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。為滿足人們的需要，各廠家相繼研制出燃氣、電加熱、太陽能等熱水器。然而在使用中，這些熱水器都有各自的缺點，燃氣和電熱水器的安全性較低，太陽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突出的優點。它是利用電磁感應產生的交變磁場，在圓柱狀的發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，它通過感應線圈使發熱體產生渦流達到加熱的目的，實現了發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 電路拓撲及設計過程

電磁熱水器電路的系統框圖如圖1所示。市電交流220V經過濾波整流后變為大約310V直流，通過半橋諧振逆變電路的振蕩在線圈中產生交變磁場，在發熱體中產生渦流以達到加熱的目的。

圖1 電路系統框圖

2.1 主電路工作過程分析

主電路的工作過程如圖2所示。通過開關管S₁，S₂的開通和關斷，感應線圈電感和半橋電路的兩個電容在各自的回路形成諧振。在穩態工作下根據開關管、負載、電容上電壓電流的波形，電路在一個運行周期中分4個工作模式:

模式1 如圖2(a)所示，開關管S₁開通，電流經S₁，R，L，C₂形成回路，S₁開通時電壓為零，減小了開關損耗，實現了零電壓開通。

模式2 如圖2（b）所示，開關管S₁關斷，負載電壓反向，電流通過D₂續流，此時S₂上的電壓為零，流過S₁的電流為零。

模式3 如圖2（c）所示，開關管S₂開通，線圈中電流反向，S₂在電壓為零時開通，電流流經C₁，L，R，S₂。

模式4 如圖2（d）所示，開關管S₁、S₂都關斷，電流經C₁，L，R，D₁形成回路，此時S₁上的電壓為零，流過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；