电磁炉功率模块的设计及控制
当感应线圈匝数为N1、通以交变的电流I1时，线圈内部会产生磁通?，负载导体中产生感应电势e，导体表面会产生涡流i。根据电磁方程式，感应电动势为：e=-N2*d?/dt，N2是工件等效匝数，则有：?=?msin?t。则感应电动势e为：e=-N2*d?/dt=-N2?m?cos?t，有效值E为： E=2?fN2?m/2=4.44fN2?m。
负载导体中产生感应电流(涡流)I2，加热工件，其频率与感应线圈通过的电流频率相同，I2使导体负载内部开始加热，根据感应加热原理，其焦耳热为：Q=CI2R*t=0.24I2R*t。
由此可见，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流的原理是相同的，但是一般电气设备中涡流产生的热量属于能量的浪费，而感应加热却是利用涡流进行加热的。感应加热通过线圈把电能传递给金属导体，然后电能在金属导体内转变为热能。感应线圈与被加热金属导体并不直接接触，而是通过电磁感应传递能量的。
4.2 动态负载模型研究
感应加热影响负载的因素很多，比如工作频率、温度、锅具距离、锅具材质形状等，如果将这些参数都包含在建立的模型中，势必会使模型非常复杂，而且锅具距离、材质等因素一般都是确定的，因此本模型主要是基于工作频率建立的动态模型。
为了能得到能够反映负载的动态性能，根据阻抗网络理论，采用多组并联电阻电容串联成一个阻抗网络，在这个网络中有n级RL并联形式，级数越高，动态性能越好，如下图14所示。图14(a)是并联式的阻抗网络，图14(b)是串联式的阻抗网络，考虑的负载磁场的饱和因素和非线性因素选择图14(b)串联形式的阻抗网络更好。
图14阻抗网络模型
4.3 基于动态负载的自适应恒温控制
大功率电磁炉一般采用定频率控制策略，即不同的档位对应不同的工作频率，因此在实际应用中，电磁炉输出功率会随着工作频率的不同而波动。另外，
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电磁炉功率模块的设计及控制
火力控制的最终对象是锅具温度，如果持续功率输出，锅具在炒菜、烧油等环境中温度会持续上升，当超过厨师想要的温度时，既浪费了能量，又对被加热食物不利。本系统采用自适应恒温的火力调节控制器，首先通过判断锅具中心的加热温度。在锅底温度未达到设定温度时，执行控制器1，采取恒功率输出策略，控制器1输入为逆变器工作频率，输出为功率，模型为动态负载阻抗模型。当锅底温度上升到设定温度时采取恒温控制策略，执行控制器2，控制器2为基于温度的PI控制，输入为逆变器工作频率，输出为锅底温度。不管锅具发生什么变化、被加热食物为何种类，也无论电网如何波动，电控系统将直接根据反馈的温度信号，参比厨师档位设定温度，自适应的改变PWM控制脉冲，控制加热线圈的输出功率，实现精准的恒温控制。其控制系统结构图如15所示：
图15 基于自适应恒温控制系统结构图
其控制思路是:每个档位对应一个有“限温模式”的恒功率输出控制，考虑到中国厨师的炒菜习惯，本课题设计16千瓦电磁炉的1档功率为3千瓦、恒温控制在巧0℃，2档功率6千瓦、恒温控制在200℃，3档功率9千瓦、恒温控制在230℃，4档功率12千瓦、恒温控制在250℃，5档功率16千瓦、恒温控制在300℃。在锅具温度未上来之前，通过控制器1进行恒功率控制。控制器根据所建立的动态负载阻抗模型，根据设定的功率，输入相应的PWM脉冲控制的频率。当温度达到相应档位设定的温度值时，恒功率控制将自动切换成恒温控制。单片机实时采集锅底温度信号，利用实际锅底温度和设定温度的偏差通过Pl控制器2控制加热线圈的输出功率，以间接的调节锅底温度，此时PWM控制脉冲频率自适应的跟踪温度变化，实现精准的温度控制。
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电磁炉功率模块的设计及控制
采用智能自适应精确火力控制技术，通过大量测试，确定电磁炉功率和锅具温度之间数学模型，根据每个档位设定的功率给出工作频率，当锅具温度达到设定之后，通过反馈的温度实行PI控制，如果锅具温度超过设定值，电控系统将自动改变PWM控制脉冲，调节逆变模块IGBT的工作频率，使锅底温度自适应的跟随档位给定的温度，精确控制每个档位的加热火力，降低电磁炉的输出功率，使电磁炉的火力控制更加精确并且节能。
4.4 控制软件设计
大功率电磁炉程序主要包括：初始化子程序；数据采集子程序；功率控制子程序；人机接口子程序模块；信息处理子程序模块等部分。软件流程图如图16所示：
图16 主程序系统框图 图17 软件保护流程图
在完成各个模块的初始化之后，进入一个while(l)的循环程序中，首先是AD采样子程序，在这个子程序里面完成直流电流、高频电流有效值、三相电流有效值、直流电压、档位旋钮电压、IGBT和锅底温度的采样;接下来进入读档位子程
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电磁炉功率模块的设计及控制
序，根据档位电压采样值判断档位，在程序中主要设置了7个档位，并且有档位去抖动，在档位改变一秒钟后才确定档位大小，如果档位不停的改变，不是正常的操作流程，则软件不会根据档位来给定功率。然后进入保护控制子程序，根据各个电压电流的采样值进判断是否置保护标志，如果有保护标志被置位，则在关机子程序中执行关机程序。
在关机程序中并不是瞬间关闭，而是升高频率到30kHz，电流减少到一定值之后才关，避免在很大电流的情况下关断IGBT。如图17所示。
在功率控制子程序中，是首先发送固定PWM频率24kHz，然后判断直流母线上电流的大小，大于IA则说明有负载，再根据档位要求电流大小改变频率。16KW电磁炉从1档到5档频率变化从40kHz到18kHz，所以选择24kHz为检锅频率，这样在换档时频率变化时间最小。在频率改变过程中设有300ms延时，即定时器周期寄存器每300ms才能改变一次。如图18所示。
图18 功率控制子程序
在电磁炉使用过程中，厨师经常会将锅具抬起，会造成两大影响，第一，频繁的抬锅会使负载变化，加大didt和dudt，造成较大干扰;第二，在抬锅后，若果系统不关闭IGBT驱动模块，会有较大能量浪费。因此，电磁炉检锅程序的软件设计显得尤为重要。锅具检测流程图如图19所示。
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电磁炉功率模块的设计及控制
图19 锅具检测流程图
检锅程序和系统的稳定工作和节能息息相关，如果系统发现，锅具拿开，则应迅速关闭IGBT驱动模块，停止工作，避免电能浪费和巨大的电磁干扰
本课题在软件中设计了智能的检锅程序，实时判断是否有锅，在判断无锅后，能迅速关闭IGBT驱动模块，使系统停止工作。首先，软件没隔一段时间就发送一段时间发送PWM信号，然后检测直流侧电流，如果电流较大，则判断是有锅的，若果电流小于1A，则说明现在无锅。间断时间为每2s发送50ms的PWM信号，发送PWM的频率高于谐振点，发送的功率较小，即所谓的较低功耗的锅具检测。在判断无锅后，主动系统控制蜂鸣器发出无锅提示，在持续1分钟后，如果依然没有检测到锅，则系统进入休眠待机状态。
5 系统调试及分析
5.1 系统整流部分调试及结果分析
根据系统整流部分的电路原理图，利用MATLAB软件构建整流模块的模型图及其在不同负载下的仿真结果分别如图20和图21所示：
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