专利名称：一种大功率节能电磁灶智能控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种电^f兹灶控制装置，具体而言，是一种大功率 节能电磁灶智能控制装置。
背景技术：
随着人们生活水平的普遍提高，环保和节能的概念开始深入人 心。电磁灶作为一种清洁，节能，使用方便的厨房设备开始取代传统 灶台走进千家万户。而目前市面上出售的大部分电磁灶是小功率的家
用电磁灶，其功率大都在2000W以下，由于其功率小，难以满足学校 食堂、工厂、酒店、宾馆、机关、大型商业中心对大功率的需求。
目前已有的大功率电^f兹灶都采用调频的方式来调节功率输出。在 输出功率较小时，其工作频率远离谐振电路的谐振点频率，在主回路 上产生的无功功率大，电磁灶的功率因素低，能量转换效率低，浪费 了大量的电能。较大的无功功率也会对电网产生谐波污染，并且，较 大的无功电流增加了 IGBT等大功率电子器件的发热，降低了 IGBT 与其他电子器件的工作稳定性、安全性以及4吏用寿命。目前的大功率 电^f兹灶还都采用定档定频率的控制方式，当档位一定时，电^f兹灶的工 作频率就一定了 。定档定频的控制方式不能精确控制每个档位的功率 输出，当电网电压波动、锅具大小变化、锅具材料变化、锅具与加热 线圈盘的距离变化时，输出功率在不同情况下存在很大的差异，不能 准确控制电磁灶的输出功率，每个档位的加热火力不稳定，控制精度 差。另外，电磁灶在加热过程中，当锅具取走后，系统往往不能及时判断锅具的有无，从而继续工作，在无锅具的情况下，造成大量的电 ^磁泄漏和电能浪费，降低了能量的转换效率。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种采用微电脑控制设计，具有高效 节能，清洁环保、安全性强、可靠性高的大功率节能电磁灶智能控制 装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本实用新型包括可控整流滤波模块、逆变模
块以及微电脑控制模块，其特点是
可控整流滤波;漠块集成有交流电源输入接口 ，作为整个装置的能 量输入，经三相整流触发控制电路进行全桥可控整流，滤波后通过输 出接口，为逆变模块提供直流电源；
逆变模块通过串联谐振电路将直流电源逆变为高频的交流电源， 经过线圈盘L4后高频交流能量产生交变的电磁场，线圈盘上放置锅 具后，电磁场辐射至锅具底部产生涡流，由于涡流的热效应产生焦耳 热，从而力。热4呙具；
微电脑控制模块与其它各模块通过数据线相连，实时检测直流母 线电压、直流母线电流、高频交流电流、线圈盘L4温度、机芯温度 和档位输入信号，并发出控制指令，由微控制芯片控制PWM单元输出 单路P丽信号，通过硬件死区控制电路得到两路带死区控制的PWM
驱动信号以驱动逆变模块。
上述可控整流滤波模块由共模电感Ll、保险管F1 F3、电源干 扰抑制电容C1 C3、继电器、三相可控整流桥、三相整流桥触发电
6路、同步变压器、PI调节器1、差模电感L2-L3、滤波电容C4、直 流电压4全测器UT和直流电流;险测器IT1构成；直流电压4全测器UT 检测的电压信号分成两路， 一路作为整流控制电路的电压反馈信号 Ub，另一路信号Ua和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制模 块的信号调理电路， 一起作为智能自适应恒功率控制的反馈信号。
上述逆变;f莫块由大功率开关管IGBT1 ~ IGBT2、 IGBT隔离驱动电 路、谐振电容C5-C6、交流电流检测器IT2及线圈盘L4构成；IGBT 驱动信号由经过硬件死区控制电路产生的带双路死区控制的p丽信
号提供，经过IGBT驱动模块后驱动功率开关管工作；在谐振主回路 上串接有交流电流检测器IT2， IT2的输出连接至微电脑控制模块的 信号调理电路，然后送到微控制器(MCU)，作为锅具检测控制和过流 保护信号。
