【正文】 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，內(nèi)容為：當(dāng)一個回路中的電流變化時，它附近的另外一個閉合回路中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。感應(yīng)加熱是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。感應(yīng)加熱在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如渦流冶煉、淬火、焊接等等。在這些應(yīng)用中，可以非常方便地設(shè)定加熱參數(shù)，控制加熱效果。感應(yīng)加熱有很多優(yōu)點(diǎn)：由于被加熱物體和加熱設(shè)備之間根本沒有電氣接觸，所以避免了許多電氣事故的發(fā)生；在很短的時間內(nèi)可以產(chǎn)生足夠大的能量，因而可以得到很高的能量密度。而如今，人們對高品質(zhì)、高效率、高安全性的家電產(chǎn)品的要求越來越高。采用感應(yīng)加熱原理的家電產(chǎn)品如電磁爐、電磁電飯煲、電磁熱水器等等以其安全、高效、快速、清潔、環(huán)保、節(jié)能等眾多優(yōu)點(diǎn)吸引了廣大的消費(fèi)者。[6][27]感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的原理使電能轉(zhuǎn)變成熱能。感應(yīng)加熱的過程可簡單地描述為：根據(jù)安培定則，線圈中通過交變電流時周圍會產(chǎn)生交變的磁場，當(dāng)一個導(dǎo)體放入這個交變的磁場中時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)，在導(dǎo)體的表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），由于電流的熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱量。感應(yīng)加熱的基本原理與變壓器類似。在一個金屬導(dǎo)體外面套上一個匝數(shù)為N1的線圈，如圖21所示，當(dāng)交變電流通入感應(yīng)線圈時，感應(yīng)圈內(nèi)就會產(chǎn)生交變磁通，使感應(yīng)圈中的工件受到電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。圖21 感應(yīng)加熱原理 Principle of Induction Heating設(shè)工件的等效匝數(shù)為，則感應(yīng)電動勢為： (21)如果磁通是交變的，設(shè) (22)則有 (23)的有效值為 (24)感應(yīng)電勢在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流I。，I。使工件內(nèi)部(工件表層電流透入深度△層)開始加熱，其焦耳熱為： (25)式中：一感應(yīng)電流有效值(A) 一工件電阻() 一時間(S)感應(yīng)加熱與其他的加熱方式（燃?xì)饧訜?、電阻絲加熱）不同，它把電能直接送到工件內(nèi)部變成熱能而將工件加熱，而其他的加熱方式是先加熱工件表面，然后通過熱傳導(dǎo)加熱內(nèi)部。金屬中產(chǎn)生的功率為： (26)從以上可以看到，如果增大電流和提高頻率都可以增加發(fā)熱效果，使加熱對象快速升溫，所以感應(yīng)電源通常需要輸出高頻大電流。感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強(qiáng)度有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀有關(guān)，還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁等特性有關(guān)。在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在三個效應(yīng)：集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當(dāng)交流電通過導(dǎo)體時，沿導(dǎo)體截面上的電流分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表層，這種電流積聚現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。臨近效應(yīng)：當(dāng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠的很近時，在相互影響下，兩導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩根導(dǎo)體流過的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩根導(dǎo)體流過的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)。圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。感應(yīng)加熱電源就是綜合利用這三種效應(yīng)的設(shè)備。