電磁爐工作原理與故障分析上篇(多圖)

目錄
靠前章 電磁爐的基本工作原理的介紹
第二章 電磁爐組裝結(jié)構(gòu)圖
第三章 電磁爐的基本加熱功能及保護(hù)功能介紹
第四章 電磁爐的原理圖各功能部分的分析
第五章 電磁爐常見異常故障分析之“葵花寶典”
第六章 電磁爐元器件的認(rèn)別及其測量方式
第七章 電磁爐上元器件的規(guī)格與作用簡介
電磁爐由于具有熱效率高、使用方便、無煙熏、無煤氣污染、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)代家庭使用

靠前章 電磁爐的基本工作原理的介紹
電磁爐的加熱原理 電磁爐又稱電磁灶，分為工頻（低頻）和高頻兩種。其中，工頻電磁爐工作簡單可靠，但躁聲大，熱效率低，這里所說的電磁爐指高頻電磁爐。 電磁爐是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的工作原理。由整流電路將50/60Hz的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓（AC-DC-AC、交流-直流-交流），再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20~35KHz的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿底部金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內(nèi)的東西，達(dá)到用戶使用的結(jié)果。 如圖1


圖2

如圖2。電磁感應(yīng)加熱的基本過程，至少需要整流單元、功率開關(guān)管、功率開關(guān)管驅(qū)動控制單元、加熱線圈單元及鍋具等部件。電磁爐是運(yùn)用高頻電磁感應(yīng)原理加熱。它將市電整流濾波后得到的脈動直流轉(zhuǎn)換為高頻電流，通過加熱線圈建立高頻磁場，磁力線經(jīng)線圈與金屬器皿底部構(gòu)成的磁回路穿透爐面作用于鍋底，利用小電阻大電流的短路熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，在鍋底形成渦流而發(fā)熱，起到加熱器皿中的食物的作用。 一般來講,器皿一般是用鋼質(zhì)、鐵質(zhì)材料來加熱，鋁、銅由于表面電阻率太小，而不易被加熱，陶瓷、木等又由于表面電阻率太大，使產(chǎn)生電流太小，所以也不易被加熱。


第二章 電磁爐組裝結(jié)構(gòu)圖


電磁爐整機(jī)零件一般包括如下：
1、陶瓷板： 又叫微晶玻璃板，位于電磁爐頂部，用于鍋具的墊放，具有足夠機(jī)械強(qiáng)度，耐酸堿腐蝕，耐高低溫沖擊。 2、上 蓋： 用耐溫塑料制成，作為電器的外保護(hù)殼。
3、面 膜： 用塑料薄膜制成，用于功能顯示及按鍵操作指示。
4、燈 板： 又叫顯示控制板，位于殼內(nèi)，進(jìn)行功能顯示及功能按鍵操作。
5、爐面?zhèn)鞲衅鹘M件：位于殼內(nèi)，嵌在發(fā)熱盤的中間，用橡膠頭或其它方式頂住陶瓷板，用于控制爐面鍋具的溫度。
6、加熱線盤：位于殼內(nèi)，主工作器件，發(fā)射磁力線，自身也會發(fā)熱。
7、主 控 板：又叫電源板、主板，位于殼內(nèi)，作為電轉(zhuǎn)換的控制的主工作部分。
8、電源線及線卡：連接市電與電磁爐，提供電源通道。
9、電 風(fēng) 扇：位于殼內(nèi)，通過吸風(fēng)將爐內(nèi)熱量帶出殼外，起降溫作用。
10、下 蓋： 用耐溫塑料制成，作為電器的下保護(hù)殼，及支撐內(nèi)部器件及鍋具作用。

