智能变频电磁感应加热系统的设计与应用

陈松 金星 曲衍思

摘 要：电磁加热技术在人们的工业生产和居民生活中扮演重要的角色，电磁加热具有效率高，速度快，安全清洁环保，便于控制等优点，工业产品成形过程中，许多都需耍加热这个环节。比如钢材的表面痒火、塑料制品的成形等等。而且在居民的家庭生活中，加热也是非常必不可少，比如冬季的加热采暖、食物的烹任过程等等。本文主要研究电磁感应加热系统及其应用于供暖的优势。

关键词：智能变频;电磁感应;加热系统;应用

1 变频电磁加热供暖的研究背景

在北方冬季，大部分地区是采用集中供暖的方式，这种供暖方式温度难以控制、近点用户温度可能过高，而远点用户温度可能又不够高，难以让所有用户的有一个舒适，温暖的环境，因此人们只能通过空调或者电阻式加热等方式调整室温。然而，采用空调取暖房间里会非常干燥，呆久了容易产生呼吸道不适的状况，不利于身体健康;同时由于室内外温差太大，空调的能耗比低，效果差，费用增加。而使用电阻式取暖设备，虽然价格便宜，但是都存在以下缺点：供热不均匀，存在安全隐患。因此，通过变频电磁加热供暖的研究与应用，来给人们营造一个舒适，安全的生活、工作环境。

2 变频电磁加热的原理

电磁感应加热的基本原理是交变的电流通过待加热的导体，会产生变化的磁场，变化的磁场穿过导体产生变化的磁通，通过磁通的变化产生感应电动势，在导体形成闭合回路的情况下，产生感应涡流使导体发热。由于电磁感应加热集肤效应的影响，导体表面的涡流效应最强。而集肤效应的穿透深度可以表示为：

Δ=5035ρμrf

ρ-导体电阻率 μr-相对磁导率 f-交变电流频率

根据上面公示可以看出随着频率的升高，集肤效应更加明显，导体中电流穿透的深度Δ与频率成反比，本次研究考虑到用于采暖，故頻率不用很高。

3 变频电磁加热的供暖系统设计

变频电磁感应加热系统整体框图设计如下图所示，变频感应加热体统的核心框架是由整流电路，滤波器，逆变电路，负载电路和控制与保护电路所组成。

3.1 整流电路的设计

变频电磁感应加热系统整流部分是采用三相不可控整流电路如图2将220V交流电变为直流电，再加上大电容进行滤波同时稳定直流电压。相比其他整流电路采用不可控整流电路可以简化电路，降低调节功率的复杂度，还可以采用逆变侧的调功方式进行调功。

3.2 逆变电路的设计

逆变部分是变频电磁感应加热系统很重要的一部分，将整流后的直流电通过逆变成为高频交流电，少部分逆变电路在固定驱动脉冲频率下工作时，负载的回路是处在容性、感性的状态，这部分逆变电路功率因素比较低，同时逆变电路的开关损耗不小，所以很多逆变部分都处于谐振状态下工作，这时的开关损耗较小，可以逆变成频率更高的交流电。谐振电路又分串联谐振和并联谐振，串联谐振更适用于频繁启动，便于智能控制，定时开关，还可以通过逆变侧调功提高功率因素、简化电路，因而逆变部分选用串联谐振电路。

3.3 控制算法的优化

控制电路是当交变电流通过线圈给负载加热到一定温度，反馈给控制电路，控制电路控制逆变部分的输出功率，从而来达到温度调节的一个作用。传统的PID控制系统仿真图如下：

设定温度为60℃时，传统PID控制仿真结果如下图：

可以看出变频电磁感应加热系统的温度控制是复杂、滞后、非线性的，采用传统PID控制会出现实际加热的温度和设定的温度产生很大偏移的状况，超调量很大，系统不稳定，从而设计模糊控制器并构建控制系统仿真图如下：

当系统设定的温度为60摄氏度时，系统的模糊控制器的温度控制系统仿真图如下：

从系统模糊控制器的仿真结果来看，系统采用模糊控制时，系统的温控控制稳定性明显增强，调节时间相对传统PID更短，超调量是0，但是却产生了稳定的误差。因此需要对控制电路进行优化，采用模糊PID控制流程如下：

该系统将PID控制器和模糊推理的参数校正部分相结合。模糊系统的输入量是偏差e和偏差的变化率ec俩个参数，输出量为PID控制器的三个参数Kp、Ki和Kd的变化值，根据事先规定好的模糊控制规则进行模糊推理的参数校正，在线改变PID参数的值，使得PID参数达到自动整定的效果。仿真结果如下图：

从仿真结果得出：模糊PID控制具有良好的动和静态性能，控制精度几乎达到无误差，而且计算量小，时间短可以达到系统的要求，从而使系统达到响应速度更快，更稳定，温度控制更精确的效果。

4 变频电磁加热系统应用于供暖的优势

（1）变频电磁加热属于非接触式加热，可以很好的避免了温度的流失，能量的浪费，效率很高，效率利用率能达到90%以上，能耗小。

（2）由于控制电路采用了模糊PID控制，因此可以实现精准的控制温度，响应速度快，智能化控制的效果，给人们营造一个温暖舒适的生活、工作环境。

（3）由于电磁感应的技术，在加热水介质的过程中会产生磁化水，不会产生水垢，同时由于磁化水的作用还会给供暖管路除锈，达到永不结垢的作用，进一步使管道的使用寿命更长。

（4）适用的范围广，不管是住宅小区到自健房屋，还是公司，工厂，各种公共场合等一切需要取暖的地区都可以使用。

（5）电磁加热系统满足了现代人们安全，高效，节能，环保，舒适，智能等各个方面的要求，在供暖上将替代电阻式加热。

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