微波炉磁控管磁路仿真系统说明书讲解.docx

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1、微波炉磁控管磁路仿真系统说明书第一章前言1.1 项目背景微波炉作为一种新型的厨具。它采用电磁感应电流（又称涡流）的加热原理打破了 传统的明火烹调方式，微波炉的交变磁场是通过电子线路板组成部分来产生、当用含铁 质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线的交变的电流（即涡流）在锅具底部金 属部分产生，电磁感应电流使锅具铁分子无规则高速运动， 其热能是因为分子相互碰撞、 摩擦产生（故微波炉煮食的热源来自于锅具底部而不是微波炉本身发热传导给锅具，所 以热效率要比所有饮具的效率均高出近 1倍）来实现器具本身自行高速发热，用来加热 和烹饪食物，从而达到煮食的目地。1.2 微波炉简介1.2.1 微波炉的基本

2、工作原理微波炉主要由交流进线电路、电源电路、LC振荡电路、功率控制电路、整流电路、 EMM护电路、滤波电路、同步电路、控制及显示电路、电压检测电路、锅具检测电路、 过零检测电路、电流检测电路、主控 CPU电路、高低压保护电路、IGBT模块等组成。图 1.1为微波炉的工作原理框图图1.1微波炉的工作原理框图1.2.2 微波炉的基本组成1. 加热部分：微波炉有搁板在锅体下面，也有励磁线圈。对锅体进行加热是根据电磁感应产生涡电流。2. 控制部分：主要有电源开关，功率选择钮，温度调节按钮等。由内部的控制电路来控制。3. 冷却部分：采用风冷的方式。炉身的侧面有进风口和出风口，内部有风扇。4. 电气部分：

3、由整流电路、逆变电路、控制回路、继电器、电风扇等组成。5. 烹饪部分：主要包括各种炊具，供用户使用。1.2.3 微波炉的优缺点微波炉作为一种新型的厨具，具有以下优点。1. 高效节能：微波炉降低了损耗，是因为其使锅具自身发热，大大提高了热效率，热效率可达到85%- 99%与传统加热方式不同，与电炉、液化气炉等炉具相比，节省了大量的能源。如图 1.2 所示2. 智能烹饪：智能控制是利用单片机进行，无须看管，具有定时预约功能，来实现自动烹饪的功能。3. 安全可靠：通过了国家安全验证，使用安全可靠。4. 环保卫生：锅具可实现自身发热，不会产生热辐射，并且不排放烟尘和一氧化碳等废气，使烹饪环境更加环保卫

4、生。5携带方便：重量轻、体积小，便于携带。但微波炉不仅会产生一定的电磁干扰在其工作时， 而且其散热系统也会产生一定的噪声 2 。图1.2微波炉等厨具的热效率对比示意图1.3 本章小结本章主要对微波炉就行简要介绍，微波炉作为市场的一种新型厨具。它采用电磁感 应电流（又称涡流）的加热原理打破了传统的明火烹调方式，又简单介绍了微波炉的基 本工作原理框图、微波炉的基本组成以及通过各种厨具的比较来简单介绍微波炉的优缺微波炉磁控管磁路仿真系统说明书第二章微波炉的加热原理2.1 微波炉加热的基本工作原理微波炉采用电磁场感应涡流加热原理工作。它先通过整流滤波把220V工频交流电变成直流电，再通过逆变把直流电转

5、换成高频交变电流，流过感应线圈的交变电流产生 强大磁场，它会产生无数小涡流在磁场内磁力线通过铁质锅的底部时，电磁感应使锅具 铁分子无规则高速运动，由于分子的相互碰撞、摩擦而产生热能，而使锅具本身自行高 速发热，用来加热和烹饪食物。微波炉的加热工作原理如图2.1 12病体淌东一支咂BtL.图2.1微波炉的加热工作原理2.2 电磁感应加热的技术现阶段普遍为电热圈发热，把热量传到料筒上利用传导的方式，这样只能使内侧的 热量传导到料筒上，存在热传导损失，大部分外侧的热量失散到空气中，导致环境温度 上升，它还有一个缺点功率密度低，无法适应一些需要温度较高的场合。电磁加热技术 是使金属料筒实现自身发热，根

