Sistemul de încălzire a inducției aplicat la gătit

Introducere

Apariția dispozitivelor semiconductorilor electronice moderne, mărită sistemele de încălzire inducție și, în consecință, introducerea pe piața aparatelor de uz casnic. Aplicarea sa la mașinile de gătit de inducție, oferă avantaje uriașe, cum ar fi timpul de gătire redus, puterea reglabilă și temperatura, curățarea ușoară și economia de energie în raport cu alte tehnologii de gătit. Bucătăriile electrice de inducție sunt echipe care sporesc calitatea vieții unei societăți, îmbunătățind indicele privind dezvoltarea umană (IDH), indicele sărăciei multidimensionale (IPM), bunăstarea societății menționate și eficiența energetică a sistemului energetic.

Lucrarea de față expune principiile fizice teoretice care explică procesele de inducție electromagnetică, precum și metodele existente pentru modelarea încărcăturii. Circuitele de alimentare și de control sunt proiectate și implementate, pe baza unui investitor de punte medie, pentru aplicarea în gătitul alimentar prin încălzirea inducției. Simulările efectuate pe sistemul de alimentare sunt afișate și validate din rezultatele practice obținute.

Caracteristicile materialelor

Sistemele de încălzire a inducției aplicațiilor interne au atras atenția deosebită a societății moderne. Un produs care a fost complet integrat în acest grup este bucătăria de inducție, pe parcursul unui număr de avantaje pe care le prezintă. Cu toate acestea, o bucătărie de inducție nu poate atinge valori ridicate de eficiență energetică, deși electronica de putere optimizată. Pentru aceasta este necesară efectuarea unei selecții corecte a formei inductorului și a materialului containerelor.

Este important să se definească faptul că materialul containerelor utilizate în sistemele de încălzire inducție nu este selectat numai prin rezistivitate și valori ridicate ale permeabilității relative, deoarece fenomenul cunoscut ca efect de film joacă un rol important în generarea de căldură.

Fenomenul efectului de film limitează adâncimea de penetrare a curenților indusă într-un material conductiv. Adâncimea de penetrare este distanța de la suprafața unui material conductiv infinit de gros, pentru care curentul indus a atins aproximativ 38% din valoarea sa pe suprafață, este dată prin ecuația (1).

(1)

În ecuația 1, aceasta este că ρ este rezistivitatea materialului, μ_r, permeabilitatea magnetică relativă a materialului și frecvența Curent electric.

Din acest parametru este posibil să se efectueze calculul rezistenței la suprafață a materialului (RS) la frecvențe înalte, care se efectuează prin ecuația (2).

(2)

Analiza ecuației (2) vă permite să identificați că selectarea frecvenței de operare este unul dintre cei mai importanți parametri pentru a intra în cont, pentru proiectarea unui sistem de încălzire a inducției. O gamă de valori de rezistență la suprafață pot fi disponibile pentru același material, numai prin variația frecvenței de funcționare a curentului. Prin urmare, pentru a obține un sistem eficient privind generarea căldurii în recipient, selectarea materialului care trebuie încălzită se bazează în principal pe următorii parametri: adâncimea de penetrare, permeabilitatea magnetică relativă și rezistența la material. Materialele feromagnetice au valori ridicate ale rezistenței la suprafață împotriva non-feromagnetice, care permit aceeași valoare de putere pentru a reduce valorile curente. Acest lucru determină faptul că eficiența energetică a bucătăriei de inducție este compromisă foarte mult pentru materialele non-feromagnetice.

Un aspect care trebuie luat în considerare pentru selectarea materialelor de containere este conductivitatea termică pe care metalele prezente, întrucât o mai mare măsură a acestui parametru mai uniform va fi temperatura în recipient. Metalele care au cele mai bune caracteristici ale conductivității termice sunt cea mai mică rezistență la suprafață. Din acest motiv, multe companii produc containere speciale, care sunt concepute pentru a absorbi energia magnetică și a răspândi rapid căldura. În acest fel, se obține un sistem de înaltă eficiență, unde nu se produc pete fierbinți care ard alimentele într-o zonă, în timp ce în altele rămâne crudă.

