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新型高频电磁加热热水器的研究与设计

晨怡热管 浙江大学电气工程学院,浙江 杭州 310027 王峰 陈辉明 王英 潘如峰 2007-2-12 18:12:22

1 引 言
    目 前 , 在 家 庭 浴 用 设 施 方 面 尤 受 人 们 欢 迎 的 是 淋 浴 热 水 器 。 为 满 足 人 们 的 需 要 , 各 厂 家 相 继 研 制 出 燃 气 、 电 加 热 、 太 阳 能 等 热 水 器 。 然 而 在 使 用 中 , 这 些 热 水 器 都 有 各 自 的 缺 点 , 燃 气 和 电 热 水 器 的 安 全 性 较 低 , 太 阳 能 热 水 器 的 效 率 不 高 , 这 都 造 成 了 它 们 使 用 的 局 限 性 。 采 用 感 应 加 热 原 理 设 计 的 高 频 电 磁 加 热 热 水 器 和 以 上 几 种 相 比 有 着 突 出 的 优 点 。 它 是 利 用 电 磁 感 应 产 生 的 交 变 磁 场 , 在 圆 柱 状 的 发 热 体 的 表 面 形 成 涡 流 达 到 直 接 加 热 的 目 的 , 效 率 比 贮 水 式 热 水 器 要 高 20% , 加 热 时 间 比 相 同 功 率 的 电 热 水 器 要 快 得 多 , 更 值 得 指 出 的 是 , 它 通 过 感 应 线 圈 使 发 热 体 产 生 涡 流 达 到 加 热 的 目 的 , 实 现 了 发 热 体 和 主 电 路 之 间 电 气 上 的 隔 离 , 避 免 了 电 热 水 器 因 绝 缘 损 坏 而 产 生 的 漏 电 现 象 , 在 安 全 性 上 大 大 提 高 了 。 试 验 表 明 , 我 们 研 制 的 1.5 kW, 30 kHz的 电 磁 热 水 器 完 全 符 合 要 求 。
2 电 路 拓 扑 及 设 计 过 程
    电 磁 热 水 器 电 路 的 系 统 框 图 如 图 1所 示 。 市 电 交 流 220 V经 过 滤 波 整 流 后 变 为 大 约 310 V直 流 , 通 过 半 桥 谐 振 逆 变 电 路 的 振 荡 在 线 圈 中 产 生 交 变 磁 场 , 在 发 热 体 中 产 生 涡 流 以 达 到 加 热 的 目 的 。

2.1 主 电 路 工 作 过 程 分 析
    主 电 路 的 工 作 过 程 如 图 2所 示 。 通 过 开 关 管 S1, S2的 开 通 和 关 断 , 感 应 线 圈 电 感 和 半 桥 电 路 的 两 个 电 容 在 各 自 的 回 路 形 成 谐 振 。 在 稳 态 工 作 下 根 据 开 关 管 、 负 载 、 电 容 上 电 压 电 流 的 波 形 , 电 路在 一 个 运 行 周 期 中 分 4个 工 作 模 式 :


    模 式 1 如 图 2 (a)所 示 , 开 关 管 S1开 通 , 电 流 经 S1, R, L, C2形 成 回 路 , S1开 通 时 电 压 为 零 , 减 小 了 开 关 损 耗 , 实 现 了 零 电 压 开 通 。
    模 式 2 如 图 2( b) 所 示 , 开 关 管 S1关 断 , 负 载 电 压 反 向 , 电 流 通 过 D2续 流 , 此 时 S2上 的 电 压 为 零 , 流 过 S1的 电 流 为 零 。
    模 式 3 如 图 2( c) 所 示 , 开 关 管 S2开 通 , 线 圈 中 电 流 反 向 , S2在 电 压 为 零 时 开 通 , 电 流 流 经 C1, L, R, S2。
    模 式 4 如 图 2( d) 所 示 , 开 关 管 S1、 S2都 关 断 , 电 流 经 C1, L, R, D1形 成 回 路 , 此 时 S1上 的 电 压 为 零 , 流 过 S2的 电 流 为 零 。


    V1为 RLC谐 振 回 路 中 电 容 上 的 起 始 电 压 ;
    I1为 RLC谐 振 回 路 中 电 感 上 的 起 始 电 流 ;

该 电 路 的 输 出 功 率 为 :

式 中 : Vs2为 开 关 管 电 压 ;
    iL为 负 载 电 流
2.2 控 制 方 法 及 实 现
    该 控 制 电 路 的 框 图 如 图 3所 示 。