第三章 電磁爐的基本控制功能及保護(hù)功能介紹
電磁爐分顯示部分和主板控制部分
1、一般功能說明 1)、顯示介面有LED發(fā)光二極管顯示模式、數(shù)碼管、LCD液晶、VFD熒光屏顯示模式幾種。 2)、操作方式有輕觸按鍵、薄膜按鍵、觸摸按鍵、編碼器、電位器等模式。 3)、操作功能有加熱火力調(diào)節(jié)、自動恒溫設(shè)定、定時開機(jī)、預(yù)約開/關(guān)機(jī)、電量電壓查詢、自動功能和半自動功能（蒸煮、煮粥、煲湯、煮飯）、手動功能（煎、炸、抄、烤、火鍋）等料理功能。 4)、使用電壓范圍分兩個不同電壓段，220VAC～240VAC機(jī)種在100VAC～280VAC或100VAC～120VAC機(jī)種在85VAC~144VAC之間可連續(xù)工作，適用于50/60Hz的電壓頻率。使用環(huán)境溫度在－20℃～45℃。 注明： a）、功率輸出：輸出范圍120W~2200W之間 b）、溫度控制: 即定溫控制。 c）、定時控制: 可進(jìn)行時間設(shè)置關(guān)機(jī)或開機(jī)。 d）、大小物檢測:小于一定面積的金屬將不被加熱。Φ60~Φ100、Φ80~Φ120
2、保護(hù)功能
具有鍋具超溫保護(hù)、鍋具干燒保、爐面?zhèn)鞲衅鏖_短路保護(hù)、爐面失效保護(hù)，IGBT測溫傳感器開短路保護(hù)，IGBT溫度限制控制和超溫保護(hù)、高低壓保護(hù)、 2小時無按鍵保護(hù)、浪涌電壓/電流保護(hù)、高低溫環(huán)境工作模式，VCE過壓保護(hù)、過零檢測、大小物檢測，鍋具材質(zhì)檢測。 注明: a）無鍋報警，無鍋或鍋具材質(zhì)不對，小物件：停止加熱。若在1分鐘內(nèi)檢測到有鍋，則自動退出報警狀態(tài)，并恢復(fù)原來工作狀態(tài)。 b）高/低壓保護(hù)，當(dāng)市電電網(wǎng)電壓波動超出工作范圍時，應(yīng)能停止功率輸出并報警，例如超出100~280V時出“低‘E1’”或“高‘E2’”； c）爐面?zhèn)鞲衅鏖_路時，開機(jī)1分鐘后檢測，停止功率輸出及報警，顯示“E3”； d）爐面?zhèn)鞲衅鞫搪窌r，停止功率輸出及報警，顯示“E4”； e）IGBT傳感器開路時，開機(jī)1分鐘后檢測，停止功率輸出及報警，顯示“E5”； f）IGBT傳感器短路時，停止功率輸出及報警，顯示“E6”； g）主傳感器失效，停止功率輸出及報警，顯示“E7”； h）干擾保護(hù),當(dāng)電網(wǎng)上產(chǎn)生瞬間高壓或浪涌電流時，電路停止功率輸出，暫停工作2S，當(dāng)干擾去除后能回復(fù)功能輸出。 i）過溫保護(hù)/干燒保護(hù),由于電磁爐為加熱電器，內(nèi)部很多器件在工作時會發(fā)出熱量，當(dāng)溫度過高時因能報警并停止功率輸出，電源指示燈閃爍，待溫度下降后恢復(fù)加熱 j）IGBT溫度過熱,當(dāng)高電壓低功率自動提高功率以減小IGBT溫升，如果出現(xiàn)異常溫升，則溫度達(dá)到95℃～110℃則停止加熱保護(hù),待溫度低于65℃左右恢復(fù)加熱。 [Page]

以艾美特電磁爐為例

3、電路控制上，除有上述功能的電路外，還應(yīng)有如下動作電路：
a） 交流轉(zhuǎn)直流，通過整流橋堆進(jìn)行轉(zhuǎn)換；
b） 電源轉(zhuǎn)換，將強(qiáng)電轉(zhuǎn)換成弱電，提供18V，5V。
c） 過零電路（同步電路），當(dāng)IGBT的反壓降到最低時才打開IGBT；
d） IGBT驅(qū)動電路
e） 諧振電路，
f） 功率控制電路，將PWM進(jìn)行積分處理，進(jìn)行不同檔下的功率控制；
g） 檢鍋電路；
h） 反壓保護(hù)電路，將IGBT工作反壓控制在合理范圍內(nèi)；
I） 高壓保護(hù)電路
J） 功率校準(zhǔn)電路，通過可調(diào)電阻進(jìn)行
K） 蜂鳴器驅(qū)動電路，風(fēng)扇驅(qū)動電路，熱敏電阻取樣電路
L） 主芯片電路
m） 顯示及按鍵控制電路


第四章 電磁爐的原理圖各功能部分的分析
電磁爐主板原理方框圖

主板分成10大部分：
1、主回路的主諧振電路分析
2、IGBT驅(qū)動電路分析：(推挽式電路，高電平驅(qū)動有效)
3、電流取樣電路
4、干擾保護(hù)電路
5、電壓AD取樣電路
6、同步電路和壓控/自激電路
7、反壓保護(hù)與PWM控制電路
8、爐面?zhèn)鞲衅髋cIGBT熱敏電阻取樣電路
9、風(fēng)扇控制電路
10、開關(guān)電源電路

