探索电磁加热原理:从电磁炉到涡流现象的全面解析

(2)背景知识:电磁炉目前,流经电磁炉加热线圈中的交流电频率在15~30kHz。为了能在发热线圈中形成15~30kHz的高频交流电,电磁炉中设有频率变换电路(简称变频电路),将整流、滤波后的直流电变成高频交变电流;为了实现煮、炒、蒸等不同烹饪时的功率调整,电磁炉中还设有功率检测及控制电路。

电磁炉又叫电磁灶,顾名思义,电磁炉就是利用电磁场对食物进行加热的一种炊具。那么,什么是电磁加热呢?在回答这个问题之前,我们先来看看下面这个现象:家用电器中的工频变压器在工作的时候,铁芯会发热。铁芯既不接初级绕组,也不接次级绕组,那它是怎么发热的呢?

常见的电源变压器结构示意图如下。当交流电通过线圈时,线圈中就会产生交变磁场,变压器中每片硅钢片都有磁力线穿过,由于磁场强度的变化,穿过每片硅钢片的磁力线(磁通量)数目发生变化。根据楞次定律,每片硅钢片内部都会产生一个封闭的涡旋状感应电流(该方向即为某一时刻电流的方向),阻止磁通量的变化,这种感应电流称为涡流,简称涡流。涡流在每片硅钢片中流动,由于电流具有热效应,使硅钢片发热,温度升高。涡流通过金属将电能转换成热能的现象称为涡流热效应。

涡流热效应虽然会对电气设备产生不良影响,但是却可以应用于加热技术,即电磁加热技术。

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(1)知识链接:涡流热效应

涡流的热效应对电子电气设备非常有害。

当交流电通过变压器线圈时,铁芯中就会产生很大的涡流,放出大量的热量,不仅白白消耗了电能,而且不利于用电设备的正常工作。为了减少涡流和涡流的影响,常用的工频变压器的铁芯多采用涂有绝缘漆或表面贴有绝缘介质膜的薄硅钢片制成,硅钢片平面与磁力线平行。这样,通过每片硅钢片的涡流截面积就减小了,而硅钢片本身的电阻率又很大,所以涡流就减弱了,从而减少了功率损耗。为了尽可能地减小涡流,高频元件中的铁芯都压制有绝缘磁性材料颗粒。

(2)背景知识:电磁炉

电磁加热技术并不是近几年才出现的技术,20世纪50年代,冶金工业中利用涡流的热效应制成了冶炼金属的高频感应炉(又称电磁炉)。高频感应炉在坩埚外面绕上线圈,将线圈接上高频交流电源,如下图所示。高频交流电在线圈中产生高频交变磁场,炉中被冶炼的金属由于电磁感应而产生强大的涡流,放出大量的热量,使金属熔化。

高频感应炉出现后不久,许多国家就设计了不少民用加热食物的高频感应炉,也就是现在俗称的电磁炉或电磁灶。由于当时设计的电路非常复杂,再加上当时制造水平低,功率元件性能较差,电磁炉的性能和可靠性不高,再加上价格昂贵,电磁炉在相当长的一段时间内并没有普及。

20世纪90年代末,性能优异的大功率半导体功率器件大量问世,单片机控制技术的日益完善,使电磁炉的可靠性大大提高,物美价廉、质量上乘的电磁炉产品如雨后春笋般涌现,深受消费者的喜爱。

探索电磁加热原理:从电磁炉到涡流现象的全面解析

理论与实验证明:涡流功率不仅与磁感应强度(B)成正比,而且与交流电频率的平方成正比。因此,为了使电磁炉达到一定的热交换功率(大于1200W)以满足煎、炒、蒸、煮等烹调要求,除了装设能产生高磁感应强度的交变磁场线圈外,最有效的办法就是提高交流电的频率以增大涡流功率。目前,电磁炉加热线圈中流过的交流电频率为15~30kHz。当高频交流电通过线圈时,线圈周围就会产生交变磁场。在高频交变磁场作用下,铁锅底产生强大的涡流,锅底很快释放出大量的热量。其工作示意图如下图所示。

探索电磁加热原理:从电磁炉到涡流现象的全面解析

提示:电磁炉本身的加热圈(也叫加热线圈或加热圈)并不是热源。也就是说,电磁炉并不是靠热传导来加热食物,而是靠电磁感应,使锅体本身高速升温,从而加热食物,大大提高了热效率。

为了在加热线圈中形成15~30kHz的高频交流电,电磁炉内设有变频电路(简称变频电路),将整流滤波后的直流电转变为高频交流电;为了实现煮、煎、蒸等不同烹饪方式的功率调节,电磁炉还设有功率检测与控制电路。常见电磁炉的电路原理示意图如下图所示。

探索电磁加热原理:从电磁炉到涡流现象的全面解析

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