微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書

1、微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)說明書第一章 前言1.1 項(xiàng)目背景微波爐作為一種新型的廚具。它采用電磁感應(yīng)電流（又稱渦流）的加熱原理打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，微波爐的交變磁場(chǎng)是通過電子線路板組成部分來產(chǎn)生、當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線的交變的電流（即渦流）在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生，電磁感應(yīng)電流使鍋具鐵分子無規(guī)則高速運(yùn)動(dòng)，其熱能是因?yàn)榉肿酉嗷ヅ鲎病⒛Σ廉a(chǎn)生（故微波爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是微波爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱效率要比所有飲具的效率均高出近1倍）來實(shí)現(xiàn)器具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目地。1.2微波爐簡(jiǎn)介1.2.1微波爐的基本工作原理微波爐主要

2、由交流進(jìn)線電路、電源電路、LC振蕩電路、功率控制電路、整流電路、EMC防護(hù)電路、濾波電路、同步電路、控制及顯示電路、電壓檢測(cè)電路、鍋具檢測(cè)電路、過零檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、主控CPU電路、高低壓保護(hù)電路、IGBT模塊等組成。圖1.1為微波爐的工作原理框圖 圖1.1微波爐的工作原理框圖1.2.2微波爐的基本組成 1.加熱部分：微波爐有擱板在鍋體下面，也有勵(lì)磁線圈。對(duì)鍋體進(jìn)行加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦電流。    2.控制部分：主要有電源開關(guān)，功率選擇鈕，溫度調(diào)節(jié)按鈕等。由內(nèi)部的控制電路來控制。    3.冷卻部分：采用風(fēng)冷的方式。爐身的側(cè)面有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，

3、內(nèi)部有風(fēng)扇。    4.電氣部分：由整流電路、逆變電路、控制回路、繼電器、電風(fēng)扇等組成。    5.烹飪部分：主要包括各種炊具，供用戶使用。1.2.3微波爐的優(yōu)缺點(diǎn)微波爐作為一種新型的廚具，具有以下優(yōu)點(diǎn)。1.高效節(jié)能：微波爐降低了損耗，是因?yàn)槠涫瑰伨咦陨戆l(fā)熱，大大提高了熱效率，熱效率可達(dá)到85%99%，與傳統(tǒng)加熱方式不同，與電爐、液化氣爐等爐具相比，節(jié)省了大量的能源。如圖1.2所示2.智能烹飪：智能控制是利用單片機(jī)進(jìn)行，無須看管，具有定時(shí)預(yù)約功能，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)烹飪的功能。3.安全可靠：通過了國家安全驗(yàn)證，使用安全可靠。4.環(huán)保衛(wèi)生：鍋具可實(shí)現(xiàn)自身發(fā)熱，不會(huì)

4、產(chǎn)生熱輻射，并且不排放煙塵和一氧化碳等廢氣，使烹飪環(huán)境更加環(huán)保衛(wèi)生。5攜帶方便：重量輕、體積小，便于攜帶。但微波爐不僅會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾在其工作時(shí)，而且其散熱系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。 圖1.2 微波爐等廚具的熱效率對(duì)比示意圖1.3本章小結(jié)本章主要對(duì)微波爐就行簡(jiǎn)要介紹，微波爐作為市場(chǎng)的一種新型廚具。它采用電磁感應(yīng)電流（又稱渦流）的加熱原理打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，又簡(jiǎn)單介紹了微波爐的基本工作原理框圖、微波爐的基本組成以及通過各種廚具的比較來簡(jiǎn)單介紹微波爐的優(yōu)缺點(diǎn)。第二章微波爐的加熱原理2.1微波爐加熱的基本工作原理微波爐采用電磁場(chǎng)感應(yīng)渦流加熱原理工作。它先通過整流濾波把220V工頻交流電變成直

5、流電，再通過逆變把直流電轉(zhuǎn)換成高頻交變電流，流過感應(yīng)線圈的交變電流產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生無數(shù)小渦流在磁場(chǎng)內(nèi)磁力線通過鐵質(zhì)鍋的底部時(shí)，電磁感應(yīng)使鍋具鐵分子無規(guī)則高速運(yùn)動(dòng)，由于分子的相互碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，而使鍋具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物。微波爐的加熱工作原理如圖2.1圖2.1 微波爐的加熱工作原理2.2電磁感應(yīng)加熱的技術(shù)現(xiàn)階段普遍為電熱圈發(fā)熱，把熱量傳到料筒上利用傳導(dǎo)的方式，這樣只能使內(nèi)側(cè)的熱量傳導(dǎo)到料筒上，存在熱傳導(dǎo)損失，大部分外側(cè)的熱量失散到空氣中，導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，它還有一個(gè)缺點(diǎn)功率密度低，無法適應(yīng)一些需要溫度較高的場(chǎng)合。電磁加熱技術(shù)是使金屬料筒實(shí)現(xiàn)自身發(fā)熱，根據(jù)其具體情況在

