電磁爐的設計 - 副本

1、 本科生課程設計（論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文）題目：1.5KW電磁爐電路初步設計院（系）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起止時間：2014-12-29至2015-1-9課程設計（論文）任務及評語院（系）： 教研室：電氣學 號學生姓名專業(yè)班級設計題目1.5kW電磁爐電路初步設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現(xiàn)功能先將交流電變成直流電，再將直流電變成20kHZ以上的交流電，驅動電磁線圈。產生高頻交變磁場，在鐵制的廚具底部產生磁滯損耗和渦流損耗，產生熱量而加熱食品。設計任務1、方案的經濟技術論證。2、整流電路設計。3、逆變

2、電路設計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、控制電路設計。6、繪制相關電路圖。7、完成設計說明書。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數1、輸入電壓單相170 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、具有過流保護。4、輸出最大功率：1500W。5、功率因數0.9。工作計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：輸入整流濾波電路設計；第5天：逆變電路設計；第6天：確定高頻變壓器變比及容量；第7天：控制電路設計；第8天：保護電路設計；第9天：進行matlab仿真、總結并撰寫說明書；第1

3、0天：答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字：總成績： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要 本文所研究的題目是初步設計1.5KW電磁爐的電路。在本次電磁爐設計中主要包括整流電路、逆變電路和驅動電路，整流采用單相橋式整流電路，逆變電路采用電壓型逆變電路，驅動采用光隔離，通過計算得到所需要的與元器件的具體參數和具體的電路圖等等。經計算和multisim仿真選擇了基本的元器件。將交流電經由變壓與整流電路，在控制電路的信號下變成直流電，再將直流電通過逆變電路變成高頻交流電，驅動電磁線圈。產生高頻交變磁場，在鐵制的廚具底部產生磁滯損耗和

4、渦流損耗，產生熱量而加熱食品。 關鍵詞：電磁爐；整流電路；逆變電路；驅動電路目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術概況11.2 本文設計內容2第2章 電磁爐電路設計32.1 電磁爐電路整體方案設計32.2 整流電路設計32.3過流保護電路的設計42.4 逆變電路的設計52.5驅動電路的設計5第3章 參數的計算與元器件的選擇73.1系統(tǒng)的整體電路圖設計73.2 變壓器的選擇73.3 二極管的選擇83.4 IGBT的選擇83.5 濾波電容的選擇9第4章 系統(tǒng)的仿真與調試104.1仿真軟件介紹104.2仿真波形10第5章 設計總結13參考文獻1415 第1章 緒論1.1 電力電子技術概況電力電子技

5、術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。它分為信息電子技術和電力電子技術兩大分支。電力電子技術中所變換的“電力”和“電力系統(tǒng)”所指的“電力”是有一定差別的。二者都指的是“電能”但后者更具體，特指電力網的“電力”，前者則更一般些。通常所用的電力有交流和直流兩種。從公用網絡和蓄電池、干電池中的得到的電力往往不能滿足要求，需要電力變換。電力變換通?？梢苑譃樗拇箢?，即交流變交流，直流變交流，直流變直流和交流變交流。依次可稱為整流，逆變，直流斬波與交流電力控制，變頻，變相。本設計中的整流電路，逆變電路就是其中兩項的簡單應用。電力電子技術的應用主要有以下幾個方面：一般工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)（高

6、壓直流輸電）、電子裝置電源家用電器、新型綠色能源等。電力電子技術的作用主要來說有：優(yōu)化電能使用，改造傳統(tǒng)產業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產業(yè)，電力電子技術高頻化和變頻技術的發(fā)展（變頻空調），電力電子智能化。這些作用具體可以表現(xiàn)在這些方面：可以取代非常大一部分一次性能源的使用，減緩了地球能源枯竭的壓力；其次精密的電子器件的應用亦使得我們的電力系統(tǒng)能夠高效的運作，將能源的耗費降到最低；推動信息與功率的結合，從而在工業(yè)設備、電網等地方進行改革，從而推動工業(yè)的進一步發(fā)展。電力以其不可比擬的優(yōu)越性，而為大家所廣泛利用。主要有三個方面的特點：它便于轉換、便于輸送、便于控制。便于轉換：任何的能源都能夠通過一定的方

