专利名称：机车专用电磁炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电磁炉，具体讲是涉及一种机车专用的电磁炉，属于电器技 术领域。
背景技术：
铁路是国家的运输大动脉，其安全和正点准时是保障铁路运输安全有序的关键。 其中机车是整列火车的动力，而机车乘务员是运输的重点。由于我国铁路运输图的设计以 及现有设备的限制，机车乘务员的连续工作时间少则4-5小时，多则十几、二十几个小时， 在此期间机车乘务员必然要喝水、吃饭，这就需要在机车上设置烧水和加热等装置，以提高 机车乘务员的工作和生活质量，提高机车的安全因素。现在我国现有机车在2万台左右，在机车上全部使用电阻丝电炉，这种电炉是外 漏式热源，耗电大，并容易造成火灾，使电线路发热、老化、接地，造成机车线路故障；同时， 由于机车运行震动较大，而现有的电炉抗震性能差，且损坏率高。现有机车电阻丝电炉功率 是2000W，加热5升水需要15-20分钟，热能损耗较大，能源利用率低、使用不方便、成本较 高。并且一般只能用于烧水，对于煮饭等并不能适用，限制了乘务员的饮食质量，在新的铁 路建设和发展的形势下，现在的电阻丝电炉已不能适应发展的需要。
实用新型内容为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种安全性高、效率高、节能 环保、使用方便、成本较低的机车专用电磁炉，提高机车乘务员的工作和生活质量，保障铁 路运输的安全。为达到上述目的，本实用新型是通过以下的技术方案来实现的一种机车专用电磁炉，其特征在于包括—作为主要工作电路的变流电路，所述的变流电路包括对机车直流电进行整流升 压，输出的高压直流电加到主回路和功率开关管两端的主电源、接受功率开关管的控制，将 电能转变成热能并向外输送的主回路、控制主回路工作的功率开关管；一产生并放大矩形脉冲信号、提供大的驱动电流，控制功率开关管的导通和截止 时间，从而控制主回路的是输出功率的振荡驱动电路；一根据感应的温度值对振荡驱动电路进行触发的功率电路；一对变流电路、振荡驱动电路、功率电路进行散热的电风扇。前述的机车专用电磁炉，其特征在于在所述的主回路的外侧设有用于吸收漏磁通 的金属围框。前述的机车专用电磁炉，其特征在于在所述的变流电路中设有使负载电流变平滑 的LC滤波元件。前述的机车专用电磁炉，其特征在于保证变流电路工作正常的保护电路，所述的 保护电路的输出接振荡驱动电路。[0014]前述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路进行温度检 测，将检测的温度传送给单片机，当检测的温度值大于保护值时，停止加热，当检测的温度 值小于保护值时恢复加热的过热保护电路。前述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路的电流进行检 测，当大于保护值时停止加热的电流保护电路。前述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路的电压进行检 测，当大于保护电压时停止加热的电压保护电路。前述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路还包括当发生异常信号，接 受异常信号并发出报警信号的报警电路。前述的机车专用电磁炉，其特征在于电磁炉的工作台面采用黑晶板。本实用新型的有益效果是本实用新型的电磁炉的工作原理是经过高频电子转换 装置，使直流电变为高频交流电，将高频交流电加在主回路上，产生交变磁场，再在电磁炉 工作台面上的铁锅、铁壶等铁制品中产生涡流，完成电能向热能的转换，产生热效应。它的 优点是效率高，体积小，重量轻，噪音小，省电节能，不污染环境，对电子电器无干扰，安全卫 生，加热速度快、均勻。本实用新型经过改造设计，将民用的电磁炉设计成机车上专用的电 磁炉，大大改善了机车的工作条件。
图1是本实用新型的电器原理框图；图2是本实用新型中的交流电路的电路原理图；图3是本实用新型中流过加热线圈的电流的波形图；图4是本实用新型中的炉面温度检测的电气原理示意图；图5是本实用新型中的IGBT温度检测的电气原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。本实用新型在民用电磁炉不断创新的基础上，研制新的机车专用电磁炉。不改变 机车原电炉设计安装位置结构，新的电磁炉安装方便、安全可靠、节能、环保、操作方便、对 机车其他电器、电线路无干扰、无损害、电磁炉台面能经受正常使用中发生的应力、不放出 有害的射线，或出现毒性或类似的危险。在研制过程中，首次设计方案是将机车110V直流电经逆变装置逆变成220V交流 电，直接将家用电磁炉接在电源上使用。