6、料筒外部包裹一定的隔熱保溫材料，這樣可以大大降低熱量的損失，提高熱效率，使熱效率達(dá)96%以上，因此節(jié)電效果十分顯著，其可達(dá)30%以上，并且其加熱速度也大大提高，大約為60%，其預(yù)熱時(shí)間大大節(jié)省。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)被稱為誘導(dǎo)加熱技術(shù)，它的英文為：Induction Heating，其縮寫為：IH。它是一種新開發(fā)的電能利用手段，它的加熱過程是通過電磁場(chǎng)直接作用于被加熱的導(dǎo)體，其加熱效率比傳統(tǒng)的加熱方式要高很多，可達(dá)到90%以上。另外在使用壽命、安全性能等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是根據(jù)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的油、氣、煤和使用電熱管的用電設(shè)備相比而言的。在導(dǎo)體外面繞一線圈，設(shè)其匝數(shù)設(shè)為,當(dāng)在交變電流通入線

7、圈中后，就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通ø通過感應(yīng)線圈中，以及在金屬工件中就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e產(chǎn)生。如圖2.2所示 圖2.2電磁感應(yīng)示意圖設(shè)金屬工件的等效匝數(shù)為，故MAXWELL的電磁方程式為： （2-1）設(shè)交變磁通為，則 （2-2）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為： （2-3）此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在工件中使工件內(nèi)部加熱是感應(yīng)渦流的產(chǎn)生I，其焦耳熱為： （2-4）其中：I感應(yīng)電流的有效值，單位為A；Q感應(yīng)電流通過電阻產(chǎn)生的熱量，單位為J； t工件通電的時(shí)間，單位為S ；R工件的等效電阻，單位為。由公式（2-3）和（2-4）可以看出，e及P與交變磁通的頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，在感應(yīng)線圈中通過的電流越大，其產(chǎn)生的感應(yīng)磁

8、通量就越大，故為使金屬工件中的感應(yīng)渦流加大可以通過提高感應(yīng)線圈中的電流值來實(shí)現(xiàn)；另外為使工件中的感應(yīng)電流加大可以在一定條件下通過來提高工作頻率來實(shí)現(xiàn)，從而可以使工件的發(fā)熱效果得到提高。由此可以看出電磁感應(yīng)加熱的發(fā)熱效率不僅與頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度，金屬工件大小，截面積的形狀有關(guān)，而且還與工件本身的導(dǎo)電等特性有關(guān)。電磁感應(yīng)加熱的過程是，首先把電能轉(zhuǎn)化成磁能通過感應(yīng)線圈來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生同頻率交變的電動(dòng)勢(shì)E，交變電動(dòng)勢(shì)E作用于金屬工件后，形成閉合回路。在工件中產(chǎn)生電流，從而把磁能轉(zhuǎn)換成電能。然而渦流可能很大因?yàn)閴K狀金屬的電阻一般較小，所以在金屬內(nèi)流動(dòng)時(shí)就會(huì)釋放出大量的熱能。這樣，又可以實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化成金屬工件的內(nèi)

9、能，從而達(dá)到加熱的目的。在電磁感應(yīng)加熱過程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2.3所示：電能磁能電能內(nèi)能電流磁效應(yīng)感應(yīng)電流電流熱效應(yīng)圖2.3 感應(yīng)加熱能量轉(zhuǎn)化圖2.3 串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變器的負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)高頻感應(yīng)加熱電源的負(fù)載都是功率因素很低的感性負(fù)載，可以等效成一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)的形式。等效的電感、電阻其值受耦合程度的影響，它是感應(yīng)器和負(fù)載耦合的結(jié)果。一般采用增加補(bǔ)償電容的方法來提高功率因數(shù)，主要有兩種方式：一種是并聯(lián)補(bǔ)償，另一種是串聯(lián)補(bǔ)償，從來形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)諧振電路和串聯(lián)諧振電路。感應(yīng)加熱電源一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，這樣可以提高效率和保證逆變器的安全運(yùn)行。串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振