在感應(yīng)圈中置一金屬工件，感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這兩個電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當(dāng)電流和感應(yīng)電流相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出臨近效應(yīng)，結(jié)果聚集在線圈內(nèi)側(cè)表面，電流積聚在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出來的電流稱為渦流。由電磁場理論可以推導(dǎo)，工件中產(chǎn)生渦流由于集膚效應(yīng)，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)衰減。工程上規(guī)定，該處到表面的距離△稱為電流透入深度。由于渦流產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快得多，可以認(rèn)為(85%90%)的熱量集中在厚度為△的薄層內(nèi)。透入深度△由下式確定： (27)式中：—工件電阻率(m)，—真空磁導(dǎo)率，—工件磁導(dǎo)率(H/m)，—工件相對磁導(dǎo)率，—角頻率(rad/s)，f —頻率(HZ)。將和的數(shù)值代入，即可得公式： (28)從上式可以看出，當(dāng)材料電阻率、相對磁導(dǎo)率給定后，透入深度△僅與頻率平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便地通過調(diào)節(jié)頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)加熱的最大特點(diǎn)是將工件直接加熱，其優(yōu)點(diǎn)是工人勞動條件好，工件加熱速度快，溫度容易控制，加熱過程中不會混入雜質(zhì)及金屬燒損等，因此應(yīng)用的比較廣泛。當(dāng)前在冶金和制造方面，感應(yīng)加熱主要用于淬火、透熱、釬焊和燒結(jié)等場合?，F(xiàn)代先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)使得電力電子開關(guān)器件可以工作在越來越高的頻率，功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，成本越來越低。感應(yīng)加熱系統(tǒng)，曾經(jīng)只是應(yīng)用在航空、導(dǎo)彈等領(lǐng)域，現(xiàn)在也逐漸應(yīng)用到家電產(chǎn)品中去如電磁爐、電磁電飯煲、電磁熱水器等。電磁爐是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的工作原理。由整流電路將50/60Hz的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓（ACDCAC、交流直流交流），再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20～35KHz的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿底部金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內(nèi)的東西，達(dá)到用戶使用的結(jié)果[6]。圖22電磁感應(yīng)加熱的基本過程 The basic process of electromagnetic induction heating圖22是電磁感應(yīng)加熱的基本過程，至少需要整流單元、功率開關(guān)管、功率開關(guān)管驅(qū)動控制單元、加熱線圈單元及鍋具等部件。電磁爐是運(yùn)用高頻電磁感應(yīng)原理加熱。它將市電整流濾波后得到的脈動直流轉(zhuǎn)換為高頻電流，通過加熱線圈建立高頻磁場，磁力線經(jīng)線圈與金屬器皿底部構(gòu)成的磁回路穿透爐面作用于鍋底，利用小電阻大電流的短路熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，在鍋底形成渦流而發(fā)熱，起到加熱器皿中的食物的作用。一般來講,器皿一般是用鋼質(zhì)、鐵質(zhì)材料來加熱，鋁、銅由于表面電阻率太小，而不易被加熱，陶瓷、木等又由于表面電阻率太大，使產(chǎn)生電流太小，所以也不易被加熱。[16][8]電磁爐的主電路如圖23所示，市電經(jīng)橋式整流器變換為直流電，再經(jīng)電壓諧振變換器變換成頻率為20～35kHz的交流電。電壓諧振變換器是低開關(guān)損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開關(guān)管的開關(guān)動作由單片機(jī)控制，并通過驅(qū)動電路完成。圖23 電磁爐的主電路 The main circuit of induction電磁爐的加熱線圈盤與負(fù)載鍋具可以看作是一個空心變壓器，次級負(fù)載具有等效的電感和電阻，將次級的負(fù)載電阻和電感折合到初級，可以得到圖24所示的等效電路。其中R*是次級電阻反射到初級的等效負(fù)載電阻；L*是次級電感反射到初級并與初級電感L相疊加后的等效電感。圖24 電磁爐主電路等效電路 Equivalent circuit of the main circuit induction cooker電磁爐主電路的工作過程可以分成3個階段，各階段的等效電路如圖25所示。分析一個工作周期的情況，定義主開關(guān)開通的時刻為t0。時序波形如圖26所示。（a）[t0,t1]階段（a）[t1,t1a]階段（c）[t1a,t2]階段 （d）[t2,t3]階段圖25各工作階段的等效電路 The equivalent circuit of the session(1)主開關(guān)導(dǎo)通階段按主開關(guān)零電壓開通的特點(diǎn)， 時刻，主開關(guān)上的電壓，則Cr上的電壓。