    开 机 信 号 经 过 RC缓 冲 后 输 入 到 压 控 振 荡 器 ( VCO) 的 输 入 端 , 输 出 信 号 经 分 频 后 经 过 驱 动 电 路 实 现 对 MOSFET的 控 制 , 为 降 低 成 本 , 该 电 路 采 用 单 一 频 率 , 电 压 、 电 流 开 环 控 制 , 而 通 过 加 热 水 温 度 的 反 馈 控 制 起 停 。 为 了 减 少 开 机 时 对 MOSFET的 冲 击 , 采 用 了 RC缓 冲 软 启 动 电 路 , 以 扫 频 的 方 式 实 现 开 机 时 功 率 的 逐 步 增 加 。
2.3 输 入 滤 波 器 的 设 计
    通 常 输 入 滤 波 器 采 用 大 电 容 或 大 电 感 使 逆 变 器 的 输 入 电 压 或 电 流 变 成 直 流 , 但 这 种 设 计 也 带 来 了 很 多 的 问 题 , 例 如 : 逆 变 器 输 入 功 率 因 数 很 差 , 同 时 逆 变 器 电 路 的 谐 波 对 电 网 的 干 扰 也 成 为 一 个 不 可 忽 略 的 因 素 。 为 了 减 小 电 路 对 电 网 的 谐 波 污 染 , 改 善 逆 变 器 的 功 率 因 数 , 该 电 路 采 用 了 LC滤 波 的 方 式 , 使 电 路 产 生 的 谐 波 降 到 最 低 , 同 时 使 输 入 电 压 和 电 流 的 包 络 线 同 相 , 从 而 使 负 载 侧 功 率 因 数 接 近 为 1。
    图 4( a) 是 采 用 大 电 容 滤 波 时 输 入 电 流 的 波 形 。 由 图 可 见 , 只 有 当 整 流 后 的 电 压 大 于 电 容 上 的 电压 时 , 电 网 才 会 向 逆 变 器 输 入 功 率 。 图 4( b) 采 用 的 是 LC滤 波 , 输 入 电 流 近 似 于 正 弦 波 , 高 次 谐 波 明 显 减 少 。 图 4( c) 是 两 种 情 况 下 输 入 电 流 谐 波 的 比 较 , 白 色 是 采 用 电 容 滤 波 , 黑 色 是 LC滤 波 。 由 图 4可 见 , 采 用 LC滤 波 的 效 果 明 显 好 于 单 一 电 容 滤 波 。
    在 滤 波 电 感 的 设 计 中 , 由 式 ( 8) 可 知 ,


电 感 磁 芯 体 积 的 大 小 与 通 过 电 感 的 电 流 成 正 比 。 为 了 减 小 滤 波 电 感 的 体 积 , 采 用 了 无 气 隙 环 形 磁 芯 的 饱 和 电 感 , 当 主 电 路 电 流 超 过 一 定 值 时 , 电 感 磁 芯 饱 和 , 电 路 中 只 剩 下 电 容 滤 波 。 饱 和 电 感 电 感 值 与 电 流 的 关 系 由 式 ( 9) ~ 式 ( 12) 给 出 。

    仿 真 和 试 验 结 果 表 明 , 采 用 饱 和 电 感 后 输 入 电 流 的 谐 波 有 所 增 加 , 但 整 流 二 极 管 和 开 关 管 上 的 电 流 和 电 压 值 没 有 太 大 的 变 化 , 电 感 的 体 积 减 小 了 很 多 , 仿 真 结 果 如 图 5所 示 。
    滤 波 器 参 数 经 计 算 , 电 感 L取 300~ 400 μ H, 电 容 C取 5μ F滤 波 效 果 最 好 。 由 滤 波 器 传 递 函 数

得 出 的 伯 德 图 如 图 6所 示 。 由 图 6可 见 , 电 路 工 作 在 频 率 30 kHz时 的 谐 波 被 完 全 地 滤 掉 。

3 试 验 结 果 及 波 形
    根 据 以 上 思 路 , 设 计 了 一 台 功 率 1.5 kW, 工 作 频 率 30 kHz的 样 机 , 图 7是 试 验 波 形 , 试 验 结 果 验证 了 以 上 推 导 的 特 性 。


    图 7( a) 中 , 波 形 1是 开 关 的 驱 动 波 形 , 2是 开 关 管 两 端 的 电 压 波 形 , 4是 电 感 电 流 波 形 。 图 7( b)中 , 2是 输 入 滤 波 器 后 的 电 压 波 形 , 4是 电 感 电 流 波 形 。 由 图 7( b) 可 以 看 出 输 入 电 压 和 电 感 电 流 的 包 络 线 同 相 位 , 负 载 侧 功 率 因 数 接 近 于 1。
4 结 语
    由 于 采 用 了 半 桥 式 谐 振 电 路 和 LC输 入 滤 波 器 的 设 计 , 在 器 件 的 选 择 、 电 源 效 率 、 对 电 网 的 谐 波 干 扰 等 方 面 比 同 类 的 单 管 电 路 提 高 很 多 。 但 在 减 小 开 关 的 导 通 损 耗 , 防 止 电 路 的 直 通 方 面 尚 需 进 一 步 改 进 。

参 考 文 献

[1] Eduard M.et al.Power Factor Enhancement of Induction Machines by Means of Solid State Excitation[J].IEEE Trans.on Power Elec.1989,(4):409~ 418
[2] 林 渭 勋 .现 代 电 力 电 子 电 路 [M].杭 州 :浙 江 大 学 出版 社 ,2002.
[3] 张 占 松 ,蔡 宣 三 .开 关 电 源 的 原 理 与 设 计 [M].北京 :电 子 工 业 出 版 社 ,1998.

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