10、電路的特性見表2-1。表2-1串并聯(lián)諧振電路特性比較類別CLR+-串聯(lián)諧振CLR并聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻抗頻率特性ZfZf諧振阻抗Z=RZ=L/RC諧振類型電壓諧振電流諧振從表2-1可以看出，串聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻，并達(dá)到最小值，串聯(lián)諧振電路采用電壓源供電，從而獲得最大的電源輸出功率。并聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗達(dá)到最大值，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，從而獲得最大的電源輸出功率。為了滿足MOSFET，IGBT等器件的要求，串聯(lián)諧振逆變器中在換流時(shí)要反并聯(lián)二極管，其中續(xù)流的電流為正弦波，所以開關(guān)器件承受的反壓是非常低的是反并聯(lián)二極管的正向?qū)▔航?。同時(shí)串聯(lián)諧振逆變器不僅可以自

11、激工作，也可以他激工作，并且起動(dòng)比較簡(jiǎn)單。串聯(lián)諧振逆變器采用大電容濾波，當(dāng)發(fā)生上、下橋臂短路故障時(shí)，由于電容電壓不能突變，因此瞬時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的放電電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率器件的額定電流，如果不能在允許的短路時(shí)間內(nèi)將器件關(guān)斷，就將會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。串聯(lián)諧振逆變電器對(duì)補(bǔ)償電容耐壓的要求比較高，因而必須采取相應(yīng)的措施來降低補(bǔ)償電容上的電壓。并聯(lián)諧振逆變器采用大電感進(jìn)行濾波，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，由于電感電流不會(huì)突變，因此電流上升率就將會(huì)得到抑制，不易損壞功率器件，保護(hù)起來比較容易。由于其負(fù)載電路的電容、電感本身構(gòu)成振蕩回路，因此運(yùn)行較為可靠，并且對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)。該電路對(duì)補(bǔ)償電容耐壓的要求只要達(dá)到負(fù)

12、載兩端正弦電壓的峰值即可。在換流期間，用于高頻感應(yīng)加熱電源的自關(guān)斷器件IGBT，所承受反壓的能力低，而逆變開關(guān)器件有可能承受反壓。如果在電路中為進(jìn)行保護(hù)而采用反并聯(lián)二極管，則會(huì)出現(xiàn)環(huán)流從而損壞器件。因此，每一橋臂必須串入快速恢復(fù)整流二極管，并且其串入的整流二極管與開關(guān)器件相同等級(jí)的以承受反向電壓。但是，并聯(lián)諧振逆變器起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，起動(dòng)比較困難，需要對(duì)濾波大電感預(yù)充電，因而控制電路也相對(duì)比較復(fù)雜。并聯(lián)諧振逆變器采用大電感濾波，雖然帶來了短路保護(hù)比較容易的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來了體積也非常龐大的缺點(diǎn)，從而使整個(gè)裝置體積增大。綜合所述比較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到本項(xiàng)目中我們研究的電磁加熱環(huán)境，

13、我選擇并聯(lián)型逆變器作為微波爐電磁感應(yīng)加熱電源的逆變電源主電路。2.4感應(yīng)加熱電源的負(fù)載等效模型為了便于分析，將加熱負(fù)載上感應(yīng)電流的環(huán)行區(qū)域看作為一個(gè)單匝線圈且是閉合的，并且等效電阻為，等效電感為。這樣線盤線圈和等效線圈組成一個(gè)變壓器，其中為負(fù)載電阻，其大小取決于工件自身因素。將等效折算到加熱線盤回路中，設(shè)其等效電阻為，則感應(yīng)加熱的負(fù)載等效為阻感負(fù)載，如圖2.4所示。因?yàn)樨?fù)載呈感性，這樣會(huì)造成電路功率因數(shù)降低和無功損耗的增大，因此在實(shí)際應(yīng)用中矯正電路都要通過加功率因數(shù)，即為提高功率因數(shù)和降低無功損耗，在原電路的基礎(chǔ)上附加一個(gè)容性元件，從而使電路趨向于純電阻性。其中最常用的方法是將加熱線盤與矯正電