在研制过程中发现，这种设计比较复杂，电磁炉体 积大，安装不方便，成本较高，不易管理。经重新设计，通过高频电子转换装置使机车110V 直流电变为超过音频的高频交流电，将高频交流电加在主回路上，产生交变磁场，再在电磁 炉工作台面上的铁锅、铁壶等铁制品中产生涡流，完成电能向热能的转换产生热效应。确定 本电磁炉的外形尺寸，可利用机车原有的电炉空间，在机车上无需任何加装改动。将研制出 的机车专用电磁炉进行地面和上车试验，发现电磁炉工作台面(耐热陶瓷板)容易破损，改 成抗振动能力强、耐热性能高的黑晶板。经再次上车试验，本工作台面黑晶板能达到设计要 求。[0028]图1是本实用新型的电器原理框图，本实用新型的机车专用电磁炉，包括一作为主要工作电路的变流电路，所述的变流电路包括对机车直流电进行整流升 压，输出的高压直流电加到主回路和功率开关管两端的主电源、接受功率开关管的控制，将 电能转变成热能并向外输送的主回路、控制主回路工作的功率开关管；一产生并放大矩形脉冲信号、提供大的驱动电流，控制功率开关管的导通和截止 时间，从而控制主回路的是输出功率的振荡驱动电路；一根据感应的温度值对振荡驱动电路进行触发的功率电路；一对变流电路、振荡驱动电路、功率电路进行散热的电风扇。1、变流电路电磁炉的变流电路包括主电源A、主回路B(感应加热线圈L和谐振电容器C组 成的并联振荡回路)和功率开关管VTK组成。其原理电路如图2所示。机车110V直流电，经主电源A再次整流升压、LC(L1和CO)滤波后，输出高压直流， 加到主回路B和功率开关管VTK的两端。功率开关管VTK在D端的驱动脉冲信号的作用下 处于“饱和导通”和“截止”的开关工作状态中。当功率开关管VTK导通时在高压直流电源作用下，流过感应加热线圈L中的电流 iL(t)逐渐增大。当功率开关管VTK截止时由于功率开关管VTK关断，iL(t)对谐振电容器C充电、 谐振电容器两端的电压Uc(t)不断增大；当iL(t) = 0时，谐振电容器C对感应加热线圈L 放电；当Uc(t) =0时，iL(t)又对谐振电容器C反向充电；当iL(t) =0时，谐振电容器C 又对感应加热线圈L反向放电。从而在主回路B中引起振荡。由于负载(锅具)在LC回路中的折合阻抗存在着损耗(这一损耗就是用来起加 热作用的能量)，所以振荡是衰减振荡。本电路应满足二阶动态电路的欠阻尼状态条件，且 应将功率开关管VTK的触发驱动脉冲所加到的时刻调整好。功率开关管VTK的触发驱动脉 冲信号的连续作用控制下，重复上述的过程控制。从而，主回路B实现了“交流”这一核心 工作。iL(t)的波形如图3所示。图中，tl为功率开关管VTk饱和导通时间；t2为功率开关管VTK截止时间；T为 高频振荡周期。由于感应加热线圈L含有磁芯，且磁通密度较大，工作于非线性区；因此， iL(t)为非正弦周期波。由于变流电路处于高频、大电流工作状态，功率开关管VTK元件上还要承受很高 的电压，所以对功率开关管VTK提出很高的要求。相应地，对触发驱动电路提出如下要求 ①提供大的触发驱动电流，对功率开关管VTK进行强触发；②提供功率开关管VTK所储存的 电荷的泄放电路。为了保障电气线路的安全、可靠工作，还必须设置灵敏、可靠的保护电路 以及报警电路。2、振荡驱动电路①振荡电路它是用来产生矩形脉冲信号。通常选用555或556时基电路，其工作 频率和脉宽占空比可调，以控制功率开关管的导通与截止时间，从而控制电磁炉的输出功 率。也有通过调节单位时间内矩形脉冲的个数，以控制功率开关管的导通与截止时间，从而 控制电磁炉的输出功率的。②驱动电路驱动电路用来放大矩形脉冲、提供大的驱动电流，以对功率开关管进行强触发并提供功率开关管在饱和导通时储存的电荷以加速其瞬间转入截止的泄放电路， 一般有多种电路予以实现。但应注意为提供“泄放通路”，在密动电路的末级采用互补电 路——由PNP晶体管和NPN晶体管构成。驱动电路的末级应采用功率较大的开关管。3.保护电路、报警电路从图1可见，它是一个较复杂的电气系统，而且工作于高频、高电压、大电流的状 态下，当电网电压波动过大，电磁炉的工作条件或工作环境等因素发生异常变化时，会发生 功率开关管、感应加热线圈、谐振电容器或其它电子元器件的损坏等意外事故。为此，必须 针对这些情况，采取电路自动保护措施。对于电磁炉，一般采用的保护电路有过电压保护、 过电流保护、过热保护、欠电压保护、负载和小件异物的检测保护等五种保护措施。保护电 路的方案和形式有不少。一般是针对上述五种保护措施分别设置取样元件(如互感器、热 敏电阻元件、电阻元件等)，分别取样保护信号，送至相应的保护电路中去跟所设置的正常 工作时的基准信号进行比较，当有差异，需要进行自动保护动作时，即通过门电路输出保护 信号，再送至振荡电路使之停止振荡，从而停止产生矩形脉冲触发信号，使功率开关管因无 触发驱动信号而停止工作，使电磁炉停止变流工作，而达到自动保护的目的。