电磁炉设计与研究.docx

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电磁炉设计与研究

专业：

通信工程

班级：

13通信2

姓名：

学号：

指导教师：

电气信息工程学院

2016年5月

电磁炉的设计与实现

摘要

电磁炉是目前发展最快的，市场增长幅度最高的家电产品之一。

开发的电磁炉具有成本低、界面多、功能齐全等优点，有一定的市场竞争力。

本文基于感应加热原理，设计开发了电磁炉的控制系统，完成了电磁炉控制系统的硬件和软件设计，本文主要研究内容如下:

电磁炉的发展过程、工作原理、功能实现原理、硬件电路设计原理以及单片机程序的结构等。

硬件电路主要包括主回路、控制电路、保护电路、电源电路和显示电路等单元回路。

电磁炉实现的功能:

加热功能、定温功能、定时功能、无锅检测功能、报警功能，具体包括过热报警、过压或者欠压报警、风扇失效报警等。

显示界面是数码管显示界面。

单片机的使用让电磁炉实现了智能化，主要包括提供良好的人机界面、功率自动控制、温度自动控制、定时控制以及各种自动检测报警等。

该系统覆盖了电、机、磁等众多的知识。

单片机程序结构分主程序和定时器中断服务程序两个部分，经过反复试验运行，程序运行稳定可靠。

关键词:

电磁炉电磁感应CKM001拓扑结构

第一章绪论

1.1课题研究背景

在半个世纪以前，德国人利用电磁感应原理发明电磁炉。

从此，电磁炉开始走进人们的生活。

目前，在西方发达国家，电磁炉的使用率比较高，基本上达到80%左右。

现在由于人们生活水平的提高，厨房电气化程度越来越高，电磁炉在我国也逐渐地进入千家万户。

与其他传统的加热厨房用具相比，电磁炉作为高科技的产品，具有许多的优点。

它既环保又节能，被人们称为“绿色炉具”。

一般说来，电磁炉具备以下四个方面的优点：

（1）安全卫生

使用电磁炉烹调时，无热、无辐射、无烟、无明气、无烟尘排放，十分有利于净化空气和环境保护[1]。

同时，使用电磁炉也有利于减少火灾的发生。

这是因为基于电磁感应的原理，电磁炉自身是不会发热的，只有使用铁质的锅底才能产生热量，所以假若在使用电磁炉做饭的过程中，手指不小心的碰到电磁炉，也不会有灼伤的危险。

（2）体积小、重量轻、使用方便

电磁炉是全封闭的结构，外面只有一只电源线。

使用电磁炉没有场合的限制，只需要把电源线插到220V的插座上即可使用。

电磁炉的用户界面上有相应的开关键和指示灯，操作比较简单，而且电磁炉内部有许多附加的保护电路，任何人都可轻松使用它。

（3）加热的温度可以随意调节

一般地说，电磁炉的输入功率在200-2000W之间。

与其他单一功率的厨房用具相比，可以依据煎、炒、炸、蒸、煮等选择合适的功率，并且功率调节非常简单。

（4）热效率比较高且升温比较快

电磁炉是通过高频电流经过线圈产生变化的磁场，而变化的磁场在铁质的锅底产生感应电流（涡流），涡流产生大量的热量使铁质锅底快速发热。

在这个过程中，不存在热量的损耗。

一般的煤气炉的热效率为40％，电炉为52％．而电磁炉为高达83％[2]。

有人根据现在的用电价格与煤气的价格做过计算，使用电磁炉比用液化气节省近三分之一。

近年来，国内对电磁炉的需求量十分大。

它已成为中国市场上比较受欢迎的小家电产品之一。

随着环保意识和节能概念深入人心，电磁炉这种既环保又节能的厨房烹饪用具的市场潜力是巨大的。

电磁炉正处于成长期。

粗略地统计，目前国内有1000多家厂家把电磁炉作为自己企业的重点发展方向，投入大量的资金开发更智能化的，功能更加齐全的电磁炉。

1.2电磁炉的发展与趋势

早在1957年德国NEFF公司开始把电磁炉转为民用。

而后，在上世纪70年代美国也进行电磁炉的开发。

到了上世纪的80年代，在西方发达国家电磁炉的使用率在70%左右。

而到了上世纪80年代末，电磁炉才开始进入国内市场。

虽然电磁炉在90年代初曾经经历过一阵猛烈的旋风，但是由于很多厂家急功近利，急于开发市场，而忽略了电磁炉的技术开发，片面以价格争夺市场，导致电磁炉的质量不稳定，频繁地招到消费者的投诉，终于在热了一阵后走了下坡路[4]。