14、容并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)成諧振電路，并促使電路工作在諧振頻率附近，有兩方面的功能：一是提高功率因數(shù)，二是當(dāng)并聯(lián)諧振時(shí)通過線盤的電流最大或當(dāng)為串聯(lián)諧振時(shí)線盤兩端的電壓最高，因此在并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振一定的情況下，在負(fù)載的功率最大。圖2.4 感應(yīng)加熱負(fù)載等效電路R0RLL0LCCu+-u+-在實(shí)際應(yīng)用中，一般是直流電源通過高頻電子開關(guān)進(jìn)行間歇性的給諧振回路供電，只有在部分時(shí)間內(nèi)諧振電路處在諧振狀態(tài)，通常稱為準(zhǔn)諧振狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)中采用的并聯(lián)諧振逆變電路，下面來詳細(xì)簡(jiǎn)要介紹該并聯(lián)諧振逆變電路的工作過程。并聯(lián)諧振逆變電路可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)模型有以下3種情況：1. RL電路與直流電源接通的暫態(tài)過程開關(guān)接通前電流為零，

15、開關(guān)接通后電流逐漸增大。如圖2.5所示，設(shè)開關(guān)接通的時(shí)刻選作，取圖示所示為參考方向，則根據(jù)基爾霍夫第二定律有 （2-7） 即： (2-8)在符合初始條件情況下，解此方程里的特解為 (2-9)則在電感中時(shí)刻的電流為 (2-10)ti(t)t1I0(a) 電路RLUuRuL圖2.5 RL電路與直流電源的接通i(b) 暫態(tài)電流小大其中，并稱其為RL電路中的時(shí)間常數(shù)，并且當(dāng)時(shí)，i達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值的63%。故可以得出越大，電流增加的就會(huì)越慢。2. 已通電RL電路對(duì)電源放電的暫態(tài)過程如圖2.6已通電RL電路對(duì)電源放電所示，將開關(guān)先擲向1，當(dāng)L中電流充到I時(shí)將其擲向2，則電路將經(jīng)歷一個(gè)放電過程，并且初始電流為I

16、。在實(shí)際電路中，通常在IGBT的C、E兩端反向并聯(lián)一只續(xù)流二極管，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通，保護(hù)開關(guān)管IGBT。假如將此個(gè)二極管看成理想二極管，則當(dāng)，即時(shí)，電容兩端電壓第一次恢復(fù)初始電壓值。并且在此之后，二極管開始續(xù)流導(dǎo)通，電路變?yōu)殡姼型ㄟ^二極管給電源充電，退出自由諧振狀態(tài)，同時(shí)釋放能量。該狀態(tài)將持續(xù)到電流變?yōu)榱?，電感中的能量全部釋放完為止。根?jù)，可得出該過程中初始條件為 （2-10)取如圖中所示方向?yàn)閰⒖挤较?，則按基爾霍夫第二定律得： （2-11）即： （2-12）在符合初始條件的條件下解方程得的特解為 （i 0） (2-12)當(dāng)時(shí)，由此可以看出，其暫態(tài)過程比已充電LR電路短接時(shí)的暫態(tài)過程放電速度

17、更加的快。當(dāng)i=0時(shí)， ，若，則；若，則；若，則。圖2.6(b)所示為時(shí)的曲線。(b) 暫態(tài)電流ti(t)-I0(a) 電路圖2.6 已通電RL電路對(duì)電源放電RLU1uRuLiU123已充電RLC電路的短接的暫態(tài)過程圖2.7 已通電RLC電路的短接RuRuLiCuCL 保證零電壓開通時(shí)，不同ton下的觸發(fā)頻率測(cè)試電路如圖2.7所示，取圖示中的方向?yàn)閰⒖挤较?，電容被充至電?U，則 (2-13)又根據(jù)，因此 (2-14)其特征方程為 ，特征根為 ，其中， ，下面分三種情況進(jìn)行討論(1) ，即，這時(shí)p1及p2為實(shí)數(shù)，由初始條件：，可得滿足初始條件的特解為 （2-15）此時(shí)為過阻尼振蕩。其中振蕩曲線

18、如圖2.8所示。(2) ，即，可得在滿足初始條件的情況下特解為 （2-16）此時(shí)為臨界阻尼振蕩。其中振蕩曲線如圖2.8所示。-uC(t) t 0 -U 臨界阻尼振蕩 過阻尼振蕩圖2.8 過阻尼和臨界阻尼振蕩曲線（3），即，此時(shí)p1及p2為復(fù)數(shù)，其中，根據(jù)初始條件：，可得出特解為 (2-17) (2-18)其中， 這就是阻尼振蕩。其振蕩曲線如圖2.9所示。由式（2-17）及圖2.9可得，在振蕩電壓中的第一個(gè)峰值（正峰值）出現(xiàn)在，即時(shí)刻 (2-19)此時(shí)，一種情況為，因?yàn)?增大使得減小，從而使增大。另一種情況為，因?yàn)槌霈F(xiàn)了衰減因子，又使得出現(xiàn)減小的情況，由此可得其最終值是由兩個(gè)方面的因素共同來決定

