新型高頻電磁加熱熱水器的研究與設計

摘要：介紹了一種利用半橋諧振電路實(shí)現的新型電磁熱水器的設計原理和方法。試驗結果表明基于感應加熱原理的電磁熱水器可穩定工作在1.5kW，30kHz的范圍，并使輸入諧波降到最低，負載側功率因數達96％以上，效率達92％。

關(guān)鍵詞：感應加熱；熱水器；半橋電路；諧振

1 引言

目前，在家庭浴用設施方面尤受人們歡迎的是淋浴熱水器。為滿(mǎn)足人們的需要，各廠(chǎng)家相繼研制出燃氣、電加熱、太陽(yáng)能等熱水器。然而在使用中，這些熱水器都有各自的缺點(diǎn)，燃氣和電熱水器的安全性較低，太陽(yáng)能熱水器的效率不高，這都造成了它們使用的局限性。采用感應加熱原理設計的高頻電磁加熱熱水器和以上幾種相比有著(zhù)突出的優(yōu)點(diǎn)。它是利用電磁感應產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，在圓柱狀的發(fā)熱體的表面形成渦流達到直接加熱的目的，效率比貯水式熱水器要高20％，加熱時(shí)間比相同功率的電熱水器要快得多，更值得指出的是，它通過(guò)感應線(xiàn)圈使發(fā)熱體產(chǎn)生渦流達到加熱的目的，實(shí)現了發(fā)熱體和主電路之間電氣上的隔離，避免了電熱水器因絕緣損壞而產(chǎn)生的漏電現象，在安全性上大大提高了。試驗表明，我們研制的1.5kW，30kHz的電磁熱水器完全符合要求。

2 電路拓撲及設計過(guò)程

電磁熱水器電路的系統框圖如圖1所示。市電交流220V經(jīng)過(guò)濾波整流后變?yōu)榇蠹s310V直流，通過(guò)半橋諧振逆變電路的振蕩在線(xiàn)圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在發(fā)熱體中產(chǎn)生渦流以達到加熱的目的。

圖1 電路系統框圖

2.1 主電路工作過(guò)程分析

主電路的工作過(guò)程如圖2所示。通過(guò)開(kāi)關(guān)管S₁，S₂的開(kāi)通和關(guān)斷，感應線(xiàn)圈電感和半橋電路的兩個(gè)電容在各自的回路形成諧振。在穩態(tài)工作下根據開(kāi)關(guān)管、負載、電容上電壓電流的波形，電路在一個(gè)運行周期中分4個(gè)工作模式:

模式1 如圖2(a)所示，開(kāi)關(guān)管S₁開(kāi)通，電流經(jīng)S₁，R，L，C₂形成回路，S₁開(kāi)通時(shí)電壓為零，減小了開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現了零電壓開(kāi)通。

模式2 如圖2（b）所示，開(kāi)關(guān)管S₁關(guān)斷，負載電壓反向，電流通過(guò)D₂續流，此時(shí)S₂上的電壓為零，流過(guò)S₁的電流為零。

模式3 如圖2（c）所示，開(kāi)關(guān)管S₂開(kāi)通，線(xiàn)圈中電流反向，S₂在電壓為零時(shí)開(kāi)通，電流流經(jīng)C₁，L，R，S₂。

模式4 如圖2（d）所示，開(kāi)關(guān)管S₁、S₂都關(guān)斷，電流經(jīng)C₁，L，R，D₁形成回路，此時(shí)S₁上的電壓為零，流過(guò)S₂的電流為零。

(a) 模式1 (b) 模式2

(c) 模式3 (d) 模式4

圖2 主電路工作過(guò)程

V_L＋V_R＋V_C=V_TH （1）

L＋Ri_L＋i_Ldt=±V_in （2）

i_L= （3）

V_R=R （4）

V_L=L×(βcosβt₁－αsinβt₁)－I₁(βsinβt₁＋αcosβt₁)] （5）

V_RL=V_R－V_L （6）

式中：α=R/2L；

β=；

R=R_eq＋R_on；

V₁為RLC諧振回路中電容上的起始電壓；

I₁為RCL諧振回路中電感上的起始電流；

V_TH在模式2、4為0，模式1為，模式3為；