上述微电脑控制模块包括档位输入电路、风扇继电器驱动电路、 三相电源继电器驱动电路、纟鼓控制器(MCU)、电源模块、信号调理电 路、硬件死区控制电路、安全保护电路、数码管显示电路、声光报警 电路和通讯接口电路构成；外部电源经过电源模块后为微电脑控制模 块的各个电i^供电源；风扇和三相电源继电器驱动电路由MCU的 1/0口控制，驱动电路的输出与继电器组相连；直流电压检测器UT、 直流电流;险测器IT1、交流电流才全测器IT2、温度4全测器TT1 TT2 和档位输入电路等信号经过信号调理电路后输送给MCU的A/D采样单 元；档位输入电路采用电阻串联分压的方式，每个档位对应一个电压， 经过电压跟随和隔离放大电路后传送给MCU的A/D采样单元，作为不同档位对应功率的给定信号；数码管显示电路显示电磁灶当前的工作 档位，在故障状态下显示故障代码。
上述硬件死区控制电路由逻辑电路和电阻、电容组成，石更件死区 控制电路的输入与微控制器(MCU)的P體单元输出引脚相连；硬件 死区控制电路首先将单路P丽信号通过反相器分为两路互补的信号， 信号由低电平变高电平时，通过电阻对电容充电，使PWM信号由低电 平变高电平时时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电容通过反向 二极管快速放电，使P丽信号由高电平变低电平时不被延时，从而得 到两路带死区互补的P丽信号。
上述微电脑控制模块集成有通讯接口单元，采用RS-485总线通 信协议，实现远程通讯；微电脑控制模块通过RS-485总线，可连接 液晶控制器或者经过RS-485转RS-232后连接PC机，实时提供电f兹 灶的工作状态和故障信息，实现远程在线监测和故障诊断。
上述可控整流模块集成有PI调节器1，从档位输入电路给出三 相整流桥输出电压的给定信号R , t/,与直流电压检测器检测的反馈 电压信号^进行比较，得到电压偏差Af/,通过PI调节器1，调节整 流触发电路的移相控制电压r/c大小，改变三相整流桥晶闸管的触发 角，从而调整三相可控整流桥的输出电压，改变电磁灶的输出功率。
上述装置当锅具从线圈盘L4移开时，微电脑控制模块实时检测 直流电流检测器与交流电流检测器的信号大小，自动判断电磁灶是否 处于检锅状态，并采用间歇工作方式向逆变模块发送检锅信号，在发 送停止期间，禁止功率开关管IGBT1和IGBT2工作，并且通过微控制芯片输出PWM封锁信号，使IGBT模块的上、下桥臂同时处于关断状态。
由于本实用新型采用可控整流的方式进行功率调节输出，明显区 别于其它电磁灶调频调功的控制方式，使得控制主回路上无功电流 小，无功功率小，功率因素高，大幅节约了电能，同时也减小了无功 功率对电网的谐波污染；采用的基于PI调节器的整流桥触发控制和 智能自适应的恒功率双控调节策略，保证了各档位加热火力的精确及 稳定；采用的智能软启动控制技术提高了电路的安全性；采用的智能 锅具检测技术减少了电磁辐射和电磁污染，并节约电能；采用的硬件 死区电路增强了电磁灶工作的安全稳定性。本实用新型突破了传统的 电磁灶输出功率的限制，使双管半桥式电磁灶的输出功率扩展到 6000-10000瓦。该电磁灶火力控制精确、稳定，负载电路功率因素 高，大幅节约电能，同时能4吏i殳备对电网的谐波污染减少为最小，适 合各种厨房餐厅使用。
图1为本实用新型的整体结构原理框图。 图2为本实用新型的硬件死区控制电路图。 图3为本实用新型PI调节器整流触发控制与智能自适应的恒功 率控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的描述。
本实用新型主体部分结构如附图1所示，本实用新型的主体部分由可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块等部件组成；可 控整流滤波模块将三相交流电整流成可调节的直流电压，然后经过逆 变模块，将直流电转换成高频交流电，通过线圈盘L4将电能转换成 电磁能辐射至锅底产生涡流，由于涡流的热效应以加热锅具，微电脑 控制模块为整个系统的核心，用于釆集数据及向各模块发送控制信 息。