6、据其具体情况在料筒外部包裹一定的隔热保温材料，这 样可以大大降低热量的损失，提高热效率，使热效率达96姒上，因此节电效果十分显著，其可达30犯上，并且其加热速度也大大提高，大约为 60%其预热时间大大节省电磁感应加热技术被称为诱导加热技术，它的英文为：Induction Heating ,其缩写为：IH。它是一种新开发的电能利用手段，它的加热过程是通过电磁场直接作用于被 加热的导体，其加热效率比传统的加热方式要高很多，可达到90犯上。另外在使用寿命、安全性能等方面都具有独特的优势，是根据电磁感应加热技术与传统的油、气、煤 和使用电热管的用电设备相比而言的4 o在导体外面绕一线圈，设其匝数设为N

7、 1，当在交变电流通入线圈中后，就会产生相 同频率的交变磁通？通过感应线圈中，以及在金属工件中就会有感应电动势 e产生。如 图2.2所示交流磁束涡电流加热线圈 被揄热金属(2-1)(2-2)(2-3)图2.2电磁感应示意图设金属工件的等效匝数为 N2,故MAXWELL的电磁方程式为:de = - N2 dt设交变磁通为* = *msint ,则一 de - -N2 = -N2 m , cos t dt感应电动势的有效值为：E= N2m=2fN2 m =4.44fN2 m、2. 2此感应电动势在工件中使工件内部加热是感应涡流的产生I,其焦耳热为：_2Q=0.24I2Rt（2-4）其中：I 感应电

8、流的有效值，单位为 A; Q感应电流通过电阻产生的热量， 单位为J; t工件通电的时间，单位为S ; R工件的等效电阻，单位为C。由公式（2-3）和（2-4）可以看出，e及P与交变磁通的频率和磁场强度有关，在 感应线圈中通过的电流越大，其产生的感应磁通量就越大，故为使金属工件中的感应涡 流加大可以通过提高感应线圈中的电流值来实现；另外为使工件中的感应电流加大可以 在一定条件下通过来提高工作频率来实现，从而可以使工件的发热效果得到提高。由此 可以看出电磁感应加热的发热效率不仅与频率和磁场强度，金属工件大小，截面积的形 状有关，而且还与工件本身的导电等特性有关。电磁感应加热的过程是，首先把电能转化

9、成磁能通过感应线圈来实现，产生同频率 交变的电动势E,交变电动势E作用于金属工件后，形成闭合回路。在工件中产生电流, 从而把磁能转换成电能。然而涡流可能很大因为块状金属的电阻一般较小，所以在金属 内流动时就会释放出大量的热能。这样，又可以实现电能转化成金属工件的内能，从而 达到加热的目的。在电磁感应加热过程中能量转化关系如图2.3所示5 :图2.3感应加热能量转化图2.3 串联、弁联谐振逆变器的负载拓扑结构及优缺点高频感应加热电源的负载都是功率因素很低的感性负载，可以等效成一个电感和 一个电阻串联或并联的形式。等效的电感、电阻其值受耦合程度的影响，它是感应器和 负载耦合的结果。一般采用增加补偿

10、电容的方法来提高功率因数，主要有两种方式：一 种是并联补偿，另一种是串联补偿，从来形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路和用 联谐振电路。感应加热电源一般工作在准谐振状态，这样可以提高效率和保证逆变器的安全运行。串联谐振电路和并联谐振电路的特性见表2-1 3 o谐振类型电压谐振电流谐振从表2-1可以看出，串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻， 并达到最小值, 用联谐振电路采用电压源供电，从而获得最大的电源输出功率。并联谐振电路在谐振状 态下等效阻抗达到最大值，并联谐振电路采用电流源供电，从而获得最大的电源输出功 率。为了满足MOSFET, IGBT等器件的要求，串联谐振逆变器中在换流时要反并

11、联二 极管，其中续流的电流为正弦波，所以开关器件承受的反压是非常低的是反并联二极管 的正向导通压降。同时串联谐振逆变器不仅可以自激工作，也可以他激工作，并且起动 比较简单。串联谐振逆变器采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容电压不 能突变，因此瞬时将会产生很大的放电电流，远远大于功率器件的额定电流，如果不能 在允许的短路时间内将器件关断，就将会对器件造成永久性损坏。串联谐振逆变电器对 补偿电容耐压的要求比较高，因而必须采取相应的措施来降低补偿电容上的电压。并联谐振逆变器采用大电感进行滤波，当负载发生短路时，由于电感电流不会突变， 因此电流上升率就将会得到抑制，不易损坏功率器件，保