一、主回路的主諧振電路分析

由電力電子電路組成的電磁爐（Inductioncooker）是一種利用電磁感應(yīng)加熱原理，對鍋體進(jìn)行渦流加熱的新型灶具。主電路是一個AC/DC/AC變換器，由橋式整流器和電壓諧振變換器構(gòu)成，當(dāng)電磁爐負(fù)載（鍋具）的大小和材質(zhì)發(fā)生變化時，負(fù)載的等效電感會發(fā)生變化，將造成電磁爐主電路諧振頻率變化，導(dǎo)致電磁爐的輸出功率不穩(wěn)定，就會使功率管IGBT過壓損壞。在此先分析電磁爐主諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過程是怎樣的。 1）電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電磁爐的主電路如圖1所示，市電經(jīng)橋式整流器變換為直流電，再經(jīng)電壓諧振變換器變換成頻率為20～35kHz的交流電。電壓諧振變換器是低開關(guān)損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開關(guān)管的開關(guān)動作由單片機(jī)控制，并通過驅(qū)動電路完成。


電磁爐的加熱線圈盤與負(fù)載鍋具可以看作是一個空心變壓器，次級負(fù)載具有等效的電感和電阻，將次級的負(fù)載電阻和電感折合到初級，可以得到圖2所示的等效電路。其中R*是次級電阻反射到初級的等效負(fù)載電阻；L*是次級電感反射到初級并與初級電感L相疊加后的等效電感。


2）電磁爐主電路的工作過程 電磁爐主電路的工作過程可以分成3個階段，各階段的等效電路如圖3所示。分析一個工作周期的情況，定義主開關(guān)開通的時刻為t0。時序波形如圖4所示。

2.1 [t0，t1]主開關(guān)導(dǎo)通階段 按主開關(guān)零電壓開通的特點(diǎn)，t0時刻，主開關(guān)上的電壓uce=0，則Cr上的電壓uc=uce－Udc=－Udc。如圖3（a）所示，主開關(guān)開通后，電源電壓Udc加在R*及L*支路和Cr兩端。由于Cr上的電壓已經(jīng)是－Udc，故Cr中的電流為0。電流僅從R*及L*支路流過。流過IGBT的電流is與流過L*的電流iL相等。由圖3（a）得式（1）。

可見，iL按照指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加。流過R*形成了功率輸出，流過L*而儲存了能量。到達(dá)t1時刻，IGBT關(guān)斷，iL達(dá)到最大值Im。這時，仍有uc=－Udc，uce=0。iL換向開始流入Cr，但Cr兩端的電壓不能突變，因此，IGBT為零電壓關(guān)斷。
2.2 [t1，t2]諧振階段 IGBT關(guān)斷之后，L*和Cr相互交換能量而發(fā)生諧振，同時在R*上消耗能量，形成功率輸出。等效電路如圖3（b）及圖3（c）所示，我們也將其分為兩個階段來討論。波形如圖4中的iL和uc。

由圖3(b)、圖3(c)的等效電路可得到式（3）方程組。 L*(di/dt)＋iLR*＋uc=0 Cr(duc/dt)=iL （3） 由初始條件iL(t1)=Im，uc(t1)=－Udc， 解微分方程組式（3）并代入初始條件，可得下列結(jié)果：

