微波炉磁控管磁路仿真系统说明书

第一章前言1.1 项目背景微波炉作为一种新型的厨具。

它采用电磁感应电流（又称涡流）的加热原理打破了传统的明火烹调方式，微波炉的交变磁场是通过电子线路板组成部分来产生、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线的交变的电流（即涡流）在锅具底部金属部分产生，电磁感应电流使锅具铁分子无规则高速运动，其热能是因为分子相互碰撞、摩擦产生（故微波炉煮食的热源来自于锅具底部而不是微波炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有饮具的效率均高出近1倍）来实现器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目地。

1.2微波炉简介1.2.1微波炉的基本工作原理微波炉主要由交流进线电路、电源电路、LC振荡电路、功率控制电路、整流电路、EMC防护电路、滤波电路、同步电路、控制及显示电路、电压检测电路、锅具检测电路、过零检测电路、电流检测电路、主控CPU电路、高低压保护电路、IGBT模块等组成。

图1.1为微波炉的工作原理框图图1.1微波炉的工作原理框图1.2.2微波炉的基本组成1.加热部分：微波炉有搁板在锅体下面，也有励磁线圈。

对锅体进行加热是根据电磁感应产生涡电流。

2.控制部分：主要有电源开关，功率选择钮，温度调节按钮等。

由内部的控制电路来控制。

3.冷却部分：采用风冷的方式。

炉身的侧面有进风口和出风口，内部有风扇。

4.电气部分：由整流电路、逆变电路、控制回路、继电器、电风扇等组成。

5.烹饪部分：主要包括各种炊具，供用户使用。

1.2.3微波炉的优缺点微波炉作为一种新型的厨具，具有以下优点。

1.高效节能：微波炉降低了损耗，是因为其使锅具自身发热，大大提高了热效率，热效率可达到85%～99%，与传统加热方式不同，与电炉、液化气炉等炉具相比，节省了大量的能源。

如图1.2所示2.智能烹饪：智能控制是利用单片机进行，无须看管，具有定时预约功能，来实现自动烹饪的功能。

3.安全可靠：通过了国家安全验证，使用安全可靠。

4.环保卫生：锅具可实现自身发热，不会产生热辐射，并且不排放烟尘和一氧化碳等废气，使烹饪环境更加环保卫生。

5．携带方便：重量轻、体积小，便于携带。

但微波炉不仅会产生一定的电磁干扰在其工作时，而且其散热系统也会产生一定的噪声[2]。

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%电磁炉红外线炉电炉液化气图1.2 微波炉等厨具的热效率对比示意图1.3本章小结本章主要对微波炉就行简要介绍，微波炉作为市场的一种新型厨具。

它采用电磁感应电流（又称涡流）的加热原理打破了传统的明火烹调方式，又简单介绍了微波炉的基本工作原理框图、微波炉的基本组成以及通过各种厨具的比较来简单介绍微波炉的优缺点。

第二章微波炉的加热原理2.1微波炉加热的基本工作原理微波炉采用电磁场感应涡流加热原理工作。

它先通过整流滤波把220V工频交流电变成直流电，再通过逆变把直流电转换成高频交变电流，流过感应线圈的交变电流产生强大磁场，它会产生无数小涡流在磁场内磁力线通过铁质锅的底部时，电磁感应使锅具铁分子无规则高速运动，由于分子的相互碰撞、摩擦而产生热能，而使锅具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物。

微波炉的加热工作原理如图2.1[12]图2.1 微波炉的加热工作原理2.2电磁感应加热的技术现阶段普遍为电热圈发热，把热量传到料筒上利用传导的方式，这样只能使内侧的热量传导到料筒上，存在热传导损失，大部分外侧的热量失散到空气中，导致环境温度上升，它还有一个缺点功率密度低，无法适应一些需要温度较高的场合。

