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廚房電器

電磁爐方案開發設計


電磁爐也叫電磁灶,是應用電磁感應原理進行加熱工作的,是現代家庭烹飪食物的先進電子炊具。它使用起來非常方便,可用來進行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調操作。特點:升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環境不產生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優點,能完成家庭的絕大多數烹飪任務,是實現廚房現代化不可缺少的新型電子炊具。

一、電器常用的加熱方式

家用電器大部分都是需要加熱的,利用高頻電壓或電流加熱通常有兩種方法:電介質加熱和感應加熱。

1、電介質加熱

這是利用高頻電壓加熱,通常用來加熱不導電材料。當高頻電壓加在兩極板層上,就會在兩極之間產生交變的電場。需要加熱的介質處于交變的電場中,介質中的極分子或者離子就會隨著電場做同頻的旋轉或振動,從而產生熱量,達到加熱效果。比如微波爐加熱。

2、電磁感應加熱

這是利用高頻電流加熱,通過電子線路板組成部分產生交變磁場,當用含鐵質鍋具底部放置爐面時,鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生交變的電流,渦流使鍋具鐵分子高速無規則運動,分子互相碰撞、摩擦而產生熱能(所以:電磁爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是電磁爐本身發熱傳導給鍋具,所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍)使器具本身自行高速發熱,用來加熱和烹飪食物,從而達到煮熟的目的,這就是感應加熱的原理,電磁爐就是利用這中原理來工作的。

二、電磁爐方案的技術原理

1、電磁爐的電渦流理論

導體在磁場中運動,或者導體靜止但有隨時間變化的磁場,都可以造成磁力線與導體的相對切割。如圖2所示,在一根導體外面繞上線圈,并讓線圈通入交變電流,那么線圈就產生交變磁場。由于線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路,閉合電路中的磁通量在不斷發生改變,所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流,電流的方向沿導體的圓周方向轉圈就像一圈圈的漩渦,所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體內部的渦流會產生熱量,如果導體的電阻率小,則渦流很強,產生的熱量就很大。

電磁爐工作原理圖

2、交變磁場的產生

電流電壓經過整流器轉換為直流電,又經高頻電力轉換裝置使直流電變為超過音頻的高頻交流電,將高頻交流電加在扁平空心螺旋狀的感應加熱線圈上,由此產生高頻交變磁場。其磁力線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生渦流,使鍋具鐵分子高速無規則運動,分子互相碰撞、摩擦而產生熱能,用來加熱和烹飪食物,從而達到煮食的目的。

3、電磁爐的結構原理

在結構上,電磁爐主要是由電子部分和結構部分組成。電子部分顧名思義,就是電磁爐內的電子元件,包括電子顯示屏、主板、線圈盤。結構部分也就是電磁爐的陶瓷板、風扇、電源線和塑膠上下蓋。電磁爐內部的電路板通過對線圈產生高頻交變電流,從而產生封閉的交變磁場。當鐵質炊具放置在該交變磁場中,因為鐵的導磁性質,磁場的磁力會使得鐵分子產生振動,從而形成無數渦流,使鐵質炊具自身產生熱量,該熱量通過鐵質炊具傳遞給炊具內的食物。

也可以把電磁爐的加熱原理理解成一個高頻變壓器。高頻變壓器的初級是電磁爐中的內部線圈,次級是放置在電磁爐上的鐵質炊具。當電磁爐通上電之后,交變電流通過電磁爐內部的線圈時,次級上產生了感應電流,而電流在次級上由于電阻的作用產生了熱量。如果在該電磁爐上不存在次級,也就是電磁爐不放置鐵質鍋具,那么電磁爐無法產生一個“變壓器”的作用,輸出功率將會大大降低。

4、電磁爐的加熱原理

那么是不是任何材質的炊具放置在電磁爐上,電磁爐都可以與其產生一個交變磁場的發熱場呢?這就要分析電磁爐結構。電磁爐的上接觸面是一塊結晶玻璃平板,具有高強度和耐沖擊的特性。接觸面下就是加熱線圈。電流通過加熱線圈產生磁場,電磁力通過鐵制品炊具或者搪瓷炊具就會產生渦流,使炊具自身高速加熱,再傳遞給食物。因為是通過交變磁場來產生渦流,這就要求炊具需要具備導磁性。而炊具是通過自身電阻發熱再傳遞給食物,這也要求炊具電阻不能太大,不然產生的熱量不夠。純粹的不銹鋼制品由于其導磁性非常低,所以并不能在電磁爐上與其磁場產生大的渦流,加熱并不理想。電磁爐的炊具一般是鐵磁材料金屬或者鐵磁材料金屬復合物。另外,針對現在網上傳得沸沸揚揚的輻射來說,電磁爐所產生的電磁場完全被線圈和炊具所形成的的回路吸收,所以并不存在釋放對人體有害的輻射這一說。