Materiale și metode

Diagrama în blocurile de alimentare și control

Sistemele de încălzire inducție au mai multe etape, ele sunt, de obicei, împărțite în stadiul de putere și control, la Explicați funcționarea unui sistem de inducție Următoarea schemă este propusă (Figura 1), trebuie remarcat faptul că rezultă modelul conform unui aragaz comercial de inducție. În primul rând, ca un circuit armonic de supresoare, un filtru de intrare capacitiv are și ca un redresor există o punte de diodă cu un filtru LC la ieșire. Invertorul de pod mediu este topologia selectată pentru a crea tensiunea de înaltă frecvență care este furnizată sistemului inductiv-container, care este reprezentat ca o sarcină variabilă echivalentă a tipului RL, există și alte topologii, cum ar fi invertorul complet de pod sau topologia cvasi-rezonant (referință). Tensiunile cerute de control sunt obținute din sursa de alimentare cu 5 V și 18 V. În etapa de monitorizare și detecție a containerelor există mai multe circuite utilizate pentru a măsura tensiunea, curentul și temperatura în punctele esențiale ale convertizoarelor în funcție de funcția sa . Sistemul de control se bazează pe două etape fundamentale. Primul ia în considerare toate variabilele măsurate și procesele prezente în circuitele de alimentare și se bazează pe un microcontroler. A doua etapă se află în interfața cu utilizatorul, care este efectuată printr-un program dezvoltat pe PC și care permite controlul frecvenței de funcționare a investitorului.

Teoria funcționării și calculării tuturor elementelor puterii, controlului și monitorizării schemei propuse, pentru o putere de 1000 W și tensiunea de rețea de 110 V RMS la 60 Hz, poate fi văzută. Rezultatele teoretice obținute din elementele invertorului mediu de pod sunt cele prezentate în tabelul 1, obținându-se valorile impedanței de încărcare utilizate în calculul invertorului, se explică în secțiunile următoare.

DIV>

Metode Folosit în identificarea containerelor.

Identificarea containerelor este un aspect extrem de important în bucătăriile de inducție. Funcția sa este de a diferenția ce conștientizare respectă cerințele necesare pentru funcționarea corectă a aparatului. Absența ei pune în pericol funcționarea echipei, chiar și ruperea acestuia. Pentru aceasta, este vitală că bucătăria are un sistem de recunoaștere a materialului predominant cu care este fabricat cauldonul. Sistemele de identificare Utilizați informațiile prezente în parametrii electrici ai materialelor utilizate în recipiente, pentru a le diferenția. Ideea că fiecare metal are o rezistență electrică echivalentă, la o frecvență dată, este utilizată pentru a obține identificarea. În literatură, mai multe tehnici sunt descrise pentru a diferenția materialele non-feromagnetice din care sunt. Cele mai utilizate metode de identificare a containerelor sunt măsurarea curentului de înaltă frecvență și răspunsul în domeniul de timp înainte de un stimul.

Metoda de identificare din măsurarea curentă a inductorului este una dintre cele mai vechi folosite. În, este descris ca de la un control bazat pe bucla de fază închisă (PLL, pentru acronimul său în limba engleză), se solicită frecvența de rezonanță a sistemului inductiv-container. Pentru fiecare reglare a frecvenței, măsurarea curentului este efectuată de inductor dintr-un transformator de curent și în funcție de valoarea obținută, tipul de material este cunoscut. Aceasta se bazează pe metalele non-feromagnetice anterior, având o rezistență mult mai scăzută decât feromagnetic, prin aplicarea aceleiași tensiuni la inductor, se obține un curent mai mare. În acest caz, tensiunea invertorului invertor a fost redusă la 20 V, astfel încât curentul circulant de către sistem să nu afecteze semiconductorii de putere. Teoria răspunsului metodei în domeniul timpului înainte ca un stimul să stabilească că impedanța echivalentă poate fi reprezentată printr-un circuit RLC din seria RLC. În, acesta apare că răspunsul natural că acest tip de circuit posedă este înrădăcinat atunci când frecvența naturală este mai mare decât coeficientul tampon exponențial. În, se poate observa efectul a 5 recipiente de diferite materiale metalice, înainte de un impuls de activare la unul dintre semiconductorii de putere.Este evident ca răspunsul natural al sistemului pentru toate cazurile este subamortat.