可控整流滤波模块如图1所示，由共模电感L1、滤波电容C1、 C2、 C3、继电器、三相可控整流桥、三相整流桥触发电路、同步变压 器、PI调节器1、差模电感L2和L3、直流滤波电容C4、直流电压检 测器UT以及直流电流;险测器IT1组成，外部三相电源连接至三相共 模电感L1和电容C1、 C2、 C3组成的有中线滤波器，对输入该装置的 三相电源滤波，去除高频干扰，滤波器的输出与继电器相连，继电器 的输出端连接至三相可控整流桥，并且并联有同步变压器，输出三路 同步电压C^，"化，C/sC,连接至整流触发电路的同步电压输入端，
触发脉冲信号控制整流桥晶闸管，使三相可控整流桥输出脉动的直流 电压，整流之后采用差模电感L2、 L3和电容C4滤波，使系统输出稳 定平滑的直流电压C/^ ，在额定电压下，其输出平均电压 [/^=2.34*220(^","为触发角。PI调节器1 4艮据给定电压与反々赍电 压的偏差，输出移相控制电压t/c,移相控制电压连接至整流桥触发 电路模块的移相电压输入端，控制触发脉沖的触发角"，使整流桥输 出大小可控和稳定的直流电压。在整流滤波电路之后的直流母线上， 连接有直流电压4企测器UT和直流电流;险测IT1， UT4企测的信号分成两路， 一路作为电压反馈信号，与给定电压比较后，经过PI调节器 1输出移相控制电压，移相控制电压控制整流触发电路才莫块输出的触
发控制信号，另一路和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制 模块的信号调理电路，然后与MCU的AD采样单元相连，IT1和UT检 测的信号作为智能自适应恒功率控制的反々责信号。
逆变模块如图l所示，由半桥大功率开关管IGBT模块、IGBT的 隔离驱动电路、线圈盘L4、谐振电容C5、 C6高频交流电流;险测器IT2 和锅具构成。IGBT的隔离驱动电路与微电脑控制模块的硬件死区控 制电路相连，由微电脑控制模块输出驱动频率，IGBT的隔离驱动电 路驱动半桥IGBT模块工作，将整流滤波电路得到的稳定平滑的直流 电压C/^逆变成高频的交流电。逆变电路的工作频率略高于谐振电路
的谐振频率，负载电路4妄近于纯阻性，无功功率小，功率因素高，对 电网的谐波污染小，节约电能。线圈盘L4和谐振电容C5、 C6串联连 接，其谐振点频率略低于功率开关管工作的最低频率，使负载在任何 工况下呈感性，在逆变电路产生的高频的交流电压驱动下，线圈盘 L4上有高频的交流电流，高频的交流电流产生交变的电^兹场，4艮才居 感应加热原理，线圈盘L4上放置锅具后，锅具的底部产生涡流热， 将电能转换成热能加热锅具，涡流热直接作用于锅具底部，热量损耗 小，热效率高，有效提高能量的利用率，节约电能。谐振电路主回路 上连接有高频交流检测器IT2， IT2的输出连接至微电脑控制模块的 信号调理电路，然后送到MCU，作为锅具检测控制、过流保护控制反 馈到微电脑控制模块。微电脑控制模块由微控制器MCU、电源模块、继电器驱动电路、 硬件死区控制电^各、信号调理电路、档位输入电i 各、显示电3各和通讯 接口电路构成。外部电源经过电源模块后为微电脑控制模块的各个电 路提供电源。继电器驱动电路由MCU的I/O 口控制，继电器驱动电路 的输出与继电器组相连，控制三相电源继电器和散热风扇继电器。直 流电压^r测器UT，直流电流;险测器IT1,交流电流4全测器IT2,档位 输入电路，温度检测器TT1、 TT2经过信号调理电路后输送给MCU的 A/D采样单元，将模拟信号转换为数字信号进行计算处理。硬件死区 控制电路的输入与MCU的P丽单元输出引脚相连，硬件死区控制电路 输出两路互补的驱动信号与IGBT的隔离驱动电路相连，控制功率开 关管IGBT工作频率。