单独的滤波元器件，后经过整流桥堆的整流对电源信号进行整流处理后进入升压PFC模块6，升压PFC模块6一方面实现电路的功率因数的校正，同时使得输入谐振模块的电压保持稳定，同时具有升压稳压作用，使得后续电压稳定在适合电路的较高值，如此，在整个系统功率一定的情况下，由P＝IU可知，电压升高后，系统电路的电流会降低，电流降低提升电路的整体稳定性，也进一步保护了元器件。在此之前锅具类型检测模块对锅具的材质进行了检测反馈到控制器，控制器根据锅具类型可以启动与锅具相匹配的谐振频率，然后驱动相应的逆变电路，开通IGBT实现对锅具的加热。本系统中适应铁锅(不锈钢锅具)感应加热的谐振频率范围为15KHz～50KHz之间，最优频率范围为20KHz～30KHz之间；适应铝锅感应加热的谐振频率范围为50KHz～100KHz之间，最优频率范围为50KHz～80KHz。该谐振频率可以根据线盘的电感量(根据感应面积、能效、功率参数)进行设计与调试。
如图10，为利用本实施例实验测试图，所用锅具为铝锅锅具，采用全桥控制系统，加热1000W利用示波器测试捕获波形。(其中表笔1(波形1)为ARM的IGBT驱动引脚波形，表笔2(波形2)为下桥臂b、e两端波形，表笔3(波形3)其中一个谐振电容两端的谐振电压，表笔4(波形4)为线盘电流波形)从图中明显可以看到表笔3谐振电容两端的谐振电压及表笔4线盘电流的弦形函数，图中可以看出线盘电流幅值为38A，由此该方案系统可实现了对铝锅锅具进行加热。
具体实施例二：
如图6所示，本实施例中，采用改变电感量实现谐振频率的控制，由以谐振频率的决定公式可知改变谐振模块的谐振电感也可以实现谐振频率的改变，所以本方案采用单独改变电感方式去实现谐振模块频率的改变，所述变频单元可以包括一个谐振电感或多个谐振电感组合电路，多个谐振电感连接方式可以为串联、并联及串并联组合。
具体实施三：
如图7所示，本实施例中，采用改变谐振电容与电感量共同实现谐振频率的控制，此时谐振电感与谐振电容采用串联后与可控电子开关器件S并联，所述变频单元也可以包括一个谐振电容与一个谐振电感的组合电路，也可以为多个谐振电容与多个谐振电感的组合电路，连接方式可以为并联。
具体实施例四：
如图8所示，本实施例与具体实施例三的不同在于谐振电感与谐振电容采用串联后与可控电子开关器件S并联，所述变频单元也可以包括一个谐振电容与一个谐振电感的组合电路，也可以为多个谐振电容与多个谐振电感的串联组合电路。
具体实施五：
当然，如图9所示，谐振电感与谐振电容的组合连接方式有很多比如电感与电容并联后再与另外的单独一个电容或电感串联，或者两个电感与电容并联后再相互串联，再有，本实施方案多写到可控电子开关器件S与变频单元并联的情况，当然也可以为满足设计的串联连接，在此不再赘述。
本方案可以有效解决目前现有技术的不足，提出一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，可以针对不同材质锅具(包括铁锅、铝锅)进行加热，电磁加热控制系统包括控制器、滤波模块、整流模块、功率器件及与功率器件连接的驱动模块，所述驱动模块包括LC谐振单元、变频单元及切换单元，所述变频单元可以为谐振电容或谐振电容组合电路也可以为谐振电感或谐振电感组合电路当然也可以为谐振电容与谐振电感的组合电路。所述切换单元包括与变频单元串联或并联连接的可控电子开关器件，切换可控电子开关器件通断状态以改变变频单元与LC谐振单元组合关系，进而改变谐振模块的谐振频率。同时本方案的锅具检测模块可以为后续谐振模块的选择提供信号选择，实现整个系统的完善设计，本方案设置变频单元及切换单元可以针对不同材质锅具实现谐振模块谐振频率的选择进而满足不同材质锅具谐振频率范围实现加热。
本方案电磁加热控制系统还包括升压PFC模块，所述升压PFC模块输入端连接整流模块输出端，升压PFC模块输出端连接谐振模块输入端。PFC电路的应用，使输出给谐振系统的电压非常稳定，不受用户用电电网电压波动的影响；PFC电路在谐振系统中的应用，使整个系统的能效得到有效的提高；同时，可以实现功率因数校正技术，就是使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波且和电压波形同相位。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时的PF值为1，这样系统更加安全可靠。
本方案电磁加热控制系统可以应用于桥式加热控制系统，所述驱动模块还包括与功率器件(IGBT)连接的全桥驱动电路或半桥驱动电路。桥式驱动电路，(包括半桥和全桥电路)能有效解决普通单管感应加热中的大功率加热温升问题以及小功率连续加热的问题。
Claims (10)
1.一种适应不同材质锅具加热的电磁加热控制系统，包括控制器、滤波模块、整流模块、功率元件及与功率元件连接的驱动模块，其特征在于：所述驱动模块包括谐振单元、变频单元及切换单元，所述切换单元切换变频单元与谐振单元组合关系以改变电磁加热控制系统的谐振频率适应不同材质锅具进行加热。
2.如权利要求1所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述变频单元包括谐振电容或谐振电容组合电路。
3.如权利要求1所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述变频单元包括谐振电感或谐振电感组合电路。
4.如权利要求1所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述变频单元包括谐振电容与谐振电感的组合电路。
5.如权利要求1所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述切换单元包括与变频单元串联或并联连接的可控电子开关器件，切换可控电子开关器件通断状态以改变变频单元与谐振单元组合关系，进而改变电磁加热控制系统的谐振频率。
6.如权利要求5所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述可控电子开关器件为继电器或交流接触器或半导体开关。
7.如权利要求1～6之一所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述电磁加热控制系统还包括适应电磁加热控制系统谐振频率变化的升压PFC模块，所述升压PFC模块输入端连接整流模块输出端，升压PFC模块输出端连接驱动模块输入端，以将整流模块输出的电压稳定后输入到驱动模块。
8.如权利要求7所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述升压PFC模块输出的电压为310V～450V。
9.如权利要求1～6之一所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述驱动模块还包括与功率元件连接的全桥驱动电路或所述驱动模块还包括与功率元件连接的半桥驱动电路。
10.如权利要求1～6之一所述的电磁加热控制系统，其特征在于：所述电磁加热控制系统还包括锅具类型检测模块，所述锅具类型检测模块检测锅具的材质类型并将对应的信号传输控制器，控制器获取信号后控制所述切换单元的通断状态，以启动相应的谐振频率对锅具进行加热。
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