直到上世末期，由于技术的进步，众多的家用电器的诞生，使电磁炉再次有了新的生机。

就目前而言，我国的电磁炉市场比西方的发达国家至少晚了10年的时间[3]。

.1.3本课题的主要内容

本文设计的电磁炉是民用的小功率的厨房电气设备。

主要内如下：

（1）简单介绍了研究电磁炉的背景，描述了国内电磁炉的发展的历史和现状，提出了电磁炉发展趋势。

（2）感应加热是利用电磁感应的原理使电能转变成热能。

电磁炉就是基于这个原理设计的。

电磁炉加热的原理：

当线圈中通过高频电流时，线圈周围产生高频交变磁场，在高频交变磁场的作用下，铁质锅底中产生强大的涡流，锅底迅速释放出大量的热量，达到加热目的。

（3）简单介绍了电磁炉的可能出现的主要的故障和平时使用注意事项。

第二章电磁炉感应加热原理

2..1概述

1831年，法拉第发现电磁感应现象，内容为：

当一个回路中的电流变化时，它附近的另外一个闭合回路中就会有感应电流产生。

感应加热是法拉第电磁感应定律的具体应用。

感应加热在工业生产中得到了广泛的应用，例如涡流冶炼、淬火、焊接等等。

在这些应用中，可以非常方便地设定加热参数，控制加热效果。

感应加热有很多优点：

由于被加热物体和加热设备之间根本没有电气接触，所以避免了许多电气事故的发生；在很短的时间内可以产生足够大的能量，因而可以得到很高的能量密度。

而如今，人们对高品质、高效率、高安全性的家电产品的要求越来越高。

采用感应加热原理的家电产品如电磁炉、电磁电饭煲、电磁热水器等等以其安全、高效、快速、清洁、环保、节能等众多优点吸引了广大的消费者。

2.2感应加热基本工作原理[6][27]

感应加热是利用电磁感应的原理使电能转变成热能。

感应加热的过程可简单地描述为：

根据安培定则，线圈中通过交变电流时周围会产生交变的磁场，当一个导体放入这个交变的磁场中时，根据法拉第电磁感应定律和集肤效应，在导体的表面会产生感应电流（涡流），由于电流的热效应而产生热量。

感应加热的基本原理与变压器类似。

在一个金属导体外面套上一个匝数为N1的线圈，如图2-1所示，当交变电流通入感应线圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势。

图2-1感应加热原理

2.3电磁炉感应加热系统

现代先进的半导体制造技术使得电力电子开关器件可以工作在越来越高的频率，功能越来越强大，体积越来越小，成本越来越低。

感应加热系统，曾经只是应用在航空、导弹等领域，现在也逐渐应用到家电产品中去如电磁炉、电磁电饭煲、电磁热水器等。

2.3.1电磁炉的加热原理

电磁炉是利用电磁感应原理将电能转换为热能的工作原理。

由整流电路将50/60Hz的交流电压转换成直流电压（AC-DC-AC、交流-直流-交流），再经过控制电路将直流电压转换成频率为20～35KHz的高频电压，高速变化的电流流过线圈产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿底部金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热器皿内的东西，达到用户使用的结果[6]。

图2-2电磁感应加热的基本过程

图2-2是电磁感应加热的基本过程，至少需要整流单元、功率开关管、功率开关管驱动控制单元、加热线圈单元及锅具等部件。

电磁炉是运用高频电磁感应原理加热。

它将市电整流滤波后得到的脉动直流转换为高频电流，通过加热线圈建立高频磁场，磁力线经线圈与金属器皿底部构成的磁回路穿透炉面作用于锅底，利用小电阻大电流的短路热效应产生热量，在锅底形成涡流而发热，起到加热器皿中的食物的作用。

一般来讲,器皿一般是用钢质、铁质材料来加热，铝、铜由于表面电阻率太小，而不易被加热，陶瓷、木等又由于表面电阻率太大，使产生电流太小，所以也不易被加热。

2.3.2电磁炉主电路拓扑结构[16][8]