7、式轉換成電能；便于輸送：高壓輸電減少耗能且易于分配，同樣還可以以電磁波等方式傳輸；便于控制：數控方式，能精確反應電能需要，從而合理地調配電源，控制穩(wěn)定。電路是對電力電子技術的重要基礎。電路具有以下幾個作用：實現(xiàn)能量轉換和傳輸，信號的傳遞和處理，測量和儲存信息。電路是有三部分組成：電源，中間環(huán)節(jié)（很多電路的構成都是在這個環(huán)節(jié)確定的）和負載。正弦交流電是現(xiàn)代電路輸電的主要代表。其電動勢隨時間呈正弦變化，包含電動勢最大值、角頻率和初相位三個要素。電路主要由三種元件構成，分別為電阻元件、電感元件和電容元件。電感元件中電流不會突變而電壓可以發(fā)生突變，且不消耗有功功率，與電源之間存在能量交換即具有儲能作用

8、（磁場能），應用于電磁爐等；電容元件由兩片金屬板組成來存儲電荷，使得電路中的電流可以發(fā)生突變并遏制電壓的突變，它具有“通交流，隔直流”的作用，同樣，電容不消耗功率，與電源之間存在著能量交換即具有儲能作用（電場能），應用于靜電噴霧等技術上。三相交流輸電成為了最廣泛的現(xiàn)代輸電方式，在于它省材料，性能好，效益高。另外在電能輸電方面高壓直流輸電與高壓交流輸電的對比中，我們又看到了原本被否認的直流輸電又比交流輸電有了更多的優(yōu)越性，不排除將來仍有走直流輸電的可能性。1.2 本文設計內容本文設計的電磁爐電路只是簡單的將電磁爐的工作原理表述出來，其電路包括單相橋式整流電路、電壓型逆變電路、采用光隔離的驅動電路

9、和簡單的直流保護電路。將交流電經過整流電路之后變成直流電，再經過逆變之后變?yōu)?0KHZ以上的交流電驅動電磁線圈產生交變電磁場，從而加熱鐵質鍋底產生熱量加熱食物。電磁爐又稱為電磁灶，它起源于德國。在西方發(fā)達國家，電磁爐的普及率達到了60%-70%。在我國，電磁爐也開始步入千家萬戶。電磁爐與其他廚房電器和傳統(tǒng)灶具相比，電磁爐除在加熱時間上稍遜于煤氣爐之外，無論在安全、節(jié)能、高效、簡便等方面都具有很大的優(yōu)越性，尤其在環(huán)保方面的有點更為突出。不會想電路那樣產生明火，不會造成視覺污染或者電路短路等問題；不會燃燒時產生廢氣，以及諸如液化氣泄露造成的中毒甚至是爆炸的安全隱患。同時磁爐方便收藏、易于清潔、體積

10、小巧，無論不是煎、炒、蒸、炸都不至于使室溫上升，在省電、省錢以及安全有保障的情況下將食物料理過程輕松完成。電磁爐是運用高頻電磁感應原理加熱。它將市電整流濾波后得到的脈動直流轉換成高頻電流，通過加熱人線圈建立高頻磁場，磁力線經線圈與鍋底構成的磁回路穿透灶面作用于鍋底，在鍋底形成渦流而發(fā)熱，起到加熱鍋中食物的作用。國外有許多的服務行業(yè)和家庭已習慣使用這類智能化程度高、環(huán)保、高效的微電腦電磁爐，而且產品的更新速度很快。對該產品的需求，國內的市場容量和潛力巨大，國際市場只要質量和技術檔次能跟上，出口前景同樣看好。在這樣的市場和需求背景下，我們開發(fā)出智能化、寬電壓范圍，具有各種保護功能的新型電磁爐更具有

11、現(xiàn)實意義和經濟意義。 第2章 電磁爐電路設計2.1 電磁爐電路整體方案設計方案討論：在電磁爐的整體主要電路中，包含整流電路和逆變電路、保護電路和驅動電路。整流電路有單相橋式可控電路和單相橋式不可控電路，由于此電磁爐功率小，結構簡單，可控能力較高所以選擇單相橋式不可控電路。由于交流側直接和負載連接，選擇無源逆變。在無源逆變中又有電壓型逆變電路和電源型逆變電路，經網絡上查選資料和查證，電壓型較電流型有一定的優(yōu)越性和方案可行性，所以選擇電壓型逆變電路。設計整體框圖如圖2.1： 過流保護 交流交流變壓器直流整流電路 高頻交流磁場直流濾波器逆變電路驅動電路圖2.1 電磁爐電路設計流程圖2.2 整流電路設

12、計整流電路的作用是將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，一般是由變壓器、整流電路和濾波器組合而成，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波器接在電路和負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。由于此部分結構簡單、工作可靠，其性能滿足實驗的需要，故采用單向橋式整流電路。電路圖如圖2.2。圖2.2 整流電路的設計2.3過流保護電路的設計采用普通熔絲的保護電路。電子保護電路具有高速斷流、恢復容易的特點，可應用于任何直流電路中作過流保護裝置。圖2. 3 過流保護電路當微動開關K接通時，單相晶閘管SCR導通，直流電路也導通，當用電量增大到超過規(guī)定的允許值時，檢測電阻R1上的電壓大于0.7V時，晶閘管BG導通，此時晶體

