數字感應加熱電磁爐的設計

秦繼祥

摘 要：電磁爐是一種比較常見的烹飪工具，主要起到加熱的作用，同時還可以用來。電磁爐已經成為了很多家庭必備的工具，所以其功能以及種類也在不斷增加，這是為了滿足人們多樣化的需求。因為人們對電磁爐的要求在增加，所以其中應用的技術也更加多樣化，功能與性能更加令人滿意。因為感應加熱技術的發展，使很多領域都受到了影響。將該技術應用到電磁爐中，就可以實現遠程操控，功能也更加多樣。但是，這種電磁爐能耗大，不符合當前人們對節能的需求，同時安全性也較差，很可能在使用時出現問題。

關鍵詞：數字感應加熱；電磁爐；設計

引言：感應加熱的有點在于，速度快、能量損失少、容易控制等，這滿足了大多數人對電器的需求，所以在未來有很大的發展空間。但是應用了該技術的電磁爐卻存在很多問題，例如能耗大、容易漏電等。為了使數字感應加熱電磁爐可以被更好地應用到生活中，并為人們的生活提供更多便利，就必須從設計工作入手，從根本上提高其實用性，使其可以更加節能且安全。

1.數字化感應加熱電磁爐的控制原理

感應加熱的主要原理為在負載兩端的感應線圈中產生變化的磁場，使金屬材料中產生渦流，從而在其中產生熱量。感應電磁爐主要由加熱線圈、控制電路、金屬外殼等構成，需要通過交變電流加熱線圈產生高頻交變磁場。在渦流的作用下，原子將高速無規則運動，通過相互作用產生熱能。總而言之，將金屬放在電磁爐上，可以感應獲得渦流，從而提高自身的熱量，起到加熱的功能。采用感應加熱電磁爐，需要利用二極管整流橋和濾波電路將交流電轉換為直流電。而直流電需要經過半橋逆變電路加載在負載兩端的感應線圈中，促使磁場產生。在感應加熱電源中，包含整流器、濾波器、逆變器、變換器、控制器和負載，負載由感應線圈和被加熱件構成，就像一個變壓器。在工作頻率較高的場合下，半橋逆變電路的變換器負載為容性阻抗，開關器件將輪流開通，促使二極管產生較大的反向恢復電流，造成器件損耗較大。為了保證電磁爐安全工作，還要使諧振變換器為感性負載，所以，需要實現半橋諧振逆變電路的數字控制。

設計中使用的核心控制芯片為TMS320F2812，外部與采樣電路、故障保護電路、驅動電路相連接。該芯片雖然體積較小，但是性能很像，可以通過振動測試。采用系統進行感應加熱電磁爐控制，可以在半橋電路工作頻率比諧振頻率高的情況下，促使電壓相位超前于電流相位，使變換器在阻感性負載狀態工作。通過這種方式，電路能夠在零電壓開通的條件下運行，這樣開關就不容易發生故障，使系統可以更加穩定的運行。

2、數字化感應加熱電磁爐硬件的設計

2.1、供電模塊設計

為了使整個電路可以有足夠的電能供給，從而實現相應的功能，就必須對供電模塊進行設計。在供電時，必須保證電流的穩定性，這樣才能使電磁爐可以起到加熱功能。在模塊中，需要實現220V輸入交流電壓和輸出+5V電壓，這基本是每一個電磁爐都需要達到的標準。在交流電壓輸入后，經過變壓器整流濾波，可以得到9V電壓，為芯片供電。當前使用的主要是直流穩壓電源，由于科技的發展，電器中更多使用集成化電路，能滿足幾乎所有電器的用電需求。目前市場上充斥著種類繁多的由單片機集成的電路，讓設計階段有了更多的選擇。使用穩壓電路的原因在于其質量好、節能、穩定性好、運行速度快，適合大批量生產，因此也被廣泛應用于各種家用電器的制造中。電器必須有穩定的供電，而電網經常會由于各種原因發生波動，電壓可能會十分不穩定，所以必須進行穩壓。電源由變壓器、整流二極管、濾波器、穩壓器四部分構成。變壓器是將220V的標準電壓轉為可以被電器直接使用的電壓，這是供電模塊中必要的組成部分。其余三個部件分別負責將交流電轉為脈動直流電，從脈動直流電轉為平穩的直流電，最終通過穩壓電路的調整作用來實現穩壓并為電器供電。