电磁炉的主电路如图2-3所示，市电经桥式整流器变换为直流电，再经电压谐振变换器变换成频率为20～35kHz的交流电。

电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型（ZVS）变换器，功率开关管的开关动作由单片机控制，并通过驱动电路完成。

图2-3电磁炉的主电路

电磁炉的加热线圈盘与负载锅具可以看作是一个空心变压器，次级负载具有等效的电感和电阻，将次级的负载电阻和电感折合到初级，可以得到图2-4所示的等效电路。

其中R*是次级电阻反射到初级的等效负载电阻；L*是次级电感反射到初级并与初级电感L相叠加后的等效电感。

图2-4电磁炉主电路等效电路

第三章电磁炉的设计方案

3.1电磁炉的功能要求

电磁炉实现的功能要求如下:

电磁炉上电时，蜂鸣器响一声，进入关机状态。

关机状态下，没有任何显示，没有加热的脉冲，也没有任何检测、报警功能。

此时按下开/关键，可以开机，要求实现以下具体功能。

（1）加热功能

加热火力分为6档，由低到高分别为:

保温、煎、煮、炸、炒。

不同火力的档位，输出的功率是不同的。

对应的功率分别设为2000W，1800W，1500W，1200W，900W,间歇。

其中间歇档为断续加热，即开3秒，停3秒。

对应的功率可根据用户的需要再增加或减少。

（2）定温功能

定温温度有6档，由高到氏分别为240°C，210°C，180°C，140°C，100°C，60°C。

温度控制均为上、下限控制，每5秒钟控制一次，若温度高于上限则关断加热脉冲;若温度低于下限则打开加热脉冲，以最高火力档加热。

定温温度档数可根据用户需要再增加或减少。

（2）定时功能

最高定时时间为120分钟。

开机后定时时间为120分钟，按定时键可调整定时时间，定时时间以5分钟为一档递增或递减。

定时时间到后，电磁炉自动关机。

（4）无锅检测

当炉台上无锅时，电磁炉可自动检测，此时显示全灭，每2秒蜂鸣器响一次，电源指示灯闪烁一次，持续30秒后（蜂鸣器响15次），自动关机。

若30秒内，又将锅放回炉台上，则以原来的方式工作，无锅检测时间不计入定时时间。

当电磁炉处于关断加热脉冲时（如定温温度己超过上限），无锅检测将失效。

（5）报警功能

当开机时，微电脑不断的检测电磁炉的工作状况，当出现异常时，将发生报警。

报警时，蜂鸣器响一次，发光二极管全亮，数码管高位显示E，低位显示报警弓t，持续5秒后自动关机。

报警号如下:

1、欠压、过压报警

当市电电压低于170V，或超过260V时报警，数码管显示El。

2、IGBT超温、IGBT传感器开路报警

IGBT温度过高或IGBT温度传感器开路报警。

数码管显示EZ。

当环境温度低于零下负30度时，将会误判为传感器开路报警。

3、锅底温度超温、传感器断路报警

若锅底温度过高，或温度传感器断路则报警，数码管显示E3。

开机后，将延时一段时间，再进行锅底温度传感器断路检测。

延时时间将据开机时的环境温度（用IGBT温度检测通道）而变化，若环境温度大于0度，则延时2分钟;若环境温度小于0度，则延时时间随着环境温度的降低而增加，最大延时时间为9分钟。

若无延时，当环境温度小于0度时，将会误判为传感器开路报警。

4、负荷电流过大报警

若负荷电流过大，则报警，数码管显示E4。

5、风扇工作异常检测报警

开机后，延时2秒，再检测风扇工作电压。

当风扇受阻（如有异物进入长住风扇），或风扇电机线圈断路，或匝间短路时报警，数码管显示ES。

3.2电磁炉的按键和界面要求

按照委托开发厂家海尔的要求，界面是LED数码管显示的。

操作面板如3-1所示。

图3-1操作面板

Fig.3-1OperationPanel

按键说明如下：

（1）本机具有“开关”、“火锅”、“定温”、“童锁”、“定时”5个按键和调大、调小用的指滑条。

在图3-1中，从左至右按键为“定温”“定时”“滑动”“火力”“开关”“童锁”。

（2）开/关”键：

用来开机、关机。

（3）调节滑条：

用于档位的调整，向右滑动增加档位，向左滑动时减小档位，共6个档位；也用于定时时间的调节，向右滑动时，0-59增