同时，保护电 路产生信号推动报警电路工作、使蜂鸣器(或喇叭等)发出报警声，促使使用者采取处理措 施。并且还可增加功率显示电路，是显示更直观。(1)、过热保护过热保护分两种，a、炉面温度检测，如图4所示，将信号传给单片机，当其值大于 保护时，停止加热，当小于保护值时恢复加热。b、IGBT温度检测，如图5所示，将IGBT的信 号传给单片机，当其值大于保护值时，停止加热，当小于最大值时继续加热。(2) LC 滤波由于电抗元件在电路中有储能作用，谐振电容器在电源供给的电压升高时，能把 部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即谐 振电容器具有平波的作用；感应加热线圈在电源供给的电流增加(由电源电压增加引起) 时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即感应 加热线圈也有平波作用。LC滤波电路的滤波，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成 接近恒稳的直流电经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经 过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。(3)电流保护单片机检测主回路的电流信号，当其大于保护值时停止加热(4)电压保护单片机分析主回路的电压信号，大于保护电压时停止加热。(5)断续加热和时间控制单片机通过控制IGBT的导通来控制电磁炉的断续加热和加热时间。本实用新型的很多局部电路都是先有技术中可以找到的，在此就不再具体描述其 电路构成。本实用新型的功能指标(1)输入直流电压90_120V
6[0060](2)额定输出功率800W(3)额定消耗功率800W(4)绝缘介电强度1000V (50HZ，60S)(5)使用环境工作温度-40°C +80°C，储存温度-40°C +70°C，空气相对湿 度彡 90% (25°C )(6)外形尺寸270mm (长)X70mm(高)X 270mm (宽)(7)重量2Kg本实用新型的创新性、先进性和成熟程度创新性将家用电磁炉的成熟技术经过改造应用于铁路机车上。先进性安全、节能、环保、使用方便、故障率低。成熟程度经装车试验，电磁炉各项指标均能达到设计要求。本实用新型的技术特点1、可直接使用机车110V直流电。2、抗震动性能好，适于用作机车车载设备。3、对机车其他电子设备无干扰，电子兼容性能好。4、安全、节能、环保、故障率低。经试验，额定电压、额定电流、额定功率均能达到设计要求。各项功能均能满足设 计要求。抗震性能能适应机车工作条件。电子兼容性能良好，对机车其他电子设备无干扰。 本机车专用电磁炉安全性能高、节能、环保、使用方便、操作简单，可以在全路所有机车上推 广、使用。全路机车在2万台左右。有60%的机车改用本产品。以每台生产厂家400元一 台(包括逆变电源)，每台加100元，全路要改装1万台左右，利润在100万左右。去掉运营 成本，也有70-80万的利润空间。下面介绍具体产品的使用的功能描述1、开机电磁炉上电后，蜂鸣器鸣叫一声，数码管及指示灯全点亮显示约l_2s(在 全亮显示过程中不响应按键动作)然后自动进入待机状态。在待机状态，数码管显示(一) 与电源指示灯闪烁显示。通过按“开/关”键使电磁炉开始工作。开机后，默认“烧水”功 能。如果有锅则开始加热；如果无锅则数码管显示故障代码E0，蜂鸣器每2-3s鸣叫一声报 警，不加热，若持续1分钟则自动关机，进入待机状态。2、按键说明a)在待机状态，除“开/关”键外，其余按键不能动作；在运行状态，每一次有效按 键，都会产生相应动作，并伴随蜂鸣器鸣叫一声。b) “开/关”键在待机状态，按“开/关”键，伴随蜂鸣器鸣叫一声，电磁炉进入运 行状态。在运行状态的任何时候，只要按下“开/关”键就可以使电磁炉停止加热，并进入 到待机状态。c)功能菜单按键在运行状态，通过按功能按键，就可以选择相应菜单功能。切换 功能菜单时，数码段显示、自动模式都产生相应变化。d) “加”、“减”键在运行状态，按“ + ”、“_”键可以调节火力。3、蒸煮a)功能描述自动模式，用户不可调节火力.先以默认火力P04加热8-12分钟左右，再转PI火力断续加热，直到默认定时时间(总共约90分钟)自动关机。4、煮饭a)功能描述自动模式，工作时间约45分钟。1.以默认P03火力加热4分钟左右。2判断水开后，停止加热约3分钟。3.以P03火力加热3 5分钟，判断水干。4.以P01火力断续加热，加热比越来越小，煮好后进入保温，保温20分钟后关机。5、烧水a)功能描述以默认P06火力加热。