电磁加热技术是使金属料筒实现自身发热，根据其具体情况在料筒外部包裹一定的隔热保温材料，这样可以大大降低热量的损失，提高热效率，使热效率达96%以上，因此节电效果十分显著，其可达30%以上，并且其加热速度也大大提高，大约为60%，其预热时间大大节省。

电磁感应加热技术被称为诱导加热技术，它的英文为：Induction Heating ，其缩写为：IH 。

它是一种新开发的电能利用手段，它的加热过程是通过电磁场直接作用于被加热的导体，其加热效率比传统的加热方式要高很多，可达到90%以上。

另外在使用寿命、安全性能等方面都具有独特的优势，是根据电磁感应加热技术与传统的油、气、煤和使用电热管的用电设备相比而言的[4]。

在导体外面绕一线圈，设其匝数设为1N ,当在交变电流通入线圈中后，就会产生相同频率的交变磁通ø通过感应线圈中，以及在金属工件中就会有感应电动势e 产生。

如 图2.2所示图2.2电磁感应示意图设金属工件的等效匝数为2N ，故MAXWELL 的电磁方程式为：dtd Ne φ2-= （2-1） 设交变磁通为t m ωφφsin =，则t cos N dtd Ne m ωωφφ22-=-= （2-2） 感应电动势的有效值为：m m mfN .fN N E φφπφω222444222=== （2-3） 此感应电动势在工件中使工件内部加热是感应涡流的产生I ，其焦耳热为：Rt I Q 224.0= （2-4）其中：I ——感应电流的有效值，单位为A ；Q ——感应电流通过电阻产生的热量，单位为J ； t ——工件通电的时间，单位为S ；R ——工件的等效电阻，单位为Ω。

由公式（2-3）和（2-4）可以看出，e 及P 与交变磁通的频率和磁场强度有关，在感应线圈中通过的电流越大，其产生的感应磁通量就越大，故为使金属工件中的感应涡流加大可以通过提高感应线圈中的电流值来实现；另外为使工件中的感应电流加大可以在一定条件下通过来提高工作频率来实现，从而可以使工件的发热效果得到提高。

由此可以看出电磁感应加热的发热效率不仅与频率和磁场强度，金属工件大小，截面积的形状有关，而且还与工件本身的导电等特性有关。

电磁感应加热的过程是，首先把电能转化成磁能通过感应线圈来实现，产生同频率交变的电动势E ，交变电动势E 作用于金属工件后，形成闭合回路。

在工件中产生电流，从而把磁能转换成电能。

然而涡流可能很大因为块状金属的电阻一般较小，所以在金属内流动时就会释放出大量的热能。

这样，又可以实现电能转化成金属工件的内能，从而达到加热的目的。

在电磁感应加热过程中能量转化关系如图2.3所示[5]：2.3串联、并联谐振逆变器的负载拓扑结构及优缺点高频感应加热电源的负载都是功率因素很低的感性负载，可以等效成一个电感和一个电阻串联或并联的形式。

等效的电感、电阻其值受耦合程度的影响，它是感应器和负载耦合的结果。

一般采用增加补偿电容的方法来提高功率因数，主要有两种方式：一种是并联补偿，另一种是串联补偿，从来形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路和串联谐振电路。

感应加热电源一般工作在准谐振状态，这样可以提高效率和保证逆变器的安全运行。

串联谐振电路和并联谐振电路的特性见表2-1[3]。

表2-1串并联谐振电路特性比较电流磁效应 感应电流 电流热效应 图2.3 感应加热能量转化图串联谐振电路采用电压源供电，从而获得最大的电源输出功率。

并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值，并联谐振电路采用电流源供电，从而获得最大的电源输出功率。

为了满足MOSFET ，IGBT 等器件的要求，串联谐振逆变器中在换流时要反并联二极管，其中续流的电流为正弦波，所以开关器件承受的反压是非常低的是反并联二极管的正向导通压降。