档位输入电路经信号调理电路后与MCU的A/D 采样模块相连，向MCU输入每个档位的给定功率信号，MCU根据检测 到的直流电压和直流电流，微调电磁灶的工作频率，使输出功率总是 跟随功率给定，自适应的恒功率控制各个档位的加热功率，精确控制 各个档位的加热火力。凄t码管显示电3各与MCU的SPI 口相连，采用串 行方式传送数据给数码管显示，数码管显示当前的工作档位，在故障 状态下显示故障代码，指示灯电路与MCU的I/O 口相连，指示电磁灶 的各种工作状态。通讯接口采用RS-485总线，实现上位机的实时在 线监测，方便调试和维修。
硬件死区控制电路如图2所示，电路的输入与MCU的PWM输出引 脚相连，MCU输出占空比为1/2的PWM信号，该PWM信号首先^L^相 器分成两路相反的信号，然后对每一路信号由低电平到高电平进行延时。每一路信号由低电平变高电平时，通过电阻RES1(另一路为RES2) 对电容CAP1(另一路为CAP2)充电，使P丽信号由低电平变高电平时 时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电容CAP1(另一路为CAP2) 通过反向二极管DI0DE1(另一路为DI0DE2)快速放电，使PWM信号由 高电平变低电平时不被延时，从而得到两路带死区互补的PWM信号， 死区时间的长短由一阶电路的零状态响应和与门电3各的高电平输入 的门搵电平计算得到，两路带死区互补的PWM信号与过流、过压保护 信号、MCU的1/0输出的PWM封锁信号相与后送给IGBT的隔离驱动 模块，驱动IGBT工作。
在本实用新型的实施例中，智能自适应的恒功率控制包含两个部 分，如图3所示，在较大功率范围内调节时，采用基于PI调节器的 整流触发控制，粗调电磁灶的输出功率；功率在较小范围内调节时， 当整流桥输出电压稳定后，釆用基于PI调节器的调频调功的方式， 微调逆变模块IGBT的工作频率，使输出功率智能自适应的跟随档位 给定功率，精确控制每个档位的加热火力。基于PI调节器的整流触 发电路控制策略为PI调节器1根据给定电压与反々贵电压的偏差， 输出移相控制电压C/c ,移相控制电压连接至整流桥触发电路模块的 移相电压输入端，控制触发脉沖的触发角，使整流桥输出大小可控和 稳定的直流电压，从而调整电磁灶的输出功率。同时，在电网电压升 高或降低时，整流桥输出的电压升高或降低,反馈电压也增大或减小， 与给定电压比较后，偏差电压不为零，从而改变PI调节器1输出的 移相控制电压，调整整流桥晶闸管的触发角，改变整流桥的输出电压，使整流桥的输出电压跟随给定电压，有效抑制电网电压波动对输出功 率的影响。
当直流电压稳定不变后，采用基于PI调节器的准电压电流双闭 环控制，微调电磁灶的输出功率，使输出功率跟随给定功率。其具体
实施为从档位输入电路输入工作档位，向MCU输入给定功率^信号， MCU根据直流电压检测器UT和直流电流检测器IT1检测回来的电压、 电流大小，计算实际的输出功率户。，给定功率巧和实际的输出功率户。 比较，得到功率偏差AP,然后通过限幅的PI调节器2， PI调节器2 的输出送给MCU中P丽单元，微调PWM波形的输出频率，PI调节器2 限幅的目的是确保PWM单元输出的最低频率高于谐振电路谐振点频 率，使负载呈感性。P丽单元输出单路P丽信号与外部硬件死区控制 电路相连，形成两路带死区的互补驱动信号，该两路带死区的互补驱 动信号经隔离连接到IGBT的驱动模块，IGBT的驱动模块输出的驱动 信号与半桥IGBT模块的栅射极相连，驱动半桥IGBT模块工作，调整 输出功率，使输出功率跟随给定功率。