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基于电抗补偿的高精度锅具检测.pdf
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1、技术创新/日用电器基于电抗补偿的高精度锅具检测High-Precision Pot Detection Based on Reactive Compensation左远洋(美的集团中央研究院佛山528311)摘要:全表面电磁灶线圈数量多排列密,对锅具检测精度要求高,传统的检测方法精度低,响应慢而不能满足应用。本文分析了锅具影响线圈阻抗变化的原理,通过电抗补偿的方法提高阻抗模的变化率,设计了相应的电路拓扑,并进行了理论分析和实验验证。实验结果表明,不同覆盖面积时产生的检测电压与理论分析相吻合。通过微处理器对每个线圈的检测电压进行查询,可以准确判断锅具的存在和线圈的覆盖程度。该技术检测速度快、成本
2、低,非常适用全表面电磁灶应用。关键词:全表面电磁炉;锅具检测;阻抗变化;覆盖面积Abstract:The coils in a full-surface induction cooker are numerous and densely arranged,requiring high precision inpot detection.Traditional detection methods have low accuracy and slow response,which cannot meet the applicationrequirements.This paper analyzes
3、 the principle of how pots affect coil impedance variations and proposes a method ofenhancing the rate of impedance modulus change through reactive compensation.A corresponding circuit topology isdesigned,and theoretical analysis and experimental verification are conducted.The experimental results s
4、how that thedetected voltage generated at different coverage areas aligns with theoretical analysis.By querying the detection voltageof each coil through a microprocessor,it is possible to accurately determine the presence of a pot and the extent of coilcoverage.This technology offers fast detection
5、 speed and low cost,making it highly suitable for full-surface inductioncooktop.Key words:full surface induction cooktop;pot detection;impedance variation;coverage areas引言随着现代社会对能源效率和环境保护的日益关注,电磁灶作为一种高效、节能的厨房电器得到了广泛的应用。然而,电磁加热器具在加热时要求锅具覆盖住线圈,否则会导致能量的浪费和不必要的安全风险。当前新一代的全表面电磁灶,为了提高使用便利性,在灶面铺满小线圈,任意形状的锅
6、具可以放在任意位置加热。此时灶面也不再有固定的锅具位置。因此,如何准确、可靠地检测电磁灶上的锅具位置,是新一代电磁灶首要突破技术。本文旨在研究如何通过精确检测电磁加热线圈的阻抗变化,来识别线圈上方是否有锅具。传统的检测方法主要有脉冲法、Q值分析法2 等,然而这些方法存在一定的局限性,检测速度慢精度低,尤其是难以识别线圈被覆盖的程度。在本文的研究中,我们首先分析电磁加热线圈的阻抗变化原理。为了实现精准的检测,我们通过电抗补偿的方法,提高了线圈阻抗模值变化率。同时也降低了检2023年8 月/Aug.202333技术创新/Technology and Innovation测复杂度,我们设计了检测电路
7、拓扑,理论计算检测电压随覆盖面积的变化,最后通过实验验证了方案可行性。1线圈阻抗变化的原理分析1.1线圈的阻抗特性电磁加热线圈作为一个感性元件,其阻抗主要由感抗和电阻成分组成:Zo(o)=Ro+j LoZ()一线圈在角频率时的阻抗;Ro一线圈的等效串联电阻;L一线圈的电感;W一线圈工作的角频率;j一虚数单位。当线圈上方没有放置锅具时,线圈的等效串联电阻主要为绕线、磁芯的损耗引起的电阻,数值较小。此时线圈主要表现为一个电感。1.2锅具影响线圈阻抗的原理当线圈上方放置锅具时,文献3对其阻抗特性进行了详细的分析,此时线圈的阻抗模型:Ze()=Rea+j o LeRe,=Ro+RLoa=Lo+ALZe
8、()一线圈与锅具耦合后的阻抗;R一线圈与锅具耦合后的等效串联电阻;R 一锅具引起的损耗,等效到线圈两端的电阻;L一线圈与锅具耦合后的的电感;L 一为锅具引起的线圈电感变化量。由于锅具在高频交流磁场的作用下会产生涡流效应,导致锅具本身发热产生能量损耗,从而反映到线圈的等效串联电阻增加。锅具涡流同时也影响了线圈的电磁特性,涡流在锅具内部形成闭合环路,产生反向的磁场与线圈磁场相互作用,导致线圈磁场减少,电感减少3。1.3锅具覆盖线圈不同面积的阻抗分析当锅具覆盖线圈一部分面积时,锅具涡流主要集中在锅具与线圈接触的区域。由于涡流产生的区域变少,涡流损耗的体积分变少,锅具整体的损耗减少,线圈的等效串联电阻
9、相比全覆盖要小。另一方面,由于线圈有部分未被覆盖,线圈磁场可以形成自由回路而未被衰减,线圈的磁场能量更大,线圈的电感相比全覆盖更大。(1)2检测电路的设计2.1线圈阻抗变化分析线圈的阻抗特性受多种因素影响,包括工作频率、线圈与锅具之间的距离、以及锅具的材质等。本研究首先实测线圈阻抗参数并对其进行分析,测量使用WAYNEKERRPrecisionMagneticsAnalyzer3260B高精度阻抗参数测试仪器。测试时,我们保持锅具与线圈的距离和应用一致,使用实际的微晶玻璃将锅具放置于线圈正上方。我们针对常用的三种不同材质的锅具进行了测试,分别是锅底材料为430 钢的复合底锅、锅具材料为铁(熟铁
10、)的炒锅和锅具材料为30 4钢的汤锅。同时测试不同材质的锅具,在不同频率下对线圈阻抗的影响。测试布(2)置可见图1。线圈阻抗参数的测试结果如图2。从图2 可以观察到,对于线圈等效串联电阻R,铁质的炒锅,略低于钢质的其他两种锅具。且随着频率的增大差距加大。主要原因为铁(熟铁)材料的电阻率相对含碳量更高的钢更低,根据涡流效应原理,电阻率低图1测试布置图(复合底锅)34日用电器/ElectricalAppliances技术创新/日用电器的材料涡流损耗更小。随着频率增大,三种锅具导致线圈的等效串联电阻都在增大。因为随着频率的增大,材料的趋肤深度更小,涡流损耗更大。对于线圈电感的影响,三种材料的锅具,导
11、致电感的变化趋势一致。在低频段,由于涡流效应低,线圈被抵消的磁场少,但由于铁和钢的相对磁导率很高,通常大于2 0 0,降低了线圈上方磁路的磁阻,从而增强了线圈的整体磁场。表现为电感相对无锅更大。而随着频率增加涡流效应增强,电感逐渐降低。由于三种材料的磁导率不同,三种材料对电感的影响程度略有差异。综合来看,线圈的感抗减少,电阻增加,阻抗的虚部减少,实部增加。为了简化检测电路,只检测电路中的电信号幅值变化,而不检测相位的变化。因此需要分析线圈阻抗模的变化率,通过对图2 的数据计算可以得到,阻抗模变化率很小,无论在哪个频段,这同样会导致电路复杂,器件精度要求高,成本高。家电产品多为成本敏感型产品,我
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