火力可调(P01 P06)。当档位为P06档时，水 开后进入保温，当档位为其他档时，不进入保温(总共约120分钟)。6、各功能模式的参数设置如下表 1、过电流保护当电路的负载工作电流过大时，对负载进行断电保护。2、过电压保护当电路的输入电压过大时，对电路的主要部分进行保护。3、IGBT过热保护当IGBT温度超过105+5°C时，停丨h工作，每4秒检锅一次；当 IGBT温度降到60°C时，重新加热。4、当出现浪涌时自动停lh 2秒，2秒后恢复加热。5、延时散热关机后风扇工作60秒后立即停止转动。6、1分钟无锅自动关机。四、自诊断功能电路出现异常时，由芯片检测并通过报警显示出来，并自动关机或停止加热，主要 由传感器口进行检测，数码管显示相应故障代码1、主温度传感器开路E3 ；[0104]2、主温度传感器短路E3 ；3、IGBT传感器开路E44、IGBT传感器短路E45、电压过高(> 140V) :E26、电压过低(< 85V) :E17、干烧E58、无锅E09、IGBT过热保护代码E6故障说明出现E1、E2、E6报警时，自动停止加热而不关机，当电压恢复到设定电 压时又自动回到先前的加热状态；出现E0为没有检测到合适的锅具，蜂鸣器会2秒提示一 声，一分钟后没有合适的锅具则自动回到待机状态.出现其它报警时均关机停止加热，并 显示故障代码。报警关机后，可以通过按“开关”键开机消除故障指示。本实用新型可极大地改善乘务员的工作条件，有利于保证铁路运行的安全稳定。上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所 获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
权利要求机车专用电磁炉，其特征在于包括一作为主要工作电路的变流电路，所述的变流电路包括对机车直流电进行整流升压，输出的高压直流电加到主回路和功率开关管两端的主电源、接受功率开关管的控制，将电能转变成热能并向外输送的主回路、控制主回路工作的功率开关管；一产生并放大矩形脉冲信号、提供大的驱动电流，控制功率开关管的导通和截止时间，从而控制主回路的是输出功率的振荡驱动电路；一根据感应的温度值对振荡驱动电路进行触发的功率电路；一对变流电路、振荡驱动电路、功率电路进行散热的电风扇。
2.根据权利要求1所述的机车专用电磁炉，其特征在于在所述的主回路的外侧设有用 于吸收漏磁通的金属围框。
3.根据权利要求1所述的机车专用电磁炉，其特征在于在所述的变流电路中设有使负 载电流变平滑的LC滤波元件。
4.根据权利要求1所述的机车专用电磁炉，其特征在于保证变流电路工作正常的保护 电路，所述的保护电路的输出接振荡驱动电路。
5.根据权利要求4所述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路 进行温度检测，将检测的温度传送给单片机，当检测的温度值大于保护值时，停止加热，当 检测的温度值小于保护值时恢复加热的过热保护电路。
6.根据权利要求4所述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路 的电流进行检测，当大于保护值时停止加热的电流保护电路。
7.根据权利要求4所述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路包括对主回路 的电压进行检测，当大于保护电压时停止加热的电压保护电路。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的机车专用电磁炉，其特征在于所述的保护电路还 包括当发生异常信号，接受异常信号并发出报警信号的报警电路。
9.根据权利要求1所述的机车专用电磁炉，其特征在于电磁炉的工作台面采用黑晶板。
专利摘要本实用新型涉及一种机车专用电磁炉，包括变流电路，所述的变流电路包括对机车直流电进行整流升压，输出的高压直流电加到主回路和功率开关管两端的主电源、接受功率开关管的控制，将电能转变成热能并向外输送的主回路、控制主回路工作的功率开关管；产生并放大矩形脉冲信号、提供大的驱动电流，控制功率开关管的导通和截止时间，从而控制主回路的是输出功率的振荡驱动电路；根据感应的温度值对振荡驱动电路进行触发的功率电路；对变流电路、振荡驱动电路、功率电路进行散热的电风扇。本实用新型效率高，体积小，重量轻，噪音小，省电节能，不污染环境，对电子电器无干扰，安全卫生，加热速度快、均匀，大大改善了机车的工作条件。
文档编号H05B6/10GK201623883SQ201020126678
公开日2010年11月3日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者王洪海 申请人:王洪海