2.2、故障保護模塊設計

電磁爐在運行時，容易受到干擾，發生事故的幾率也相對較大。一些常見的外部因素，都可能對其產生影響，所以經常會發生故障。例如當電網發生波動時，就容易導致驅動電路或控制回路誤動，使整個電路短路，進而無法繼續工作。而一旦電流超過額定值，開關就會被燒毀，使電路無法正常繼續工作。因此，為了避免在電流發生變化時，開關被損壞，就必須在電磁爐中添加故障保護模塊。該模塊的設計工作并不復雜，只需要實現檢測功能就可以有效防止故障的發生。通常來講，需要使用2SD315A驅動器來檢測直流母線和自檢測，使整個線路都能在安全的環境下運行。當故障發生時，可以利用硬件和軟件同時加強線路保護，及時完成故障檢測。

2.3、逆變整流模塊設計

在系統逆變整流模塊設計上，采用單相橋式整流電路中，各二極管平均電流僅為負載電流平均值的一半，并在交流輸入電壓半個周期內通過電流。考慮到電網電壓波動和二極管承受的反向電壓大小，還需要使用單相整流橋，其額定電壓與電流分別為1000VHE 35A。經過大電容濾波后，得到的直流電壓，諧振功率達到最大。因此，在選擇開關器件時，應當選擇額定電壓60A的開關，其額定電壓為1000V。通過并聯緩沖電容、吸收電阻和快恢復二極管，則能對開關軌跡進行改善。這樣可以顯著降低電壓應力，防止對開關產生影響，進而形成安全隱患。

3、數字化感應加熱軟件設計

電磁爐的主控系統中必須具有加熱軟件，這也是實現功能的基礎。如果加熱軟件存在問題，電磁爐就失去了任何作用，所以應當做好對該軟件的設計工作。

為了實現其他的功能，還需要在系統中加入相應的子程序，這些都需要通過設計來完成。因為功能之間通常具有邏輯關系，又因為其總數較大，所以設計具有很大的難度，并且容易出現錯誤。因此，通常都會采用模塊化設計方法來簡化整個過程，將功能分別賦予模塊，例如顯示模塊、檢測模塊等。這樣在系統就可以通過調用模塊來實現功能，避免了復雜的流程對系統的影響。從系統主程序來看，在開始工作后，系統將進行自檢，確認工作是否正常，并確認能否正常關機，如果不正常，則將進行報警。當確認工作完成后，主電路開始達到電力供給，電磁爐整體開始工作。在這個過程中，電磁爐始終處于最大功率，需要時刻保持對其的檢測。另外，還需要始終保持對電流、電壓等參數的監測工作，避免發生各種意外的問題，導致整個電路無法繼續工作。在必要的情況下，可以通過開關來切斷電路。如果系統內部無故障，則需要確定電流、電壓等值是否超出設定值范圍，超出范圍時需要將電源切斷，未超出范圍時需要進行平均功率的發送，并根據功率給定值完成工作時間計算。在工作時間為0的情況下，需要將開關器件關斷，否則需要繼續進行電流、電源等參數的檢測。通過這樣的設計，就能進行感應加熱。

結束語：在生活中，越來越多的家庭開始使用電磁爐來烹飪事物，而不是傳統的煤氣爐。因為人們的生活在不斷被改善，所以使用的電器也越來越多。當前市場上有很多種類的電磁爐，人們可以根據自己的需求進行選擇，其中就包含數字感應加熱電磁爐。這是一種比較先進的工具，應用了感應加熱的原理，還可以實現遠程控制。但是這種電器的弊端也很多，并且存在一定安全隱患，導致很多人在生活中不敢使用。在文章中，我們主要闡述了電磁爐的原理，以及對每個功能模塊的設計。

參考文獻：

[1]許曉云，史逸飛，王康威.組合創新技法研究——以電磁爐設計為例[J].工業設計，2016（08）：118-119

[2]吳岳芬，張舸，萬力，周嘉偉，馮彩英.數字控制感應加熱電磁爐的設計[J].電子器件，2017，40（02）：507-510.