第2章 熟悉电磁炉的加热原理
2.1 电磁炉的整体加热原理和信号工作过程
2.1.1 电磁炉的整体加热原理
在第1章中讲述电磁炉原理时说过，电磁炉在通电工作一段时间后，外壳上会有热量散出，这是为什么呢？
因为家用电器都用到了电磁线圈，即人们平常所说的漆包线圈。
这些漆包线圈缠绕在形状特别的铁芯上，通过一定的连接方法，从而实现风扇电动机运转、电源变压器变压的功能。那么，电动机、变压器的铁芯并没有与线圈绕组相通，它们又怎么会发热的呢？以电源变压器为例，其结构如图2-1所示。
图2-1 电源变压器结构
由电学基础知识可知，当在变压器线圈中通上交流电后，在线圈中就会产生交变的电磁场。处于线圈中间的铁芯（由一块块绝缘的硅钢片叠合而成），它的每一块硅钢片都会有磁力线穿过，由于产生的是交变磁场，即磁场强度是变化的，故穿过硅钢片的磁力线条数（即磁通量）也是变化的。
由楞次定律可知，在每块硅钢片的内部会产生闭合的涡旋状的感应电流（感应电流方向为某一时刻的电流方向），以阻止磁通量的变化，这一感应电流称作涡电流，通常简称为涡流。涡流在每一块硅钢片中流动，由于电流具有热效应，从而使硅钢片发热，温度升高。金属通过涡流发热，从而将电能转换成热能的现象就称作涡流的热效应。
涡流的热效应对靠线圈绕组工作的电气设备会产生不利影响，它不仅浪费电能，而且涡流发热产生的热量长时间聚集，会加快线圈绕组的绝缘老化，甚至破坏线圈绕组的绝缘，从而导致电气设备因绝缘性能降低而击穿损坏。因此，为了减小涡流，避免涡流对电气设备所造成的不利影响，常见的工频变压器、电动机等的铁芯多采用涂有绝缘漆的或者表面有绝缘介质薄膜的薄硅钢片叠合而成。但一切事物的好与坏都是相对的，涡流的热效应也是如此，人们专门利用涡流的热效应原理，将它应用到加热技术上来，这种加热技术就称作电磁加热技术。电磁炉就是利用电磁加热技术制成的新兴厨房电器。
理论和实验证明，涡流的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。正是基于这一理论，目前电磁炉为了达到一定的热交换功率，以满足煎、炒、蒸、煮等烹饪要求，除了安装有能产生高磁感应强度的磁场线圈外，同时还给线圈通以较高频率（15～30kHz）的交流电，通过提高交流电的频率达到提高涡流功率的目的。当给线圈通以高频交流电时，线圈的周围便会产生高频交变的磁场，在高频交变磁场的作用下，铁质锅具的底部便会产生强大的涡流，该强大的涡流使锅具的底部迅速释放出大量的热量，以满足烹饪的要求。
通过对上述电磁炉加热原理的介绍，读者不难明白，电磁炉实质上就是一台高频变压器，加热线圈相当于变压器的初级，锅具相当于是变压器的次级，当初级线圈即加热线圈盘通过高频交变电流时，次级即锅具上便产生感应电流（涡流），该感应电流便通过锅具自身电阻发热，产生热量，达到加热食物的目的。
非导磁性材料不能有效会聚磁力线，几乎不能形成涡流，就像普通变压器如果没有硅钢片铁芯，而只有两个绕组是不能传送能量的原理一样，是不能产生足够的热量的。另外，导电能力特别差的磁性材料因其自身电阻率高，产生的涡流电流就小，也不能产生足够的热量。所以，电磁炉所采用的锅具都采用导电性能相对较好的铁磁性材料的金属、合金及它们的复合体。
为了能在加热线圈中形成15～30kHz的高频交流电流，电磁炉中设有频率变换电路（单管高频振荡电路），即220V交流市电经桥式整流器整流、滤波后形成约+310V的直流电压，送至加热线圈盘，再经过开关振荡管后，变成高频交流电流。为了能使电磁炉根据使用需要而输出不同的功率，电磁炉还设置有功率检测和控制电路，另外还有相关的保护电路。电磁炉的原理框图如图2-2所示。
图2-2 电磁炉原理框图
220V交流市电经过桥式整流器整流，L1、C2组成的滤波电路滤波后，得到约+310V的直流电压。此直流电压加在加热线圈盘上，经IGBT接到地（即电源的负极）形成回路。当IGBT导通时，+310V电压给加热线圈盘充电，电能转换成电磁能储存在加热线圈盘中；当IGBT截止时，加热线圈盘给高频谐振电容C3充电，接着C3又向加热线圈盘放电，如此周而复始，由加热线圈盘与电容C3构成的LC并联谐振电路进入谐振状态。由电学基础知识可知，其谐振的频率由加热线圈盘的电感量和电容C3的容量决定，即f=1/（2πLC）。IGBT在控制电路输出的PWM开关脉冲的驱动下以一定频率同步地导通、截止，使加热线圈中产生15～30kHz的高频交变电流，从而在铁质平底锅具的底部产生强大的涡流，锅具底部迅速发热。改变IGBT导通时间，即改变了发热线圈盘中的储能量的大小，从而改变了涡流的功率，达到控制发热量，即控制输出功率的目的。
2.1.2 电磁炉的信号工作过程
上一节讲述电磁炉的电路工作过程，接下来将从信号流程来说，电磁炉的信号工作过程可分为主电路信号流程和检测保护电路信号流程，如图2-3所示，主电路是电磁炉能够工作的基本电路，然而为了使用安全，主电路需要各个检测保护电路进行监控。
图2-3 典型电磁炉信号工作过程
（1）主电路信号流程 如图2-3所示，市电AC220V进入电磁炉以后，分为两路：一路经过高压整流滤波电路生成DC+300V电压送入功率输出电路；另一路经过低压整流滤波电路生成多个低压电压，送入MCU智能控制电路及其他电路模块中，使其能够正常工作。
MCU智能控制电路接收操作显示电路送来的人工指令，经过逻辑处理，分别送给同步振荡电路和PWM调制电路控制信号，然后由IGBT管驱动电路进行放大处理，经放大后的驱动信号送给功率输出电路中的IGBT管，使炉盘线圈产生高频振荡电流，使得炉盘线圈产生出交变的磁场，对铁质软磁性炊具进行磁化，在炊具的底部形成许多由磁力线感应出的涡流，将电能转化为热能，从而实现对食物的加热，如第1章中的图1-5所示。
（2）检测保护电路信号流程 如图2-3所示，在电磁炉主电路的四周还有多个检测保护电路，这些电路对主电路进行控制。其中市电AC220V进入电磁炉以后，分别送入电流检测电路、电压检测电路、浪涌保护电路中，经电流检测电路、电压检测电路处理后，将控制信号送入MCU智能控制电路中，而浪涌保护电路送出的控制信号则送入PWM调制电路当中，对振荡信号进行控制。
功率输出电路由温度检测电路、锅质检测电路、IGBT过压保护电路进行控制，经检测到的信号分别送入MCU智能控制电路或PWM调制电路当中，对主电路进行监控、保护。风扇驱动电路和报警驱动电路也是由MCU智能控制电路进行控制的。