19、的。 tuC(t)，iC(t)圖2.9 阻尼振蕩的電壓和電流曲線 0 uC(t)iC(t) -U由式（2-18）及圖2.9可得當(dāng)時(shí)，在諧振電流心思時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值（正峰值），即當(dāng)時(shí)， (2-20)當(dāng)時(shí)，諧振電流在時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值，即當(dāng)時(shí) (2-21)此時(shí)也可以分為兩種情況，一是，因?yàn)樵龃蠖箿p小，從而使得增大。另一情況是，因?yàn)槌霈F(xiàn)了衰減因子，又使減小，故可以得出其最終值是由兩個(gè)方面的因素共同來決定的。綜上所述，電路產(chǎn)生阻尼振蕩的特點(diǎn)為：(1) 阻尼振蕩頻率為 ，即當(dāng)為帶負(fù)載時(shí)，諧振頻率降低。(2) 電流的幅度和諧振電壓均均是取決于儲(chǔ)能時(shí)間t1，由上面所述可以得出儲(chǔ)能的時(shí)間越長(zhǎng)其幅度也就越大。(

20、3) 諧振電流的相位與諧振電壓相比超前。當(dāng)空載時(shí)，在理想的情況下，即R0，電路就會(huì)產(chǎn)生自由振蕩，此時(shí)，所以，在振蕩電壓的峰值為： (2-22)由此可以看出，。振蕩電壓在時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值，即當(dāng)時(shí)，其振蕩電流的峰值為 (2-23)故由此可以得出，。振蕩電流在時(shí)出現(xiàn)的第一個(gè)峰值，此峰值為正峰值，即當(dāng)時(shí)綜上所述可以得出，在R=0時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生自由振蕩，假如回路參數(shù)和電源電壓也能確定，則(1) 自由振蕩頻率為： (2) 諧振電壓和電流的幅度均是取決于儲(chǔ)能的時(shí)間t1，由此可以看出儲(chǔ)能的時(shí)間越長(zhǎng)其幅度也就越大。(3) 諧振電流的相位與諧振電壓相比超前。2.5 本章小結(jié) 首先介紹了微波爐的基本工作原理，然后

21、介紹了電磁感應(yīng)加熱的基本原理，描述了感應(yīng)加熱能量轉(zhuǎn)化的過程。然后分析了串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求采用并聯(lián)型逆變器，最后詳細(xì)分析了并聯(lián)型逆變器不同工作過程的等效模型。圖3.1 電磁爐主電路 圖3.2 電磁爐主電路等效電路第三章 微波爐主電路設(shè)計(jì)3.1 微波爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微波爐的主電路如圖3.1所示，經(jīng)橋式整流器的市電變換為直流電，再經(jīng)電壓諧振逆變電路轉(zhuǎn)換成2030kHz頻率的交流電。電壓諧振逆變電路的變換器是零電壓型（ZVS）變換器且是低開關(guān)損耗，通過驅(qū)動(dòng)電路完成，由單片機(jī)來控制功率開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作。微波爐的負(fù)載鍋具與加熱線圈盤可以看為一個(gè)空心變壓器，在次級(jí)負(fù)載中會(huì)

22、產(chǎn)生具有等效的電阻和電感，然后再將次級(jí)的負(fù)載電阻和電感轉(zhuǎn)換到初級(jí)，從而就可以得到圖3.2所示的效電路。其中R*是由次級(jí)電阻反射到初級(jí)的等效的負(fù)載電阻；L*是次級(jí)電感反射到初級(jí)并且與初級(jí)的電感L相疊加后的等效電感。3.2 微波爐主電路的工作過程微波爐主電路的工作過程可以大體分成3個(gè)階段且各階段的等效電路圖如圖3.3所示 （a）t0，t1 階段（b） t1，t1a 階段（c）t1a，t2 階段 （d）t2，t3 階段圖3.3 微波爐主電路的工作過程電磁感應(yīng)加熱電源是以電力電子器件為核心的主電路并且通過配合特定的負(fù)載來構(gòu)成，它主要由3部分組成：主電源電路、逆變電路和負(fù)載。各部分電路均可以有不同的選擇

