基于电磁加热设备的电能替代研究

广州电力设计院有限公司 黄达利 何健宇

电能替代是现阶段进行能源供给侧结构调整的关键，通过电能替代以往的高污染能源，在减小能源消耗的同时还能保护环境不受污染。随着光伏、风能、水电等越来越多可再生能源不断接入电力系统，电能替代在助力实现双碳目标上具有更加重大的意义。

作为电能替代的一种重要方式，电磁厨房安装了大量电磁加热设备，对减少二氧化碳排放具有重要作用。传统厨房的能源主要以燃油、燃气及煤炭为主，这些化石燃料燃烧会产生大量的二氧化碳、一氧化碳和二氧化硫等有毒有害气体，其中大多数污染物没有经过处理便直接排放到空气中，存在着高能耗、高污染、高噪音等问题，传统厨房存在明火这一特点也导致其更容易发生火灾和爆炸等事故。据统计，采用不同能源条件下获得相同能效时，采用电磁厨具比天然气节能率达42.5%，比混合柴油节能率达57%；同时热效率高达90%以上，远高于明火加热的热效率，且更加环保和安全可靠，越来越得到餐饮企业的认可[1]。

1 电磁加热设备工作原理

炉具发展史按技术分大概可以分为三阶段：以木柴、煤炭为燃料的第一代炉具；以油、可燃气体（天然气和甲烷等）为燃料的第二代炉具；以高新技术为依托、以电能为能源的第三代炉具即商用电磁炉（灶）。

根据法拉第电磁感应现象，交变的电流能产生交变磁场，交变磁场在闭合导体内部产生交变的感应电流。感应加热的工作原理便是基于此现象提出的，当初级线圈中通过交变电流时，会产生同频率的交变磁场，交变磁场在邻近的闭合次级线圈中产生同频率的交变感应电流。根据涡流效应，将金属工件放置于交变磁场中时金属工件会产生感应电动势，由于金属电阻比较小，即使感应电动势不大也能产生很大的电流，这种电流在金属工件沿着一个一个闭合回路流动，形成无数的涡流、产生很大的热量。这种感应线圈与金属工件未直接接触，通过电磁感应把电能转化为金属工件上的热能的加热方式便是“感应加热”[2]。电磁加热设备便是基于感应加热理论研发的新一代厨房加热设备。

图1 电磁加热设备工作原理示意图

2 电磁加热设备关键技术分析

2.1 明火仿真技术

如何使电磁厨具做出的饭菜更加可口一直是行业技术人员关心的问题，普通电磁厨具主频输出固定不变，磁场分布区域单一，加热效果不佳，做出的菜肴相较于明火还有一定的差距。通过模拟明火研发的明火仿真技术解决了这一问题，该技术通过快速捕捉抛锅速度和高度等参数，经过智能分析处理器处理，调整激磁强度和磁场分布区域，实现抛锅过程中也有足够的热量，模拟出明火加热的效果。同时由于明火仿真电磁灶高达90%以上的热效率，没有热能散失，所以在加热效果上超出明火加热40%，彻底冲破了普通电磁灶产品瓶颈。

2.2 大功率电磁灶高频功率补偿

功率在3～60kW 的电磁灶一般归类为大功率电磁灶，其在使用过程中存在谐波电流成分大和功率因数较低的问题。针对以上问题研发了高频功率补偿技术，通过实时快速检测大功率电磁灶中的谐波和无功分量，经过分析处理控制PWM 变流器产生与检测出的谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流，抵消大功率电磁灶产生的谐波和无功分量，实现动态补偿无功、滤除谐波、抑制谐振的效果。

2.3 均匀加热技术

目前中餐烹饪要求火力大、温度上升速度快的特点，一定程度上影响了电磁灶具的应用。电磁灶目前的设计主要朝猛火发展，但与明火的温度场分布有明显差异。均匀加热主要用来解决温度场的分布不均及最高点温度不足的问题。均匀加热技术的主要原理是通过研究明火的温度场，建立数学模型，实现电磁加热技术与火力之间的量化关系，达到明火的烹饪效果，实现均匀加热。

2.4 全方位智能防护研究

全方位智能防护的出发点是更好地保护厨师使用安全、电磁灶本身运行安全、电网负荷安全等，其主要原理是通过传感器、滤波电路、谐振电路等，根据目前机器的使用状态进行智能判断，在出现故障及安全隐患后自动切换电源并进行故障反馈。

2.5 稳压电源技术

为限制输出电流和稳定输出电压，电磁加热技术电源主要采用PWM 技术分别和BUCK 变换器结合以及和逆变器技术结合、脉宽调制技术等，采用这些技术的电源效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计和制造周期短。稳压电源技术是采用控制论里的负反馈理论，让输出电压与基准电压之间的差值成为输入信号，并以消除该差值为目标形成一套闭环控制系统。当电网电压或负载变化引起输出电压减小时取样电压也跟着减小，取样电压与基准电压产生一个负的差值，这个差值经过比较放大电路放大，调整环节增大调整管的发射结电压并增大其基极电流，减小其直流内阻，减小调整管压降，最终增大输出电压，使电压稳定在基准电压附近。当电网电压或负载变化引起输出电压增大时，整个系统发生相反的过程，从而使电压保持稳定。该技术的应用能解决使用环境恶劣、电压波动较大及直流供电等问题。