IGBT上的電壓

式中：δ=R*/2L*為衰減系數(shù)；

φ是由電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角，β是僅由電路參數(shù)決定的iL滯后于uc的相位角。 由上面的結(jié)果可以看到，當(dāng)IGBT關(guān)斷之后，uc和iL呈現(xiàn)衰減的正弦振蕩，uce是Udc與uc的疊加，它呈現(xiàn)以Udc為軸心的衰減正弦振蕩，其靠前個正峰值是加在IGBT上的最高電壓。首先是L*釋放能量，Cr吸收能量，iL正向流動，部分能量消耗在R*上。在t1a時刻，ω（t－t1a）=　＋β，iL=0，L*的能量釋放完畢，uc達(dá)到最大值Ucm，于是，IGBT上的電壓也達(dá)到最大值uce=Ucm＋Udc。這時Cr開始放電，L*吸收能量，當(dāng)ω(t－t1)=φ時，uc=0，Cr的能量釋放完畢，L*又開始釋放能量，一部分消耗在R*上，一部分向Cr充電，使uc反向上升，如圖4所示。 然后，Cr開始釋放能量，使iL反向流動，一部分消耗在R*上，一部分轉(zhuǎn)變成磁場能。在uc接近0之前，ω(t－t1)=φ＋2β之時，iL達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)ω(t－t1)=π＋φ時，uc=0，Cr的能量釋放完畢，轉(zhuǎn)由L*釋放能量，使iL繼續(xù)反向流動，一部分消耗在R*上，一部分向Cr反向充電。由于Cr左端的電位被電源箝位于Udc，故右端電位不斷下降。當(dāng)ω(t－t1)=ω(t2－t1)，即t=t2時，uc=－Udc，uce=0，二極管D開始導(dǎo)通，使Cr左端電位不能再下降而箝位于0。于是，uc不再變化，充電結(jié)束。但是，L*中還有剩余能量，iL并不為0，t2時刻iL(t2)=－I2。這時，在主控制器的控制下，主開關(guān)開始導(dǎo)通。因此，是零電壓開通。 [Page]
2.3 [t2，t3]電感放電階段 如圖3(d)所示，可得方程：L*＋iLR*=Udc初始條件為：iL(t2)=－I2。 解此微分方程并代入初始條件，可得： L*中的剩余能量，一部分消耗在R*上，一部分返回電源，iL的絕對值按指數(shù)規(guī)律衰減，在t3時刻，iL=0，L*中的能量釋放完畢，二極管自然阻斷。在uc=－Udc即uce=0時，主開關(guān)已經(jīng)開通，在電源Udc的激勵下，iL又從0開始正向流動，重復(fù)[t0，t1]階段的過程。
二、IGBT驅(qū)動電路分析：(推挽式電路，高電平驅(qū)動有效)



作用：保護(hù)IGBT可靠導(dǎo)通與關(guān)斷。 IGBT驅(qū)動電壓至少需要16V，Q1（PNP管）、Q2（NPN管）組成推挽式驅(qū)動電路，它們的工作原理是： 1、當(dāng)輸入信號為高電平時，Q2導(dǎo)通，Q1截止，18VDC電壓流通，給IGBT的G極提供門極電壓，IGBT導(dǎo)通。線盤開始儲能。 2、當(dāng)輸入信號為低電平時，Q2截止，Q1導(dǎo)通，IGBT的G極接地，IGBT關(guān)斷。此時線盤感應(yīng)電壓對諧電容放電，形成了LC振蕩。 3、R6電阻在三極管截止時，把IGBT的G極殘余電壓快速拉低。C11電容作為高頻旁路，另外作為平緩驅(qū)動電路波形作用，ZD1穩(wěn)壓管，穩(wěn)定IGBT的G極電壓，預(yù)防輸入電壓過高時，損壞IGBT。 在檢鍋時，如圖2.1所示，波形不是很理想，有點(diǎn)變形。當(dāng)檢到鍋工作后，如圖2.2所示，控制推挽電路的波形與驅(qū)動IGBT波形很相似，功率越大，波形的高電平的寬度越大，B點(diǎn)的波形底部平，原因是LM339控制的一路內(nèi)部三極管導(dǎo)通接地。而A點(diǎn)的波形底部比地略高一點(diǎn)。再回到零電壓。 此電路容易出現(xiàn)的問題為上電燒機(jī),為驅(qū)動電路輸出高電平導(dǎo)致,溫升高、瓷片電容有問題。

三、電流取樣電路


作用：判斷有無鍋具、恒定電流、穩(wěn)定調(diào)節(jié)功率提供反饋輸入電流
電流互感器T1的次級測得的交流（AC）電壓.經(jīng)D9～D12組成的橋式整流電路整流，EC3電解電容濾波平滑、由電阻R15、RJ41、RJ16分壓后，所獲得的電流電壓送到CPU，該電壓越高表示電源輸入的電流越大，待機(jī)時電流取樣基本為零，如圖3.1所示， 電流越大，A點(diǎn)的電流電壓波形幅值越高，B點(diǎn)的取樣點(diǎn)就越高，表示功率越大。電容EC3選值時不應(yīng)太大，如果太大了，會造成電容充放電時間太長，影響讀取電流AD時間，從而會導(dǎo)致開機(jī)時，功率上升的時間很慢。 VR1電位器作校準(zhǔn)功率用，通過VR1電阻的大小，就可以調(diào)節(jié)B點(diǎn)的輸出電壓，電阻越小，功率越大，反之就功率越小，一般調(diào)節(jié)電位器在中間位置。 CPU根據(jù)監(jiān)測電壓AD的變化，作出各種動作指令 1判斷是否放入合適的鍋具。（鍋具是否小于Φ80（或Φ60）、是否有偏鍋，電流過小，再判PWM是否最大，兩者滿足則判為無鍋） 2、限定最大電流，在低電壓時保證電流恒定或不超過。保護(hù)關(guān)鍵器件工作在規(guī)格要求范圍內(nèi)，以及防止輸入電源線或線路板走線過電流不夠造成燒斷。 3、配合電壓AD取樣電路及電調(diào)控PWM的脈寬，令輸出功率保持穩(wěn)定。 此電路易出現(xiàn)的現(xiàn)象：功率壓死、功率飄移、無功率輸出、斷續(xù)加熱