12、护起来比较容易。由于其负载 电路的电容、电感本身构成振荡回路，因此运行较为可靠，并且对负载的适应能力强。 该电路对补偿电容耐压的要求只要达到负载两端正弦电压的峰值即可。在换流期间，用 于高频感应加热电源的自关断器件 IGBT,所承受反压的能力低，而逆变开关器件有可 能承受反压。如果在电路中为进行保护而采用反并联二极管，则会出现环流从而损坏器 件。因此，每一桥臂必须申入快速恢复整流二极管，并且其申入的整流二极管与开关器 件相同等级的以承受反向电压。但是，并联谐振逆变器起动时间较长，起动比较困难， 需要对滤波大电感预充电，因而控制电路也相对比较复杂。并联谐振逆变器采用大电感 滤波，虽然带来了短路保

13、护比较容易的优点，但同时也带来了体积也非常庞大的缺点， 从而使整个装置体积增大。综合所述比较申、并联谐振逆变器的优缺点，考虑到本项目中我们研究的电磁加热 环境，我选择并联型逆变器作为微波炉电磁感应加热电源的逆变电源主电路。2.4 感应加热电源的负载等效模型为了便于分析，将加热负载上感应电流的环行区域看作为一个单匝线圈且是闭合 的，并且等效电阻为Ro,等效电感为L0。这样线盘线圈L和等效线圈L0组成一个变压器，其中飞为负载电阻，其大小取决于工件自身因素。将 飞等效折算到加热线盘回路 中，设其等效电阻为R,则感应加热的负载等效为阻感负载，如图 2.4所示。因为负载 呈感性，这样会造成电路功率因数降

14、低和无功损耗的增大，因此在实际应用中矫正电路 都要通过加功率因数，即为提高功率因数和降低无功损耗，在原电路的基础上附加一个 容性元件，从而使电路趋向于纯电阻性。其中最常用的方法是将加热线盘与矫正电容并 联和串联构成谐振电路，并促使电路工作在谐振频率附近，有两方面的功能：一是提高 功率因数，二是当并联谐振时通过线盘的电流最大或当为串联谐振时线盘两端的电压最 高，因此在并联谐振或串联谐振一定的情况下，在负载的功率最大6 o图2.4感应加热负载等效电路在实际应用中，一般是直流电源通过高频电子开关进行间歇性的给谐振回路供电，只有在部分时间内谐振电路处在谐振状态，通常称为准谐振状态。根据系统中采用的并

15、联谐振逆变电路，下面来详细简要介绍该并联谐振逆变电路的工作过程。并联谐振逆变 电路可能出现的工作状态模型有以下 3种情况：1. RL电路与直流电源接通的暂态过程开关接通前电流为零，开关接通后电流逐渐增大。如图 2.5所示，设开关接通的时 刻选作t=0,取图示所示为参考方向，则根据基尔霍夫第二定律有U =Ul +5(2-7)di即：U = L Ri(2-8)dt在符合初始条件i(0Q=0情况下，解此方程里的特解为u-Rti(t) =R(1-e L )(2-9)则在电感中3时刻的电流为tlRU 心 UI =i(t1)(1-e L )(1-e )RR(2-10)其中并称其为RL电路中的时间常数，并且

16、当t = E时，i达到了稳态值的63%。 R故可以得出七越大，电流增加的就会越慢。R1URiLUL(a)电路图2.5 RL电路与直流电源的接通2.已通电RL电路对电源放电的暂态过程如图2.6已通电RL电路对电源放电所示，将开关先掷向1,当L中电流充到I时将其掷向2,则电路将经历一个放电过程， 的C、E两端反向并联一只续流二极管,并且初始电流为I。在实际电路中，通常在IGBT从而实现零电压开通，保护开关管IGBT。假如将此个二极管看成理想二极管，则当8t +口 =2n 2口，即t = 时，电容两端 co电压第一次恢复初始电压值U。并且在此之后，二极管开始续流导通，电路变为电感通过二极管给电源充电