Fiind coeficientul de tamponare mult mai mic atunci când nu există container peste bucătărie. În ceea ce privește containerele, timpul de oscilație, așa cum este amploarea acesteia, este mult mai mare pentru aluminiu decât pentru materialele feromagnetice rămase, același lucru se întâmplă pentru frecvența oscilațiilor. Prin urmare, pentru a identifica tipul de material este necesar să se efectueze procesarea răspunsului, unde se obține un semnal cu o frecvență proporțională cu cea a oscilațiilor. În cazul numărului de impulsuri pe care o referință fixă este mai mare, este în prezența containerelor non feromagnetice sau fără un container, atunci sistemul de control face decizia să oprească sistemul de alimentare. În figura 2, cele de mai sus sunt expuse anterior.

Fig. 2
semnale utilizate pentru identificarea containerului. a) Container de aluminiu. b) modelul containerului ferraromagnetic.

Modelarea încărcăturii electrice

În ultimii 25 de ani este posibilă găsirea unei mari varietăți de metode de calculare a Impedanță echivalentă a sistemului inductiv-container. Unele dintre acestea sunt complexe, deoarece iau în considerare toți parametrii fizici, electrici și geometrici ai inductorului, garantând o abordare destul de precisă. Cu toate acestea, există și altele care au luat în considerare pur și simplu unii parametri esențiali ai sistemului de inductor de containere. Acestea nu sunt la fel de precise, dar este posibil să se obțină rezultate favorabile în comportamentul variabilelor electrice ale sistemului.

Apoi, unele dintre cele mai utilizate metode pentru calculul impedanței echivalente sunt menționate:

• analiză prin modelul analog al transformatorului.

• Analiza simulării câmpului electromagnetic cu metoda elementelor finite (FEA Instrument, pentru acronimul său în limba engleză).

• modelat prin achiziționarea de date a măsurătorilor de tensiune și curent ale sistemului inductor-container într-un interval de frecvență.

Pentru proiectarea etapelor de putere ale sistemului, în special invertorul, este necesar să se cunoască caracteristicile încărcăturii, care este variabilă în funcție de frecvența de comutare. Prin urmare, în această lucrare, combinația de metode de analiză sunt utilizate prin modelul analog al transformatorului și modelate prin achiziționarea de date a măsurătorilor de tensiune și curent ale sistemului de containere inductor într-un interval de frecvență, pentru calcul sarcină. Metodologia utilizată pentru obținerea caracteristicilor de rezistență și echivalent de inductanță în ceea ce privește frecvența, pentru două recipiente diferite este expusă, aceste rezultate sunt prezentate în Figura 3. Se demonstrează cu curbele obținute, variația prezentă în impedanța echivalentă, care are investitorul ca încărcătură. Intervalul de frecvență la care se va opera sarcina este de 22 kHz la 45 kHz.

Fig. 3
Parametrii impedanței echivalente estimate. a) Rezistență echivalentă. b) Inductanță echivalentă.

Strategia etapei de control

Sistemul de control al instalației experimentale propuse este compus din interfața cu utilizatorul și dispozitivul de comandă al circuitelor de alimentare. Prin intermediul unui program dezvoltat pe computer, datele necesare sunt trimise, pentru a seta punctul de funcționare dorit pe invertor. Dispozitivul de control trebuie să poată păstra în mod stabil punctul de funcționare fix. Elementul care guvernează toată strategia de control al sistemului de alimentare este microcontrolerul PIC18F4580, producătorul Microchip.

Microntroller este responsabil pentru efectuarea mai multor funcții printre care monitorizarea protecțiilor este, prin exemplu, tensiunea Rețeaua de pornire a procesului dacă se află în parametrii indicați, în caz contrar este afișat mesajul de defecțiune de tensiune. Apoi efectuați procesul de implementare a containerului în conformitate cu algoritmul implementat în. În cazul în care nu este posibil, este afișat un mesaj de eroare, dimpotrivă, dacă este feromagnetică, valorile punctului de funcționare stabilit sunt salvate și semnalele de control sunt date invertorului. Fiecare ciclu mediu al rețelei este executat o serie de sarcini într-o ordine specifică. Acestea constau în tensiunea rețelei de măsurare și temperatura semiconductorilor și a recipientului.Toate aceste semnale sunt comparate cu o referință, în cazul în care există o anomalie se reflectă printr-un mesaj, iar investitorul este oprit. Totul este o coordonare a evenimentului este sincronizată cu trecerea zero a tensiunii de rețea. Fiecare dintre ele este comparată cu o referință și verifică dacă este la limita posibilă, altfel sistemul este oprit. Valoarea maximă curentă atinsă în intervalul posibil este trimisă la PC. Acest proces va fi repetat în timpul stabilirii utilizatorului pentru funcționarea sistemului și o dată epuizată, se închide automat și este gata să regleze din nou valorile. În orice moment, utilizatorul are posibilitatea de a opri calculatorul manual pentru a începe procesul de la început.