如圖25（a）所示，主開關(guān)開通后，電源電壓加在R*及L*支路和Cr兩端。由于Cr上的電壓已經(jīng)是－，故Cr中的電流為0。電流僅從R*及L*支路流過。流過IGBT的電流與流過L*的電流相等。由圖25（a）得式29。 (29)由初始條件，解得： (210)式中為時間常數(shù)?？梢?，按照指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加。流過R*形成了功率輸出，流過L*而儲存了能量。到達(dá)時刻，IGBT關(guān)斷，達(dá)到最大值。這時，仍有。換向開始流入Cr，但Cr兩端的電壓不能突變，因此，IGBT為零電壓關(guān)斷。(2)諧振階段 IGBT關(guān)斷之后，L*和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振，同時在R*上消耗能量，形成功率輸出。等效電路如圖25（b）及圖25（c）所示，我們也將其分為兩個階段來討論。波形如圖26中的和。圖26 主要波形 Main waveforms由圖25（b）、,圖25（c）的等效電路圖可得式（211）方程組：（211）由初始條件，解微分方程組（211）并代入初始條件，可得下列結(jié)果： （212） （213） （214） （215）IGBT上的電壓： （216）式中： 為衰減系數(shù)；為電磁爐諧振頻率；為衰減振蕩角頻率；是由電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角，是僅由電路參數(shù)決定的滯后于的相位角。由上面的結(jié)果可以看到，當(dāng)IGBT關(guān)斷之后，和呈現(xiàn)衰減的正弦振蕩， 是與的疊加，它呈現(xiàn)以為軸心的衰減正弦振蕩，其第一個正峰值是加在IGBT上的最高電壓。首先是L*釋放能量，Cr吸收能量，正向流動，部分能量消耗在R*上。在時刻，，L*的能量釋放完畢，達(dá)到最大值，于是，IGBT上的電壓也達(dá)到最大值。這時Cr開始放電，L*吸收能量，當(dāng)時，Cr的能量釋放完畢，L*又開始釋放能量，一部分消耗在R*上，一部分向Cr充電，使反向上升，如圖26所示。然后，Cr開始釋放能量，使反向流動，一部分消耗在R*上，一部分轉(zhuǎn)變成磁場能。在接近0之前，之時，達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)時，Cr的能量釋放完畢，轉(zhuǎn)由L*釋放能量，使繼續(xù)反向流動，一部分消耗在R*上，一部分向Cr反向充電。由于Cr左端的電位被電源箝位于，故右端電位不斷下降。當(dāng)，即時，，二極管D開始導(dǎo)通，使Cr左端電位不能再下降而箝位于0。于是，不再變化，充電結(jié)束。但是，L*中還有剩余能量，并不為0，時刻。這時，在主控制器的控制下，主開關(guān)開始導(dǎo)通。因此，是零電壓開通。(3) 電感放電階段 如圖25(d)所示，可得方程：初始條件為：。解此微分方程并代入初始條件，可得： （217）L*中的剩余能量，一部分消耗在R*上，一部分返回電源，的絕對值按指數(shù)規(guī)律衰減，在時刻，L*中的能量釋放完畢，二極管自然阻斷。在即時，主開關(guān)已經(jīng)開通，在電源的激勵下，又從0開始正向流動，重復(fù)階段的過程。第三章 電磁爐的設(shè)計方案電磁爐實(shí)現(xiàn)的功能要求如下:電磁爐上電時，蜂鳴器響一聲，進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。關(guān)機(jī)狀態(tài)下，沒有任何顯示，沒有加熱的脈沖，也沒有任何檢測、報警功能。此時按下開/關(guān)鍵，可以開機(jī)，要求實(shí)現(xiàn)以下具體功能。(1)加熱功能加熱火力分為6檔，由低到高分別為: 保溫、煎、煮、炸、炒。不同火力的檔位，輸出的功率是不同的。對應(yīng)的功率分別設(shè)為2000W，1800W，1500W，1200W，900W,間歇。其中間歇檔為斷續(xù)加熱，即開3秒，停3秒。對應(yīng)的功率可根據(jù)用戶的需要再增加或減少。(2)定溫功能定溫溫度有6檔，由高到氏分別為240176。C，210176。C ，180176。C ，140176。C，100176。C，60176。C。溫度控制均為上、下限控制，每5秒鐘控制一次，若溫度高于上限則關(guān)斷加熱脈沖。若溫度低于下限則打開加熱脈沖，以最高火力檔加熱。定溫溫度檔數(shù)可根據(jù)用戶需要再增加或減少。(2)定時功能最高定時時間為120分鐘。開機(jī)后定時時間為120分鐘，按定時鍵可調(diào)整定時時間，定時時間以5分鐘為一檔遞增或遞減。定時時間到后，電磁爐自動關(guān)機(jī)。(4)無鍋檢測當(dāng)爐臺上無鍋時，電磁爐可自動檢測，此時顯示全滅，每2秒蜂鳴器響一次，電源指示燈閃爍一次，持續(xù)30秒后(蜂鳴器響15次)，自動關(guān)機(jī)。若30秒內(nèi)，又將鍋放回爐臺上，則以原來的方式工作，無鍋檢測時間不計入定時時間。當(dāng)電磁爐處于關(guān)斷加熱脈沖時(如定溫溫度己超過上限)，無鍋檢測將失效。(5)報警功能當(dāng)開機(jī)時，微電腦不斷的檢測電磁爐的工作狀況，當(dāng)出現(xiàn)異常時，將發(fā)生報警。報警時，蜂鳴器響一次，發(fā)光二極管全亮，數(shù)碼管高位顯示E，低位顯示報警弓t，持續(xù)5秒后自動關(guān)機(jī)。報警號如下:欠壓、過壓報警當(dāng)市電電壓低于170V，或超過260V時報警，數(shù)碼管顯示El。IGBT超溫、IGBT傳感器開路報警IGBT溫度過高或IGBT溫度傳感器開路報警。數(shù)碼管顯示EZ。當(dāng)環(huán)境溫度低于零下負(fù)30度時，將會誤判為傳感器開