锅具材料、大小、线圈盘L4 与锅具的距离是影响输出功率的差异较大的重要因素，在安装过程 中，线圈盘W存在安装误差导致输出功率存在差异，锅具材料的变 化和锅具大小的变化也会导致输出功率变化，加热火力存在差异，在 整流桥输出电压稳定的情况下，采用基于PI调节器的准电压电流双 闭环控制，微调电磁灶的工作频率，使输出功率总是跟随给定功率， 有效消除了安装误差导致的功率偏差和锅具大小、材料变化导致的功 率偏差，使输出功率总是跟随给定功率，精确控制加热的火力。在本实用新型的实施例中，采用基于PI调节的智能软启动技术， 抑制功率突变，做到大功率器件的软启动，保护大功率器件的安全。 在图3所示控制结构图中，将PI调节器1的比例常数设定得较小， 积分时间常数设定得较大，因此，当开机启动和档位切换时，因比例 常数较小，积分时间常数较大，偏差的存在和PI调节器1的积分作 用，使PI调节器1的输出移相控制电压^变化變f曼，整流触发电路 模块输出的触发角緩慢变化，从而整流桥输出的电压緩慢变化，输出 功率不会瞬间增大或减小，电流不会突变，不会引起由于电流突变产 生的瞬态高压损坏大功率器件，保护大功率电子器件的安全可靠的运
行。同时，将谐振回路上高频电流检测器IT2检测的信号送给微电脑 控制模块，经过信号调理电路后与电流比较器比较，当出现过流时， 比较器输出过流信号送给硬件死区控制电路，封锁驱动信号，对大功 率器件过流快速保护，确保器件工作安全。
电磁灶在无锅具情况下继续驱动IGBT工作则会有部分磁场外 泄，并且浪费大量电能。为减少电^f兹泄漏和电》兹污染并节约电能，在 本实用新型的实施例中，采用了低功耗的智能锅具检测功能。MCU控 制P丽单元间歇性的输出P醫驱动信号，MCU每间隔2s就发送50ms 的PM驱动信号，而在其它时间内，MCU内部的PWM单元停止工作， 同时，MCU输出封锁信号给硬件死区控制电路，同时封锁两路带死区 的互补驱动信号，使开关管的上下桥臂同时处于关断状态。在发送频 率期间，检测主回路高频电流检测器IT2上电流大小和直流母线上直 流电流检测器IT1电流大小，判断电磁灶上是否有锅，当电流大于某一设定值时，证明锅具存在，电磁灶进入正常的功率输出对锅具进行 加热，而当电流小于此设定值时，则判断为无锅，并且蜂鸣器给出短 叫声和指示灯闪烁提示无锅。在正常的加热过程中，当锅具移开后，
直流电流检测器检测的电流迅速减小，当电流小于某一设定值时，则 判断为无锅，进入检锅模式检测锅具，有效抑制了电磁灶在无锅情况
下MCU继续输出IGBT的驱动频率造成的大量的电磁泄漏和电磁污染， 节约了电能，提高了效率。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术 人员公知的现有技术。
权利要求1、一种大功率节能电磁灶智能控制装置，它包括可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块，其特征在于可控整流滤波模块集成有交流电源输入接口，作为整个装置的能量输入，经三相整流触发控制电路进行全桥可控整流，滤波后通过输出接口，为逆变模块提供直流电源；逆变模块通过串联谐振电路将直流电源逆变为高频的交流电源，经过线圈盘L4后高频交流能量产生交变的电磁场，线圈盘L4上放置锅具后，电磁场辐射至锅具底部产生涡流，由于涡流的热效应产生焦耳热，从而加热锅具；微电脑控制模块与其它各模块通过数据线相连，实时检测直流母线电压、直流母线电流、高频交流电流、线圈盘L4温度、机芯温度和档位输入信号，并发出控制指令，由微控制芯片控制PWM单元输出单路PWM信号，通过硬件死区控制电路得到两路带死区控制的PWM驱动信号以驱动逆变模块。
2、 如权利要求1所述的一种大功率节能电^f兹灶智能控制装置， 其特征在于可控整流滤波模块由A、 B、 C输入三相交流电压经共模 电感L1、保险管F1 F3、电源干扰抑制电容C1-C3、继电器、三相 可控整流桥、三相整流桥触发电路、同步变压器、PI调节器1、差模 电感L2~L3、滤波电容C4、直流电压检测器UT和直流电流检测器 IT1构成；直流电压检测器UT检测的电压信号分成两路， 一路作为 整流控制电路的电压反馈信号Ub,另一路信号Ud和直流电流检测器IT1的输出连接至微电脑控制模块的信号调理电路， 一起作为智能自 适应恒功率控制的反々赍信号。