23、方案來達(dá)到配合不同的功率要求和應(yīng)用場(chǎng)合。主電源電路通過工頻交流電整流獲得為逆變電路提供直流電源。根據(jù)不同的要求可以選擇不同的結(jié)構(gòu)，可分為三相或單相、半波或全波、不控或可控整流。在中小功率電路中一般選用經(jīng)LC濾波后獲得的單相橋式不控整流電路。諧振式逆變電路是以電力電子器件為核心，將主電源提供的直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，從而來達(dá)到供負(fù)載來利用，常見逆變電路有三種：零式逆變、半橋逆變和橋式逆變。在電磁感應(yīng)加熱電源中的負(fù)載通常由兩部分組成，即加熱線圈和補(bǔ)償電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路。在實(shí)際的電路中，在一個(gè)工作周期的部分時(shí)間內(nèi)處LC諧振回路大體處在諧振狀態(tài)，即準(zhǔn)諧振狀態(tài)。下面通過以并聯(lián)型諧振式逆變電路為例來簡(jiǎn)

24、單介紹逆變電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理。并聯(lián)型諧振逆變電路如圖3.4所示，開關(guān)三極管為IGBT，加熱線圈的等效電感L，等效損耗電阻R，諧振電容C，續(xù)流二極管D。在加熱的過程中，IGBT的柵極加周期性的矩形脈沖，電路中的電壓、電流變化如圖3.6所示。圖3.4 單極管零式逆變電路逆變電路的詳細(xì)工作過程如下：3.2.1 主開關(guān)導(dǎo)通階段根據(jù)主開關(guān)零電壓開通的特點(diǎn)，當(dāng)在t0時(shí)刻時(shí)，在通過主開關(guān)上的電壓uce=0，因此通過Cr上的電壓uc=uceUdc=Udc。當(dāng)其主開關(guān)開通后，在R*及L*支路和Cr兩端加電源電壓Udc，如圖3.3（a）所示。又因?yàn)镃r上的電壓是Udc，因此電流僅從R*及L*支路流過在C

25、r中的電流為0。并且可以看出流過IGBT的電流is與流過L*的電流iL相等。由圖3.3（a）得式（3-1）。 （3-1）在初始條件的情況下，解得 （3-2）式中：，它為時(shí)間常數(shù)綜上所述，iL是隨著指數(shù)規(guī)律來單調(diào)增加。流過L*而儲(chǔ)存了能量，流過R*形成了功率輸出。當(dāng)?shù)竭_(dá)t1時(shí)，IGBT關(guān)斷，從而使iL達(dá)到理論的最大值Im。這時(shí)，uc=Udc，uce=0。iL轉(zhuǎn)換方向開始向Cr流入，但是Cr兩端的電壓不能突然發(fā)生變化，故IGBT是一個(gè)零電壓關(guān)斷。3.2.2 諧振階段當(dāng)諧振在t1時(shí)刻，IGBT關(guān)斷并且觸發(fā)脈沖變?yōu)榈碗娖?，切斷了直流電源供電回路。t1時(shí)刻后LC振蕩回路處在自由諧振狀態(tài)，且電路的初始條件

26、為：，等效電路如圖2.7所示。滿足的阻尼振蕩條件的可以使電路正常工作。此時(shí)回路電壓、電流的變化規(guī)律如圖3.5所示。回路諧振狀態(tài)持續(xù)到t2時(shí)刻，此時(shí)的。IGBT關(guān)斷之后，L和Cr在R上消耗能量同時(shí)相互交換能量而發(fā)生諧振，來生成功率輸出。且其等效電路如圖3.3（b）及圖3.3（c）所示，我們可以分為兩個(gè)階段來討論。且波形如圖3.5中的iL和uc。由圖3.3(b)、圖3.3(c)可以得出的等效電路可得到式（3-3）方程組：  （3-3）又根據(jù)其初始條件iL(t1)=Im，uc(t1)=Udc，解出微分方程組式（3-3）并根據(jù)其初始條件，可得： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）