17、，退出自由谐振状态，同时释放能量。该状态将持续到电流变为零, 电感中的能量全部释放完为止。U _ ,I根据 ic(t) = 0Ce coscos-+a +邛+土)，可得出该过程中初始条件为2U - - 05 二i(0 )=iL(t )=ic=0Ce cos丁2(2-10)取如图中所示方向为参考方向，则按基尔霍夫第二定律得：UR +UL + U =0(2-11)diL iR U -0即： 出(2-12)在符合初始条件i(0+)=I的条件下解方程得的特解为Rtuu-Rtuu-t-i(t) -U (I U)e L -U (I -)eRRRR(i 0(2-12)当 t=T 时，i(t) =-U + (

18、I +U)eJ1 = -(1- VLC， 卜面分三种情况进行讨论)U = 0.37I -0.63U ,由此可以看出，其 R R e e RR暂态过程比已充电LR电路短接时的暂态过程放电速度更加的快。当 i=0 时，t =t1 =7 ln(1 十曳),若 I =(ei)U_ ,贝ij t1 =七；若 I (e-i)U.若I0,即R2j,这时pi及P2为实数，由初始条件:c,uc (0 +)= U ,i(06=i ,可得满足初始条件的特解为Uc(t):U2 (PieP2t - P2e*)2-2 -碗(2-15)此时为过阻尼振荡。其中振荡曲线如图 2.8所示。4=0,即R = 2j-,可得在满足初始

19、条件的情况下特解为Cuc(t)-U(1-t)e-t(2-16)此时为临界阻尼振荡。其中振荡曲线如图 2.8所示。P j；,即R-r r rcot +a = n ,即 t =时亥U(2-19).Ue-1 . U e- 一 Ue4)tan ；cm - e - e . ecos，cos，cos：此时，一种情况为，因为U增大使得cosot减小，从而使Ucm增大。另一种情况为,因为出现了衰减因子e，ne）tan中，又使得Ucm出现减小的情况，由此可得其最终值是由两个方面的因素共同来决定的由式（2-18）及图2.9可得当口+中时 在谐振电流心思 函+a+邛= 土时出现第一个峰值（正峰值）,即当 22-a

20、中t =2时,GO, U 八TI cm -oCecos 二Ucos：4-二二。0Cecos-(2-20)3T时出现第一个峰值Icm ,即当当a +中 二时谐振电流在8t +a +平=2三一 一t=2I cmU0Ce cos工U 二Ce cos ;0Ce cos.：(2-21)此时也可以分为两种情况，一是，因为Ct增大而使cosa减小，从而使得1cm增大。，二二.一)tan ；.:另一情况是，因为出现了衰减因子 e 2,又使Ucm减小，故可以得出其最终值是 由两个方面的因素共同来决定的。综上所述，电路产生阻尼振荡的特点为:(1)阻尼振荡频率为f =.1-22二，LC .R2C4Lf,即当为带负载

21、时，谐振频率降低。(2)电流的幅度和谐振电压均均是取决于储能时间t1,由上面所述可以得出储能的时间越长其幅度也就越大。(3)谐振电流的相位与谐振电压相比超前当空载时，在理想的情况下，即 RHO ,电路就会产生自由振荡，止匕时,P=arctan 一 = 0I =i(S11arctan-U Ccos：1 tan2 ;1+工所以,在振荡电压LC的峰值为:UcmL=U11+工cos：LC(2-22)由此可以看出,Ucm AU 。振荡电压在8t+a =几时出现第一个峰值,即当JI -Ctt =时,其振荡电流的峰值为I cm切 oC =UoCv1 +-LCLCLC1 LC =I . 1LCt1(2-23)

22、冗故由此可以得出，Icm AI。振荡电流在伯/十二二时出现的第一个峰值，此峰值为正峰2冗值，即当t =二!时 0综上所述可以得出，在R=0时，电路就会产生自由振荡，假如回路参数和电源电压 也能确定，则(1)自由振荡频率为：fo=20 =2二 2二 LC(2)谐振电压和电流的幅度均是取决于储能的时间ti,由此可以看出储能的时间越长其幅度也就越大。(3)谐振电流的相位与谐振电压相比超前 -。22.5 本章小结首先介绍了微波炉的基本工作原理，然后介绍了电磁感应加热的基本原理，描述了 感应加热能量转化的过程。然后分析了串联谐振与并联谐振逆变器的拓扑结构，根据本 系统设计的要求采用并联型逆变器， 最后详