3、 如权利要求1所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置， 其特征在于逆变模块由大功率开关管IGBT1 IGBT2、 IGBT隔离驱 动电路、谐振电容C5-C6、交流电流检测器IT2及线圈盘L4构成；IGBT驱动信号由经过硬件死区控制电路产生的带双路死区控制的 P丽信号提供，经过IGBT驱动模块后驱动功率开关管工作；在谐振 主回路上串接有交流电流检测器IT2, IT2的输出连接至微电脑控制 模块的信号调理电路，然后送到微控制器(MCU),作为锅具检测控制 和过流保护信号。
4、 如权利要求1所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装置， 其特征在于微电脑控制模块包括档位输入电路、风扇继电器驱动电 路、三相电源继电器驱动电路、微控制器(MCU)、电源模块、信号调 理电路、硬件死区控制电路、安全保护电路、数码管显示电路、声光 报警电路和通讯接口电路构成；外部电源经过电源模块后为微电脑控 制模块的各个电鴻炎供电源；风扇和三相电源继电器驱动电路由MCU 的I/O 口控制，驱动电路的输出与继电器组相连；直流电压检测器 UT、直流电流检测器IT1、交流电流检测器IT2、温度4企测器TT1 TT2和档位输入电路等信号经过信号调理电路后输入给MCU的A/D采 样单元；档位输入电路采用电阻串联分压的方式，每个档位对应一个 电压，经过电压跟随和隔离i文大电路后传送给MCU的A/D采样单元， 作为不同档位对应功率的给定信号；数码管显示电路显示电磁灶当前的工作档位，在故障状态下显示故障代码。
5、 如权利要求1或4所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装 置，其特征在于硬件死区控制电路由逻辑电路和电阻、电容组成， 硬件死区控制电路的输入与樣史控制器(MCU)的PWM单元输出引脚相 连；硬件死区控制电路首先将单路PM信号通过反相器分为两路互补 的信号，信号由低电平变高电平时，通过电阻对电容充电，使P丽 信号由低电平变高电平时时间被延迟，信号由高电平变低电平时，电 容通过反向二极管快速放电，使PWM信号由高电平变低电平时不被延 时，从而得到两路带死区互补的PWM信号。
6、 如权利要求1或4所述的一种大功率节能电磁灶智能控制装 置，其特征在于微电脑控制模块集成有通讯接口单元，釆用RS-485 总线通信协议，实现远程通讯；微电脑控制模块通过RS-485总线， 可连接液晶控制器或者经过RS-485转RS-232后连4妻PC ^L，实时提 供电石兹灶的工作状态和故障信息，实现远程在线监测和故障诊断。
专利摘要本实用新型涉及一种大功率节能电磁灶的智能控制装置，其主体包括可控整流滤波模块、逆变模块以及微电脑控制模块，其特点是可控整流滤波模块将三相交流电源整流成可调节的直流电源；逆变模块将直流电源逆变成为高频的交流电源，再经线圈盘L4将电能转换成电磁能辐射至锅底产生涡流，利用涡流的热效应加热锅具；微电脑控制模块用于采集数据及向各模块发送控制信息。该装置采用PI调节器的整流桥触发控制、智能自适应恒功率控制、智能软启动控制、智能的锅具检测控制等一系列先进控制策略，增强电磁灶工作的稳定性和安全性。本实用新型节约电能的同时能使设备对电网的谐波污染减少为最小，适合各种厨房餐厅使用。
文档编号H02M1/12GK201238406SQ20082006813
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者睿 全, 全书海, 叶亚宁, 彤 周, 张立炎, 王志升, 袁作威, 谢长君, 陈启宏, 亮 黄 申请人:武汉理工大学