13、管集電極c和基極b間的電壓下降到低于3CT的維持電壓，3CT關斷，切斷供電電路。元件選擇：當電路兩端電壓100V時，BG可用2N222A，單向晶閘管SCR可用6A/400V。R1的阻值是根據電源所允許的電流確定的，即R1=0.7/I（I為電源允許電流）。若電流的耗電為5W，R2阻值為0.35的繞線電阻，允許通過的電流為2A。2.4 逆變電路的設計 圖2.4 逆變電路設計如圖2.4，本次設計采用電壓型逆變電路。電壓型逆變電路的直流側為電壓源或并有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出

14、電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管IGBT。 2.5驅動電路的設計驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號，以保證器件按要求可靠導通或關斷。此電路采用了光隔離。一般電路采用的隔離方式是光隔離或者磁隔離。具體電路如圖2.5。 圖2.5 驅動電路的設計 第3章 參數

15、的計算與元器件的選擇3.1系統(tǒng)的整體電路圖設計 圖3.1 整體電路3.2 變壓器的選擇 因為輸出功率最大為，公率因數大于0. 9,由公式： 得視在功率 ： 令輸入電壓為=220V，頻率為50HZ，設變比k=10，由公式：得： 根據經濟型和合理性應選擇MISUMI廠家TP20E-150型變壓器。3.3 二極管的選擇由公式 得：所以，二極管的額定電壓為： 得：因為 二極管的額定電流為： 得： 3.4 IGBT的選擇全橋逆變的電壓幅值與矩形波展開為傅里葉級數得： 其中，基波的幅值和基波的有效值分別為： 因為 所以， 則：因為IGBT承受的最大反向電壓為，所以IGBT的額定電壓為： 得：因為輸出功率為

16、1500W，由公式： 得：額定電流為： 得：所以應選擇300V/25A的IGBT管。3.5 濾波電容的選擇由公式： (3-14） 得： 濾波電容承受的最大反向電壓為=77.78V所以應選擇17037uF/80V的濾波電容。 第4章 系統(tǒng)的仿真與調試4.1仿真軟件介紹Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工

17、程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲，仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。4.2仿真波形圖4.1 未進行整流時電流仿真圖樣將各個電路用軟件進行仿真,仿真結果基本達到所預計目標?，F(xiàn)將仿真結果打印如下：在未進行整流時的電流波形如圖4.1所示。 經過整流電路后的電流波形如圖4.2所示。經過整流電路的電流應該由單相交流變成不穩(wěn)定直流。 經過濾波電路后的電流波形如圖4.3所示。經過濾波的電流應由不穩(wěn)定直流變成相對穩(wěn)定的直流。經過整體

18、電路后的電流波形如圖4.4所示。在驅動電路的信號下，經過逆變電路的電流應由直流變成高頻交流電接入高頻線圈，使其產生熱量，從而加熱鍋底。圖4.2 經整流后的電流仿真圖樣圖4.3 經濾波后的電流仿真圖樣圖4.4 經過整體電路的電流仿真圖樣第5章 設計總結 本文設計了1.5KW電磁爐的初步電路。設計了整流電路、濾波電路的設計方法和元件選擇，通過公式計算和參數選擇得到所需要的元器件的具體參數和具體的電路圖。根據設計要求，當220V交流電通過整流電路時，工頻交流電會變成較為穩(wěn)定的直流電，再通過濾波電路轉換為穩(wěn)定的直流電信號，直流信號在驅動電路的信號下，變成高頻交流電，其經過電磁繞組產生高頻交變磁場，在鐵制的廚具底部產生磁滯損耗和渦流損耗，產生熱量而加熱食品。在選擇過流保護電路時，選擇了簡單的直流保護電路，因為所需功率較小，同時還有驅動電路控制，所以只需防止整流失敗。在選擇整流電路時，由于此電磁爐功率為1.5Kw，功率較小，所以選擇單相橋式不可控電路。在選擇過流保護電路時，選擇了簡單的直流保護電路，因為所需功率較小，同時還有驅動電路控制，所以只需防止整流逆變失敗。在選擇無源與有源逆變中，由于直流側直接并聯(lián)電源，所以選擇無源逆變。采用了單向橋式電路。而在無源逆變中，有電壓型逆變電路和電源型逆變電路兩種可以來選擇，但經過網絡查證和老師的指導下，選擇了電壓型逆變電路。 經m