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三、電磁爐能效的影響因素

在電磁爐加熱過程中,由于需要經過多個過程,因此,會導致產生的熱量在加熱過程中散失,從而影響電磁爐的能效。從當前的研究中來看,能量的損耗主要出現在熱傳導、對流、輻射和感應加熱四部分,主要涉及的器件有以下幾方面。

1、微晶板的導熱

當烹飪器皿發熱時,一部分熱量會通過微晶板傳導到電磁爐內,造成能量損失,這主要是熱傳導效應導致的熱量損耗。此種原因導致的能量損耗與微晶板的隔熱效果有密切聯系,因此可以通過增加微晶板的隔熱性能來減少熱量損耗。

2、電磁爐內線圈和鍋具的距離

通常情況下,烹飪鍋具與電磁爐平面之間會存在一定的縫隙,這個縫隙的寬度實際上非常小,僅僅為0.5~1cm。理論上,鍋具與線圈平面的距離越小,電磁爐的能效就越高。但是,當兩者距離過小時,LC諧振過程中電壓的最低點也就遠離電壓零點,導致IGBT零點的開通難以實現,從而加大IGBT開通的能量損耗。

線圈盤的主要作用是產生變化的磁場,金屬器皿靠近磁場時就會切割磁場產生渦流,生成熱量。從理論上來說,鍋具距離線圈盤越近,切割的磁場密度就越大,產生的渦流也就越多,就能產生較大能效。但是,在實際使用中,由于線圈接近鍋具后,諧振能量不足,在電磁爐使用小功率時,大部分能量損耗導致IGBT發熱,能效降低。

3、線圈盤引發的能量損耗

線圈盤的主要參數有:品質因素(Q)、電感量(L)和電阻(R),其是使線圈盤加熱的有效途徑。其中,品質因素Q表示的是,在一定頻率下,線圈盤的電抗值和電阻的比值,Q的值越大,表示的能量損耗越小、效率越高。線圈主要由銅線或者鋁線組成,銅線的電阻小于鋁線,所以銅制的線圈盤性能要優于鋁制線圈盤。線圈盤中磁條的主要功能是增加電感量,以避免線盤受到控制器的干擾。磁條的制作材料主要是鐵氧體軟磁,其需要的特性主要有:起始磁導率ui高、品質因素Q高、穩定性高、截止頻率fr高。所以,磁條常常選用MnZn作為主要材料。

而線圈盤導致的能量損耗主要包括線圈損耗和磁條損耗。其中,線圈損耗的原因主要是:電磁爐的線圈主要由絞合線組成,絞合線的交流電阻相對于實心的導線交流電阻要小,主要是由于當導線中通過電流的頻率比較高時,電流都分布在導線最外層的導體中,而使用多條絞合線就相當于加大了導體的橫截面,所以,導線的交流電阻也就相對減小。同時,由于絞合線在制作時同時占用了導體長度和橫截面積,所以集膚效應和鄰近效應都被減小了。

線圈功率損耗主要表現在兩部分:一是電流在通過線圈時所產生的熱能;二是線圈在交變磁場下產生的渦流損耗。而通常情況下,熱能功耗和導線的集膚效應有關,集膚效應和鄰近效應所產生的損耗可以相加。通過對其進行計算可以得出,能量損耗受到導線中導體數量、電阻和感應電阻的影響。

4、散熱風扇

大功率電器在工作過程中通常會產生大量的熱量,而這部分熱量不能被電器利用,就相當于做無用功。電磁爐作為一種大功率電器,在運行時,爐腔內會產生大量熱量,所以,需要在電磁爐內部安裝一個散熱風扇來降低爐內溫度,保證電磁爐內各個器件正常使用。電磁爐在運行時產生的額外熱量是不能被利用的。為了保證電磁爐內各個元器件的正常使用,還需要消耗一定能量,將熱量排出,這就使電磁爐在運行時產生額外能耗,相當于降低了能效。