27、IGBT上的電壓： （3-8）式中：衰減系數(shù)：=R*/2L*；微波爐諧振頻率 衰減震蕩叫頻率電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角；是僅由電路參數(shù)決定的iL與 uc相比而言滯后的相位角。綜上所述，當(dāng)IGBT在關(guān)斷之后，uc和iL顯示了衰減的正弦振蕩， Udc與uc的疊加生成uce，它是以Udc為軸心的衰減正弦振蕩來顯示，且其第一個(gè)正峰值是加在IGBT上的最高電壓。第一是L*釋放能量，Cr吸收能量，iL正向流動(dòng)，并且部分能量消耗在R*上。在t1a時(shí)刻，（tt1a）=，iL=0，L*的能量將會(huì)釋放完畢，此時(shí)uc將會(huì)達(dá)到理論的最大值Ucm，因此，通過IGBT上的電壓也將達(dá)到理論的最大值uce=UcmU

28、dc。這時(shí)Cr開始進(jìn)行放電，L*是吸收能量，Cr當(dāng)(tt1)=時(shí)，uc=0的能量釋放完畢，L*開始釋放能量，一部分消耗在R*上，一部分向Cr充電，使uc反向上升，如圖3-4所示。然后，Cr開始釋放能量，使iL反向流動(dòng)，可以分為兩部分：一消耗在R*上，二轉(zhuǎn)變成磁能。在uc接近0之前，(tt1)=2時(shí)，iL達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)(tt1)=時(shí)，uc=0，Cr的能量釋放完畢，轉(zhuǎn)由L*釋放能量，使iL繼續(xù)反向流動(dòng)，也可以分為兩部分：一消耗在R*上，二向Cr反向充電。由于Cr左端的電位被電源箝位于Udc，因此右端電位就會(huì)呈現(xiàn)下降。當(dāng)(tt1)=(t2t1)，即t=t2時(shí)，uc=Udc，uce=0，二極管開始

29、導(dǎo)通，從而使Cr左端電位不能再下降而箝位于0。因此uc不再變化，充電結(jié)束。但是，L*中還有剩余的能量，當(dāng)在t2時(shí)刻iL(t2)=I2。這時(shí)，在主控制器的控制下，主開關(guān)開始導(dǎo)通。它是零電壓開通。3續(xù)流階段(t2t3)由t1時(shí)刻開始持續(xù)到t2時(shí)刻的自由諧振狀態(tài)，又因?yàn)?，因此 IGBT的集射電壓。假如此時(shí)觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，則就可使IGBT零電壓軟開通完成一個(gè)觸發(fā)周期。假如此時(shí)無觸發(fā)脈沖，則在時(shí)刻t2之后續(xù)流二極管D導(dǎo)通續(xù)流。如圖2.6(a)所示此時(shí)電路等效為RL電路對(duì)直流電源的放電過程，開關(guān)由1擲向2之后的狀況。該過程的電流變化規(guī)律見圖2.6(b)所示的0t1段。到t3時(shí)刻電感中電流放電完畢，

30、續(xù)流過程結(jié)束。假如忽略續(xù)流二極管D的導(dǎo)通電壓，則在t2t3時(shí)間內(nèi)IGBT的集射電壓一直保持為零，若考慮續(xù)流二極管D的導(dǎo)通電壓，則在t2t3時(shí)間內(nèi)IGBT的集射電壓一直保持為一個(gè)很小的反壓，其大小為二極管D的導(dǎo)通電壓。正觸發(fā)脈沖可以在t2t3時(shí)間段的任意時(shí)刻給出，但I(xiàn)GBT的真正開通時(shí)刻都在二極管D續(xù)流結(jié)束時(shí)刻t3，來實(shí)現(xiàn)IGBT的的零電壓軟開通。這時(shí)IGBT的集射電壓是由負(fù)變正的過零時(shí)刻。t3時(shí)刻后，IGBT開始再次導(dǎo)通，新的周期開始。綜上所述(1)假如 IGBT的正觸發(fā)脈沖不在t2t3時(shí)到來，都會(huì)因IGBT的集射電壓大于零而產(chǎn)生較大的脈沖電流，可能對(duì)IGBT造成損害。(2)最佳的觸發(fā)時(shí)刻為t

31、3，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)IGBT的零電壓軟開通。如果觸發(fā)時(shí)間在t2t3時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的開通時(shí)間延遲，最大延遲時(shí)間為td= t3-t2。(3)脈沖頻率控制為理想的功率控制方式。其英文縮寫為PFM。在改變開通時(shí)間（脈沖寬度）的同時(shí)，也改變了開關(guān)周期T（T =Ton + Toff），理想的控制方式為脈沖頻率控制。（4）當(dāng)開通時(shí)間Ton= t1，它決定輸出功率的大小。關(guān)斷時(shí)間t2-t1Toff t3-t1。因?yàn)槎O管續(xù)流時(shí)間很短，所以Toff t2-t1， LC電路的自由諧振狀態(tài)的時(shí)間段為t1t2。因?yàn)楫?dāng)電源電壓確定且t2-t1由回路參數(shù)唯一確定，因此 toff基本由LC電路的參數(shù)唯一確定。當(dāng)改變開通時(shí)間T