Implementarea etapelor diagramei propuse.

Circuitele pașilor de alimentare, monitorizare și control sunt proiectate în același PCB, unde elementele de alimentare sunt grupate în partea stângă a cardului, în timp ce monitorizarea și controlul din dreapta. Figura 4 a) prezintă cardul electronic, care este conectat la alimentarea rețelei, terminalele inductor și cablul USB, pentru conectarea la computer. Este posibil să se efectueze transferul codului programului microcontrolerului, fără a fi nevoie să îl eliminați de pe card, așa cum este utilizat ICSP (în circuit de programare serială). O prezentare generală a modului în care se realizează sistemul implementat, este prezentat în Figura 4 B). Cel care funcționează la o frecvență de 35 kHz după ce a efectuat o viteză de frecvență.

DIV>
Fig. 4
a) Carte electronică cu circuite de putere, monitorizare și control al instalării experimentale. b) Sistemul de putere și control implementat care funcționează la 35 kHz.

Rezultate

Simulări și rezultate practice.

Apoi, rezultatele sunt prezentate din simulări obținute din stadiile de putere și controlul instalării experimentale propuse. Instrumentul utilizat este ISIS (Sistemul inteligent de intrare schematică), aparținând Programului Profesional de Simulare Proteus, al companiei Labceenter Electronics. Semiconductorii de putere utilizați în analiză sunt IGBT.

Figura 5, are comportamentul mai multor variabile la 28 kHz. În figura 5 a), tensiunea invertorului invertorului (albastru) are un comportament similar cu cel al tensiunii de ieșire a redresorului, totuși, există mici tulburări datorate comutării încărcăturii. Aceste comutatoare sunt reflectate în tensiunea colectorului de transmițător al IGBT inferior (portocaliu), care are două componente la frecvență joasă și înaltă, care este apreciată este frecvența joasă. Valoarea maximă de tensiune pentru a susține IGB-urile este de 155V, pentru o tensiune de rețea de 110 VRMS. În ceea ce privește figura 5b), variabilele prezentate sunt intrarea (albastră) și curentul (portocaliu) de intrare a sistemului și ieșirea (verde) și curentă (roz) a invertorului. Comportamentul curentului de intrare este practic sinusoidal și este în fază cu tensiune, care garantează un factor de putere în apropierea unității. Valoarea maximă curentă obținută pentru acest caz este de 10 A, care este echivalentă cu o armă de 7,07. În ceea ce privește tensiunea de ieșire a invertorului (verde), este mult mai mare (287 V) decât cea corespunzătoare valorilor teoretice. Acest lucru se datorează opoziției de inductanță echivalentă cu modificările curente bruște, când apare comutarea, care produce vârfuri de tensiune care nu pot fi netezite de condensatoarele invertorului, valoarea capacității acestora nu este suficient de mare pentru a contracara variațiile bruște de tensiune.

Fig. 5
a) Tensiunea invertorului invertorului (albastru) și tensiunea transmițătorului IGBT inferior (portocaliu). b) intrările de tensiune (albastru) și de curent (portocaliu) a sistemului și a tensiunii (verde) și a ieșirii curente (roz) de la invertor.

Totul expus se întâmplă, pentru că operează în apropiere de frecvența de rezonanță. Curentul de evacuare urmează plicul tensiunii de admisie a invertorului, ajungând la o valoare maximă de 27,5 A. Este, de asemenea, apreciabil, deoarece semnalele de ieșire ale invertorului sunt alternative, așa cum era de așteptat în funcție de teorie. Componenta vizibilă din figură este cea corespunzătoare frecvenței joase.