电磁厨房灶具的种类、规格涵盖传统厨房的各种灶具，包括炒、蒸、煮、西式等各式厨具，以及辅助厨房用具，并满足各种规格的需要。电磁厨具大多为电磁加热设备，其相较于传统燃油、燃气炉灶有如下优点（表1）[1]。

表1 电磁厨具与燃油、燃气炉灶对比

3 电磁厨房推广应用中存在的问题及推广思路

电磁厨房的普及将增大用电负荷，给电网安全稳定运行带来一定的压力，部分地区需新建变电站及配电房以满足新增用电需求。当电磁厨房考虑从附近公变房接取电源时主要面临以下问题：一是公变增容工程量大，不仅要增加公变的数量，在新增用电量较大的区域还要新建公变房。餐饮业往往集中在人流量较大的区域，而这些区域恰恰是用电负荷中心，且附近房屋较多，现场未必能够提供新建公变房或箱式变压器的位置，上级电网也不一定能够满足新增用电容量接入需求；二是供电公司工程立项及施工周期较长，电力设备采购周期较长，电网设备往往要走框架招标流程，由网公司或省公司统一采购，部分区域电磁厨房改造可能会受到电网改造进度的影响；三是根据供电公司相关文件规定，低压电力用户在公变接取电源具有最大容量接入限制，如广州压电力用户在公变接取电源最大容量为200kW。客户用电容量在15kW（含）至200kW（含）不需专变供电的应采用公变380V 供电，客户用电容量在15kW（不含）以下且无需三相供电的应采用公变220V 供电。因此，电磁厨房改造中从公变接取电源的低压电力用户报装负荷须限制在最大接入容量内[1]。

当电磁厨房考虑从附近专变房接取电源时主要面临以下问题：一是专变用户变压器容量满足电磁厨房改造新增用电容量接入需求，但专变房低压柜距离厨房较远，新敷低压电缆及新建走廊或桥架费用较大，导致用户改造的积极性减弱；二是部分专变用户预留变压器容量不足，无法满足电磁厨房改造新增用电容量接入需求，如考虑新增专用变压器则工程投资更大，且用户不一定有位置摆放新增变压器，这些因素减弱了用户改造的积极性；三是随着用电负荷不断增大，全国各地多个城市出现限电情况，如出现停电情况用户的电磁厨房将无法正常工作。同时伴随着分时电价和阶梯电价的执行，电磁厨房用电时段可能刚好是用电高峰期，如何保障电磁厨房使用费用较低的优势也是电磁厨房推广应用面临的一个问题。

电磁厨房作为电能替代的一项重要举措，对助力实现双碳目标上具有重要意义。虽然供电公司和电磁厨具生产商对电磁厨房的推广应用积极性很高，但因改造涉及面广费用较高，仅靠供电公司和电磁厨具生产商来推动显然力度不足。政府作为各项工作的统筹者应起到主导作用，组织发改、财政、经商、环保、消防等部门和供电公司参与，可优先针对电磁厨房改造需求大、效益高的客户进行先改先试，主要包括燃料供应困难或限制燃料使用禁明火的铁路、船舶、航空、大型商场等，以及各级政府部门、学校、大型工厂、餐饮行业的饭店、酒楼、部队、企事业单位等。在总结试点单位电磁厨房改造经验的基础上，加强电磁厨房宣传，出台相应政策鼓励电磁厨房推广应用。

电磁厨房改造势必会增加大量用电负荷，对当前电网的供电能力形成一定的挑战，供电公司应根据用电负荷发展趋势提前进行规划，做好新增变电站及配电房的布局，在物资采购流程和工程建设模式上进行创新，加快当前电网的改造进度，保障电网的安全性和可靠性，使其满足大量电磁厨房新增用电负荷的接入需求。电力公司在电费成本上还可对电磁厨房改造企业进行一定的让利，鼓励政府机关、企事业单位、学校食堂、较大规模餐饮企业等公司进行电磁厨房改造，针对不同用户特点推出各种增值服务和组合套餐，使企业在电磁厨房改造后获得效益，降低用能成本[3]。

电磁厨房改造包括厨房内改造部分和外接电源部分，厨房内改造部分主要为更换电磁厨具、新敷低压电线、拆除燃气管道和改造烟道风机等；外接电源部分主要包括新敷低压交联电缆、新建电缆桥架、新建电缆排管或电缆沟、新装配电箱和三相电表等，部分工程可能需新装低压配电柜和变压器。可知如外接电源部分工程量较大会产生较大的改造费用，这也是导致部分用户电磁厨房改造积极性减弱的重要原因。

为解决以上问题，可以采用引入承包方以合同能源管理模式（EMC）委托改造的方式进行改造，承包方可以是节能公司、供应商、设计院或者施工单位，项目投资全部或部分由承包方承担，其中费用包括电磁厨具的采购费用、电力增容相关工程费用、项目安装及售后维护费用等。项目实施后，节省下来的能源费用通过与用户按比例分享或用户按固定回报的模式来分享收回前期投资及赚取合理的利润。当不存在外接电源部分或外接电源部分工程量较少时，可采用商业设备采购模式和工程承揽模式，商业设备采购模式主要由用户主导，适用于具有工程建设相关人才的企业，用户自行采购设备，供应商负责安装；工程承揽模式主要由承包方主导，用户不用花太多精力在电磁厨房改造上，承包方根据双方合同进行改造，用户根据合同支付承包商相应费用。