同时串联谐振逆变器不仅可以自激工作，也可以他激工作，并且起动比较简单。

串联谐振逆变器采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容电压不能突变，因此瞬时将会产生很大的放电电流，远远大于功率器件的额定电流，如果不能在允许的短路时间内将器件关断，就将会对器件造成永久性损坏。

串联谐振逆变电器对补偿电容耐压的要求比较高，因而必须采取相应的措施来降低补偿电容上的电压。

并联谐振逆变器采用大电感进行滤波，当负载发生短路时，由于电感电流不会突变，因此电流上升率就将会得到抑制，不易损坏功率器件，保护起来比较容易。

由于其负载电路的电容、电感本身构成振荡回路，因此运行较为可靠，并且对负载的适应能力强。

该电路对补偿电容耐压的要求只要达到负载两端正弦电压的峰值即可。

在换流期间，用于高频感应加热电源的自关断器件IGBT ，所承受反压的能力低，而逆变开关器件有可能承受反压。

如果在电路中为进行保护而采用反并联二极管，则会出现环流从而损坏器件。

因此，每一桥臂必须串入快速恢复整流二极管，并且其串入的整流二极管与开关器件相同等级的以承受反向电压。

但是，并联谐振逆变器起动时间较长，起动比较困难，需要对滤波大电感预充电，因而控制电路也相对比较复杂。

并联谐振逆变器采用大电感滤波，虽然带来了短路保护比较容易的优点，但同时也带来了体积也非常庞大的缺点，从而使整个装置体积增大。

综合所述比较串、并联谐振逆变器的优缺点，考虑到本项目中我们研究的电磁加热环境，我选择并联型逆变器作为微波炉电磁感应加热电源的逆变电源主电路。

2.4感应加热电源的负载等效模型为了便于分析，将加热负载上感应电流的环行区域看作为一个单匝线圈且是闭合的，并且等效电阻为0R ，等效电感为0L 。

这样线盘线圈L 和等效线圈0L 组成一个变压器，其中0R 为负载电阻，其大小取决于工件自身因素。

将0R 等效折算到加热线盘回路中，设其等效电阻为R ，则感应加热的负载等效为阻感负载，如图2.4所示。

因为负载呈感性，这样会造成电路功率因数降低和无功损耗的增大，因此在实际应用中矫正电路都要通过加功率因数，即为提高功率因数和降低无功损耗，在原电路的基础上附加一个容性元件，从而使电路趋向于纯电阻性。

其中最常用的方法是将加热线盘与矫正电容并联和串联构成谐振电路，并促使电路工作在谐振频率附近，有两方面的功能：一是提高功率因数，二是当并联谐振时通过线盘的电流最大或当为串联谐振时线盘两端的电压最高，因此在并联谐振或串联谐振一定的情况下，在负载的功率最大[6]。

在实际应用中，一般是直流电源通过高频电子开关进行间歇性的给谐振回路供电，，只有在部分时间内谐振电路处在谐振状态，通常称为准谐振状态。

根据系统中采用的并联谐振逆变电路，下面来详细简要介绍该并联谐振逆变电路的工作过程。

并联谐振逆变电路可能出现的工作状态模型有以下3种情况：1. RL 电路与直流电源接通的暂态过程开关接通前电流为零，开关接通后电流逐渐增大。

如图2.5所示，设开关接通的时刻选作0=t ，取图示所示为参考方向，则根据基尔霍夫第二定律有 l r U u u =+ （2-7）即： di U L Ri dt=+ (2-8) 在符合初始条件0)0(=+i 情况下，解此方程里的特解为)1()(t L Re R U t i --= (2-9) 则在电感中1t 时刻的电流为图2.4 感应加热负载等效电路R 0 RL)1()1()(111τtt L R e R U e R U t i I ---=-== (2-10) 其中RL =τ，并称其为RL 电路中的时间常数，并且当τ=t 时，i 达到了稳态值的63%。