În figura 6, sunt expuse comportamente de înaltă frecvență ale PIC18F4580 (albastru și portocaliu) și ieșire a invertorului de tensiune (verde) și de curent (roz), pentru 28 kHz. (Figura 6 a) și 35 KHz (Figura 6 B). Se apreciază ca semnalele de control sunt complementare între ele, cu un timp mic de moarte între ele (1μs), pentru ambele puncte de funcționare. În ceea ce privește semnalele de tensiune și curentul de ieșire al invertorului, se observă că valorile maxime sunt atinse pentru 28 kHz. În acest caz, se apreciază că actualul urmează un comportament practic sinusoidal, indicând faptul că este aproape de frecvența de rezonanță, valoarea maximă atinsă este de 27,5 A. Tensiunea are vârfuri la momentul comutării IGBT-urilor, determinând valori maxime Închideți la 300 V. Cu toate acestea, la 35 kHz tensiunea și curentul au valori minore, deoarece funcționează la o frecvență mai mare decât sistemul natural RLC. Comportamentul curentului este cel mai apropiat de o creștere și scădere exponențială, în funcție de pulsul de activare, valoarea maximă este de 16 A. În ceea ce privește tensiunea, chiar și valoarea maximă obținută este mai mare decât teoretic, deoarece răspunsul de valoare este relativ ridicat , astfel încât condensatoarele rezonante nu pot contracara variațiile de tensiune. Pe măsură ce frecvența crește, atât echivalentul de reactanță inductiv, cât și rezistența echivalentă sunt crescute și, prin urmare, curentul va scădea, în același mod se întâmplă cu tensiunea de ieșire până când valoarea sa este stabilizată în valorile teoretice.

DIV>
Fig. 6
semnale de control ale PIC18F4580 (albastru și portocaliu), tensiune (verde) și puterea de ieșire curentă (roz). a) la 28 kHz. b) la 35 khz.

Pentru a valida circuitele implementate, formele de undă ale variabilelor analizate în simulare sunt obținute atât din meșterile de putere, cât și cele de control. Punctele de operare setate sunt aceleași ca în simulări. Invertorul poate funcționa odată ce recipientul respectă cerințele tehnicii de identificare a containerului, pot fi observate rezultatele obținute din acest test.

Primele semnale electrice care trebuie analizate sunt cele prezentate în Figura 7 și corespund tensiunii (galben) și curentului (albastru) a intrării sistemului, tensiunea de ieșire a redresorului (roz) și a curentului (verde) de către inductor, la frecvențe de 28 kHz (figura 7a) și 35 kHz (Figura 7 B). Similar cu modul în simulări, valorile de curent maxime apar la o frecvență de 28 kHz. La acea frecvență, acesta poate fi apreciat deoarece curentul de intrare atinge o valoare maximă de aproximativ 9,75 A, care este echivalentă cu 6,9 brațe. Este remarcabil, deoarece curentul (albastru) urmează un comportament sinusoidal și este în fază cu tensiunea de rețea, care garantează un factor de putere aproape de unitate. Cu toate acestea, pentru 35 kHz, valoarea maximă este de 5,09 A, armele corespunzătoare de 3,61 și se observă ca deformări sunt observate în forma de undă, produsă de armonicile prezente în semnal. În plus, există o ușoară fază între tensiunea curentă și de intrare.

Fig. 7
Parametrii de intrare de tensiune electrică (galbenă) și curentă (albastru), tensiunea de ieșire a redresorului (roz) și a curentului de ieșire din invertor (verde). a) la 28 kHz. b) la 35 kHz.

În ceea ce privește tensiunea de ieșire a redresorului, valoarea maximă este de 158 V, deoarece tensiunea rețelei are o magnitudine de 112 VRMS. Valorile de vârf care ajunge la curentul de ieșire al invertorului sunt de la 26 A și 16,8 A pentru 28 kHz și, respectiv, 35 KHz.

în invertorul de pod de mijloc, tensiunea maximă pe care iGBT-urile trebuie susținute este de 158 V, pentru o tensiune de rețea de 112 VRMS, care este apreciată în figura 8. În aceasta, tensiunea de ieșire a invertorului este prezentată pentru o frecvență de 28 kHz, care are o valoare maximă de 330 V. Componenta prezentată Aceste două semnale de tensiune sunt frecvențe joase.