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四、提升電磁爐能效的方案技術

電磁爐的能耗分析及減小能耗的方法需要從整體上進行考慮。電磁爐工作時,多個部分會相互影響,從而增加能耗。只有對各個因素進行綜合分析,找到最佳的能耗和功率平衡點,才能有效提升電磁爐的運行能效。電磁爐運行時的功率和電壓較大,因此,需要在保障使用安全的情況下,從鍋具、平臺距離、導線電阻、工作功率、線圈密度等方面進行綜合分析,探尋提升電磁爐能效的方法,減少能源消耗。

1、電磁爐與鍋具的間距微調

經過對線圈和鍋具距離的分析可知,能量的損耗和鍋具與線圈的距離存在一定關系,理論上距離越小,能耗散失的就越少,但距離過小又會對IGBT能耗產生影響,加大IGBT的能耗。所以,需要對IGBT能耗和散失能量進行綜合評估。研究得出,如果高功率使用電磁爐,為了防止熱量過多散失,可以適當減少鍋具與線圈盤面的距離,而使用低功率進行加熱時則可以適當增加二者的距離,減少IGBT能耗。由此,今后相關人員進行研究時,可以針對電磁爐與鍋具之間的距離進行研究,研發微調距離的方法,達到減小能耗的目的。

2、電磁爐磁感線圈與磁條設計

根據現有資料可知,傳導電阻的大小和集膚效應密切相關,通過線圈的電流頻率越大,體現出的集膚效應也就越明顯。因此,如果導線中的導體直徑足夠小時,所產生的傳導電阻也就可以忽略不計。另外,磁條和感應線圈之間存在一定的距離,這段距離會導致磁阻增加。由此,在進行磁感線圈和磁條設計時,要注意兩者的距離,避免能耗增加。

五、電磁爐的使用安全

(1)由于電磁爐的加熱原理是加熱器具的本身發熱,所以在使用過程中應注意給炊具留下排氣孔。密封類的器具,如罐頭等,在電磁爐上直接加熱可能會引起密封制品爆炸。

(2)電磁爐需要采用三孔插座,用戶在購買時需要注意,用戶切勿自行改裝。因為兩空插座不帶有地線,容易產生瞬間打火,對于電磁爐這種大功率的電器非常危險。

(3)電磁爐在使用過程中注意不要將插頭插在位于電磁爐正上方的插座上,避免由于電磁爐加熱食物時產生的蒸汽損壞電源。

(4)電磁爐底殼上有散熱的吸氣口和排氣口,用戶在使用過程中要注意不要堵塞電磁爐的吸氣口和排氣口。最好將電磁爐放在硬質的桌面上,若桌面有桌布或者報紙,需要檢查吸氣口和排氣口是否被堵住。若電磁爐不能正常散熱,很可能導致電磁爐被燒壞。

(5)電磁爐完成工作依然會在內部留存一定的溫度。所以在電磁爐完成工作后需要將加熱的物體及時拿開,將電磁爐放置在空氣流通的位置散熱。這樣有利于延長電磁爐的使用壽命。

(6)在使用電磁爐烹調食物時要注意炊具的選用。炊具必須是具有導磁性和電阻適中的。如純鐵的器具、含鐵量較多的鐵質合金器具或者搪瓷均可以。陶瓷、塑料等器具電磁爐是無法加熱的。

(7)在使用電磁爐的同時切勿使用有電流發生驟變較為頻繁的電器,如電焊機、沖擊鉆、電錘等高功率的電器。在使用電磁爐時,若同時使用這些高功率電器,容易引起電磁爐的損壞。若要同時使用這些大功率的電器,必須要選擇有過流保護的裝置,或者選擇穩定的電源。

(8)在電磁爐使用過程中,若出現不正常的停機或者報警等異常情況,一定要停止使用電磁爐,并且與廠家聯系,及時維修或者更換,千萬不要自行拆卸維修。

(9)擦洗電磁爐時應該拔掉電源,并且在電磁爐冷卻后開始擦洗。電磁爐的面板可以用去污粉、牙膏或則汽車車蠟摩擦后再用干凈的毛巾擦洗;電磁爐其他部位只能用干凈的軟毛巾擦拭,可以沾水擦拭,也可以用中性洗潔精擦拭后再用濕毛巾擦去殘渣;電磁爐切勿直接侵入水中清洗或者沖洗,這樣會損壞電磁爐的電子元件;電磁爐的吸氣罩可以拆卸下來直接用水沖洗;長時間不使用電磁爐需要將機體擦洗干凈,晾干后再收藏起來,切勿將電磁爐收藏在潮濕的環境,可以在收藏空間內放置一些干燥劑和蟑螂藥。

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