32、on改變輸出功率的同時(shí)，保證關(guān)斷時(shí)間Toff基本不變，可以來實(shí)現(xiàn)零電壓軟開通。(5) 因Toff由LC回路參數(shù)確定，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比便不可能為1便可以實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)控制。在超音頻范圍，占空比的取值范圍在0.20.7之間。   假設(shè)定義主開關(guān)開通的時(shí)刻為t0 來研究一個(gè)工作周期的情況。其一個(gè)周期的時(shí)序波形如圖3.6所示。ttttttt1t2t3000000-UTonTToff圖3.6 單管零式逆變電路的電壓、電流波形t03.3本章小節(jié)本章主要介紹了微波爐主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后又介紹了微波爐主電路的工作過程，簡(jiǎn)單介紹并聯(lián)諧振逆變電路的工作過程，并以單管零式準(zhǔn)諧振逆變電路為例詳

33、細(xì)講述了逆變電路的三個(gè)階段：主開關(guān)導(dǎo)通階段、諧振階段、續(xù)流階段。并給出了單管零式逆變電路的電壓、電流的波形。第四章 微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)仿真4.1 微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)是Electronics Workbench(EWB)的升級(jí)版本。IIT公司早在公司20世紀(jì)80年代后期就推出了用于電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA軟件EWB。隨著技術(shù)的發(fā)展，EWB經(jīng)過了多個(gè)版本的演變，從6.0版本開始，IIT公司對(duì)EWB(Electronics Workbench)進(jìn)行了較大規(guī)模的改動(dòng)，仿真設(shè)計(jì)模塊被改名為微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)。微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)與其他電路仿真軟件相比，具有

34、下述特點(diǎn)：1系統(tǒng)集成度高、界面直觀、操作方便 微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)將原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析與結(jié)果的圖表顯示等全部集成到同一個(gè)電路窗口中。整個(gè)操作界面非常直觀，操作方法與實(shí)際儀器基本相同，因此該軟件易學(xué)易用。 2具有數(shù)字、模擬與數(shù)字/模擬混合電路的仿真能力 在電路窗口中，既可以對(duì)數(shù)字或模擬電路進(jìn)行仿真，也可以將數(shù)字元件和模擬元件連接在一起進(jìn)行仿真分析。3電路分析種類齊全 微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)除提供11種對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試的常用測(cè)試儀表外，還提供電路的直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析等15種常用的電路仿真分析方法4 . 提供多輸入/輸出接口 微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)可以輸入由Pspic

35、e等其他電路仿真軟件所創(chuàng)建的Spice網(wǎng)表文件，并自動(dòng)生成相應(yīng)的電路原理圖；也可以把EWB環(huán)境下創(chuàng)建的電路原理圖文件輸出給Protel等常見的PCB軟件進(jìn)行印刷電路設(shè)計(jì)。IIT也有自己的PCB軟件Electronics Workbench Layout，可使EWB電路圖文件更直接方便的轉(zhuǎn)換成PCB。因此，此軟件一推出就受到人們的喜愛。5. 使用靈活方便 在Mulsitim中，與現(xiàn)實(shí)元件對(duì)應(yīng)的元件模型豐富，增強(qiáng)了仿真電路的實(shí)用性。用戶還可以自行創(chuàng)建或修改所需元件模型。元件之間連接方式靈活，允許連接線任意走向，允許把子電路作為一個(gè)器件使用，從而增大了電路的仿真模型。4.2主電路的微波爐磁控管磁路仿真系統(tǒng)仿真主諧振電路仿真波形如圖4.2所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖4.1所示，試驗(yàn)參數(shù)為：L=144圖4.1觸發(fā)信號(hào)（上）與諧振電壓（下）實(shí)驗(yàn)波形H，C=0.27F。（a）觸發(fā)信號(hào)（b）諧振電壓圖4.2 觸發(fā)信號(hào)與諧振電壓仿真波形圖4.3為不同情況下的仿真波形。其中黑色波形是電容上電壓的變化規(guī)律，紅