四、干擾保護(hù)電路
1、電流保護(hù)電路


作用：浪涌保護(hù)電路，監(jiān)控輸入電網(wǎng)的異常變化，在有異常時，關(guān)斷IGBT進(jìn)行保護(hù) 1、正常工作時，LM339的1腳內(nèi)部三極管截止，電阻R19把1腳電壓變?yōu)楦唠娖剑?dāng)電源輸入端出現(xiàn)大電流時，1腳內(nèi)部三極管導(dǎo)通，輸出低電平，CPU連接的中斷口經(jīng)過二極管D18被拉低，CPU檢測到低電平時發(fā)出命令，讓IGBT關(guān)斷，起安全保護(hù)作用，此保護(hù)屬于軟件保護(hù)，另外還有硬件保護(hù)，當(dāng)1腳內(nèi)部三極管導(dǎo)通，輸出低電平，直接拉低驅(qū)動電路的輸入電壓，從而關(guān)斷IGBT的G極電壓，保護(hù)了IGBT不被擊穿，通常要判斷是軟件保護(hù)還是硬件保護(hù)方法是：通常軟件保護(hù)時，軟件會設(shè)置2秒才起動，硬件起動時間很快不超過2秒鐘。 2、C點(diǎn)電壓由于選擇的參考點(diǎn)是地，靜態(tài)時，C 點(diǎn)的電壓由RJ28、R27、R14電阻分壓所得，當(dāng)正常工作起來后，互感器感應(yīng)輸入端的電流，C點(diǎn)的電壓會下降，電流越大，C點(diǎn)電壓越低，如圖4.1所示，所以A點(diǎn)電壓也會下降，B點(diǎn)為LM339負(fù)端RJ29、RJ25分壓后的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)A點(diǎn)電壓下降到B點(diǎn)以下時，LM339反轉(zhuǎn)，D點(diǎn)輸出低電平拉低中斷口。通過調(diào)節(jié)輸入正負(fù)端的參數(shù)來改變干擾的靈敏。 用工具查看兩輸入端在最大功率工作時，比較電壓越接近越好，但仿止出現(xiàn)太過靈敏而導(dǎo)致中斷間隙。（變頻器上（不一定，但是比較能體現(xiàn)）一般干擾比較大，在最大檔功率最大電流時（190~210V之間電流最大）最容易出現(xiàn)，） 3、CPU根據(jù)中斷口檢測電源輸入端的浪涌電流，程序檢測到有低電平，停止工作，起保護(hù)IGBT不受浪涌電流所擊穿。 [Page]此電路異常出現(xiàn)：檢鍋不工作、不保護(hù)爆機(jī)
2、電壓保護(hù)電路

作用：高壓保護(hù)電路，監(jiān)控輸入電網(wǎng)的異常變化，在有異常時，關(guān)斷IGBT進(jìn)行保護(hù) 1、電路的雙重保護(hù)（電流和電壓保護(hù)），由R53、R54、RJ55電阻組成分壓電路，如果輸入電壓超過正常設(shè)定電壓值， A點(diǎn)的電壓就會升高，達(dá)到或超過三極管Q5的基極導(dǎo)通電壓0.7V以上，則Q5一直導(dǎo)通，由于三極管的C極接到LM339的1腳，即中斷口，所以程序檢測到低電平后會關(guān)閉輸出，保護(hù)IGBT及主回路上面的器件不被燒掉。2、當(dāng)有電壓浪涌時，R53并聯(lián)的電容C28起作用，因為電容兩端電壓不能突變，所以在瞬間電壓起變化，電容就相當(dāng)短路（耦合），A點(diǎn)的電壓會瞬間變的很高，使Q5導(dǎo)通而讓CPU中斷口檢測到。正常情況下A點(diǎn)的波形如圖4.2所示。 此電路異常出現(xiàn)：檢鍋不工作、不保護(hù)爆機(jī)。


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