Fig. 8
Parametrii tensiunii invertorului electric (galben), colector de tensiune care emite tensiune IGBT inferior (albastru) și invertor de tensiune de ieșire (roz) la 28 kHz.

Figura 9, colectează formele de undă ale impulsurilor de activare ale IGBT-urilor (galben și albastru), ieșirea de tensiune (roz) și de curent (verde) de la invertor, la 28 kHz și 35 kHz . Așa cum era de așteptat, valorile maxime de tensiune și actuale apar pentru 28 kHz, unde este apreciat deoarece curentul are un comportament sinusoidal. Aceste dovezi, care operează invertorul, în apropierea frecvenței naturale a circuitului RLC, formată de sistemul inductiv-container și condensatoare rezonante. Comportamentul tensiunii și magnitudinilor de curent, pentru ambele puncte de operare, sunt în concordanță cu cele obținute în simulări. Diferența se află în valorile de vârf ale semnalelor, care pot fi atribuite variației produsului de inductanță echivalentă la încălzirea recipientului și conținutul său.

div>
Fig. 9
Tensiune electrică (galben) și intrare curentă (albastră), tensiune de ieșire redresoare (roz) și curentul de ieșire de la invertor (verde). a) la 28 kHz. b) la 35 khz.

Interfață utilizator cu MATLAB

Interfața de utilizator, care permite ajustarea frecvenței de funcționare a invertorului, se face printr-un program dezvoltat în Ghidul MATLAB, versiunea 7.7.0.471 a companiei Mathworks. Este numit un program de instalare experimentală a preparate din bucătăria de inducție (Pieti).

Scopul principal al pieti este de a obține caracteristica curentă de frecvență, care are containerul, împotriva investitorului implementat. Aceasta este, afișați spectrul de frecvență în care apare rezonanța circuitului RLC. Programul vă permite să setați diferite puncte de operare ale invertorului, printr-o mișcare de frecvență manuală sau automat. Prin urmare, contactul, oprit și momentul în care invertorul va funcționa, este fixat de la PC. Pentru a realiza acest lucru, este necesar să se conecteze la portul USB al computerului, pe cardul electronic, care utilizează convertorul serial-USB comunică prin protocolul USAT. Informațiile trimise de program către microcontroler sunt starea invertorului și frecvența funcționării. Figura 10 prezintă interfața cu utilizatorul PIECI, unde sunt prezentate rezultatele obținute din caracteristica de frecvență curentă a containerului 1, prin care se poate cunoaște valoarea frecvenței de rezonanță care a fost implementată pentru invertor. Cu caracteristica de frecvență curentă obținută, pot fi făcute estimări ale puterii maxime pe care containerul le poate consuma și permite verificarea sensibilității curentului la variația frecvenței. În cazul de față, acesta poate fi văzut ca cel mai mare curent obținut este de aproximativ 10 A, care apare la 28 kHz. Cea mai mare sensibilitate la schimbarea frecvenței este în intervalul de 29 kHz la 33 kHz, pentru zona inductivă.

Fig. 10

Interfața utilizator a programului de control experimental o dată o mătură de frecvență este executată.

Concluzii

Aragazul de inducție electromagnetică trebuie văzută ca un container de gătit de sistem, Datorită influenței care posedă caracteristicile materialelor cu care acest ultim element este fabricat, pe sistemul electronic de alimentare. Programul dezvoltat pentru interfața utilizator asigură controlul deplin asupra contactului, oprit și stabilirea punctului de funcționare dorit pe invertor. În plus, permite obținerea caracteristicilor de debit curent pentru recipientele utilizate în instalare, ceea ce va permite alte studii în activitatea viitoare. Prin similitudinea dintre simulări și rezultatele practice obținute este posibilă validarea funcționării corecte a etapelor de forță proiectate din instalația experimentală. Strategia de control și interfața utilizator concepută garantează funcționarea cu succes a întregului sistem electronic. Cu rezultatele obținute în lucrarea de față, un material este valabil, care explică funcționarea acestei tehnologii aplicată la gătitul alimentelor și se obține o bază experimentală pentru dezvoltarea unui prototip de preparate din bucătăria de inducție.