23、细分析了并联型逆变器不同工作过程的等效 模型。第三章微波炉主电路设计3.1 微波炉主电路拓扑结构图3.1电磁炉主电路图3.2电磁炉主电路等效电路微波炉的主电路如图3.1所示，经桥式整流器的市电变换为直流电，再经电压谐振 逆变电路转换成 2030kHz频率的交流电。电压谐振逆变电路的变换器是零电压型 (ZVS)变换器且是低开关损耗，通过驱动电路完成，由单片机来控制功率开关的开关 动作。微波炉的负载锅具与加热线圈盘可以看为一个空心变压器，在次级负载中会产生具有等效的电阻和电感，然后再将次级的负载电阻和电感转换到初级，从而就可以得到图 3.2所示的效电路。其中R*是由次级电阻反射到初级的等效的负载电

24、阻；L*是次级电感反射到初级并且与初级的电感 L相叠加后的等效电感。3.2 微波炉主电路的工作过程微波炉主电路的工作过程可以大体分成3个阶段且各阶段的等效电路图如图3.3所示O 2 工o-J(d) b t3阶段图3.3微波炉主电路的工作过程电磁感应加热电源是以电力电子器件为核心的主电路并且通过配合特定的负载来 构成，它主要由3部分组成：主电源电路、逆变电路和负载。各部分电路均可以有不同 的选择方案来达到配合不同的功率要求和应用场合。主电源电路通过工频交流电整流获得为逆变电路提供直流电源。根据不同的要求可以选择不同的结构，可分为三相或单相、 半波或全波、不控或可控整流。在中小功率电路中一般选用经

25、LC滤波后获得的单相桥式不控整流电路9。谐振式逆变电路是以电力电子器件为核心，将主电源提供的直流电转换成高频交流电，从而来达到供负载来利用，常见逆变电路有三种：零式逆变、半桥逆变和桥式逆变。 在电磁感应加热电源中的负载通常由两部分组成，即加热线圈和补偿电容构成的并联谐振电路。在实际的电路中，在一个工作周期的部分时间内处LC谐振回路大体处在谐振状态，即准谐振状态。下面通过以并联型谐振式逆变电路为例来简单介绍逆变电路的电 路拓扑结构及工作原理。并联型谐振逆变电路如图3,4所示，开关三极管为IGBT,加热线圈的等效电感L, 等效损耗电阻R,谐振电容C,续流二极管Do在加热的过程中，IGBT的栅极加周

26、期 性的矩形脉冲，电路中的电压、电流变化如图 3,6所示1。图3.4 单极管零式逆变电路逆变电路的详细工作过程如下：3.2.1 主开关导通阶段根据主开关零电压开通的特点，当在to时刻时，在通过主开关上的电压 Uce=0,因 一.一一. *一 * .一. 此通过Cr上的电压Uc=Uce Udc=Udc。当其主开关开通后，在 R及L支路和Cr两防加 电源电压Udc,如图3.3 (a)所示。又因为Cr上的电压是一Udc,因此电流仅从R*及L* 支路流过在Cr中的电流为0。并且可以看出流过IGBT的电流is与流过L*的电流iL相等。 由图3.3 (a)得式(3-1)。* diL +hR =Udc(3-

27、1)dt在初始条件Mb) =0的情况下，解得(3-2)Udc i L 一 R.*式中：丁=工，它为时间常数 R综上所述，iL是随着指数规律来单调增加。流过L*而储存了能量，流过R*形成了功率输 出。当到达t1时，IGBT关断，从而使iL达到理论的最大值Imo这时，Uc= - Udc, Uce=0 iL转换方向开始向Cr流入，但是Cr两端的电压不能突然发生变化，故IGBT是一个零电压关断。3.2.2谐振阶段当谐振在力时刻，IGBT关断并且触发脉冲变为低电平，切断了直流电源供电回路。 t1时刻后LC振荡回路处在自由谐振状态，且电路的初始条件为：&) = -U ,用(匕)=1(3),等效电路如图2.7所示。满足R 1的意思是jump悟号为1时