小功率高频感应加热器的设计与制作 应线圈的等效串联电

小功率高频感应加热器的设计与制作 应线圈的等效串联电 小功率高频感应加热器的设计与制作 应线圈的等效串联电 家用感应加热装置的典型应用是电磁灶,其功率一般在lkW左右,要求被加热容器的底部直径不小于120mm.本设计的感虚加热器输出功率定在200W~300W,感应器有效直径lOOmm左右,主要用于小容量的液体、食品、易拉罐饮品的加热,在家庭、医院、宾馆房间、零售商店中有广泛应用.感应加热要求感应线圈的品质因数(Q值)高,Q可由下式计算:Q=X/R=ωL/R其中,L是感应线圈的电感(单位H),ω是驱动源的开关频率,R是感应线圈的等效串联电阻(Ω).通过以不同的驱动频率驱动加热线圈,可以得到线圈参数与频率的关系.当感应线圈靠近铁制品时.其等效电阻将大幅度增加,Q值下降;而当其靠近非铁磁性金属时,其等效电阻增加很少,其Q值下降不大.这种特性使铁金属更易被感应加热.例如,在驱动频率为100kHz时,靠近铁制品的线圈,其R值为2Ω,而靠近铝制品时,R值仪0.238Ω;当驱动频率为400kHz时,空载线圈的Q值达到318,在靠近铝制品时下降为124,而在靠近铁制品时下降至13.因此,在选择驱动源频率时,要选择空载线圈的R值和有铁金属时的R值相差大的频率,这个频率范围一般在lOOkHz至400kHz.为了减小加热线圈自身的损耗,线圈需用很多股细铜线组成的绞合线来绕制,这样容易制战高频损失小、Q值高的线圈.感应线圈有两种形状,一种是加热普通平底铁金属容器的平板线圈.另一种是加热易拉罐的筒形线圈.在实际的感应加热电路中,感应线圈与其等效串联阻抗R,以及外加电容器C等共同构成LCR串联谐振电路.图1是本高频感应加热器的方框图.采用绝缘栅场效应管的半桥驱动、LC串联谐振电路,用锁相环(PLL)和脉宽调制(PWM)电路作闭环控制,以保证串联谐振频率的稳定:用半桥功率电路驱动加热线圈.半桥输出电路输出阻抗低,即使用方波信号作电压驱动,输出电流波形也是正弦波,因而电压相电流的相位差小,功率传输效率高.整机电路见图2.PLL及PWM恒流控制电路:采用开关稳压集成电路UC3825,实际开关频率可达lMHz,具有两路大电流推挽式输出电路.利用UC3825内的振荡电路构成压控振荡器VCO,其频率范围可取为200kHz~300kHz,由定时阻容元件R10+R9//Rt和C5的值决定.动态电阻Rt由小信号MOSFET管构成,其阻值受MCl4060B的输出控制.考虑到加热线圈L的电感量及串联谐振电容量的自由度,这个频率的可变化范围应有两倍左右.当取图2 中的数值时,振荡频率约160kHz~380kHz.为了保证振荡频率的稳定,采用PLL电路MCl4046B作相位器.由电流互感器CT检测出通过加热线圈L的电流,CT次级的负载Rl取200Ω,转换,比为1V/1A,经D1、D2双向限幅.Cl耦合至ICl的PCa端;ICl的PCb端输入电压由IC2的PWM输出电压分压.得到,其值约5Vpeak,以满足CMOS电平的需要.由于流过加热线圈的电流有少许滞后,故在PCb端加入容量约1000pF的相位补偿电容器C2.如果工作频率和LC参数有变化,该电容量也应梢应变化.如f=300kHz、电流相位滞后45.时.相位补偿电容:Ccomp=1/2πRf=l/6.28x500x300xl03=1061pF如果以某一频率驱动加热线圈,当接近铝制时,由于LCR串联谐振电路的阻抗很低,通过的大电流可能会损坏MOSFET;如果空载,也可能造成桐同后果.因此必须采用恒流控制.这里,利用电流互感器CT的输出经D3、D4倍压整流届作为反馈信号,输出电流的调节用脉宽 由IC2内部的误差放大器来实现.由IC2内部的基准电调制方式控制平均电流, 压源经电阻分压后取得+2.5V的电压,作为比较器的基准电压.调节W1可改变输出电流,也可调节输出功率. MOSFET驱动电路、半桥输出电路及LC串联谐振电路:在负荷为铁制品时,由于串联谐振电路的R将增大,故应设置较高的电源电腥(选定为300V).又由于在空载时,R很小而Q值高.将有很大的电流流过功率输出管,故应选用漏极电流大的MOSFET管.这里选用电流达12A的2SKl489两强构成半桥输出.驱动信号由UC3825输出、经C13~CJ6和脉冲变压器Tl、T2耦合至推动级.D7~D10用于保护大功率MOSFET.在半桥输出电路中插入了电流互感器CT,用以检出流过加热线圈的电流.加热线圈L和电容C19、C20构成LC谐振电路.作为半桥输出的负载.当LC串联电路谐振时,即使用方波驱动,流过线圈的电流波形也是正弦波.加热线圈可作为平板形(加热甲底容器)或筒形(加热易拉.罐).为减少由于集肤效应产生高频损失,加热线圈的材料用120根φ0.08mm的细铜线绞合而成.线圈的尺寸见图3.整机供电电路:功率输出电路由交流市电经桥式整流提供+300V电源,用7812和78L05提供+12V及+5V给其余电路供电.+300V电源在开机时会有大的冲击电流,因而滤波电容不能用电解电容,而要选薄膜电容器;C24为4.71μF,另在半桥输出的电源端子加4.7μF(C21),使滤波电容的总容最为9.4μF.为避免半桥输出电路产生的噪声串人交流供电线路,加入了电感L2作滤波器.元件选用:D1l、D13、D7、D9采用肖特基二级管,D8、D10采用超高速二极管;电感Ll、L2及电流互感器CT均采用磁环绕制.试用效果:由WI设定功率为250W,此时交 流电流约1.2A.对盛水的平底铁制容器,用平板线圈加热到水温80?耗时200秒;当不盛水时,加热至100?仅用加40秒;当用筒形线圈加热盛满水的铁罐头盒时,加热至80?耗时180秒. 转载请注明本文来源:导热油炉