影響電磁爐能效因素的研究

余慶喜

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電能的應(yīng)用越來越廣泛。隨著人們環(huán)保意識的提升，使用電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液化氣、天然氣成為家庭廚房電器的發(fā)展趨勢。而作為傳統(tǒng)灶具替代品的電磁爐成為人們的最佳選擇。但是，為了能產(chǎn)生和燃?xì)庀嗤臒崃浚姶艩t通常功率較大，電能消耗也非常明顯，而如何在保證電磁爐產(chǎn)生熱量的同時(shí)減小能源消耗成為相關(guān)人員研究的重點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對影響電磁爐能效的相關(guān)因素進(jìn)行研究，并提出提升電磁爐能效的研究方向。

關(guān)鍵詞：電磁爐；線圈盤；微晶板

中圖分類號：TM925.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0081-02

Study on Factors Affecting Energy Efficiency of Induction Cooker

YU Qingxi

（Guangdong Xingong Electrical Appliance Co.， Ltd.，Raoping Guangdong 515700）

Abstract： With the continuous development of science and technology and the continuous improvement of people's living standard， the application of electric energy is more and more extensive. With the improvement of people's awareness of environmental protection， the use of electric energy instead of traditional liquefied petroleum gas and natural gas has become the development trend of household kitchen appliances. As an alternative to traditional cookers， induction cookers become the best choice for people. However， in order to produce the same heat as gas， the power of induction cooker is usually large， and the energy consumption is also very obvious. How to ensure the heat generated by induction cooker and reduce the energy consumption has become the focus of research. Combining with practical work experience， this paper studied the related factors affecting the energy efficiency of induction cooker， and put forward the research direction of improving the energy efficiency of induction cooker.

Keywords： induction cooker；coil tray；microcrystalline plate

1 電磁爐的工作原理

電磁爐的工作原理主要是利用電磁感應(yīng)技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。電磁爐的內(nèi)部電路會將家庭用電電壓（通常為50/60Hz的交流電壓）轉(zhuǎn)化為20～40kHz的高頻率電壓，而電流的轉(zhuǎn)化過程通常是在電磁爐內(nèi)的線圈中完成的，高速變化的電流在通過線圈時(shí)就會產(chǎn)生磁場，磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿底部時(shí)，會因渦流效應(yīng)而快速發(fā)熱，從而加熱金屬器皿烹飪食物[1]。

2 影響電磁爐能效的相關(guān)因素

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

2.1 電磁爐內(nèi)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(gè)縫隙的寬度實(shí)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(dāng)兩者距離過小時(shí)，LC諧振過程中電壓的最低點(diǎn)也就遠(yuǎn)離電壓零點(diǎn)，導(dǎo)致IGBT零點(diǎn)的開通難以實(shí)現(xiàn)，從而加大IGBT開通的能量損耗。

線圈盤的主要作用是產(chǎn)生變化的磁場，金屬器皿靠近磁場時(shí)就會切割磁場產(chǎn)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(chǎn)生的渦流也就越多，就能產(chǎn)生較大能效。但是，在實(shí)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(shí)，大部分能量損耗導(dǎo)致IGBT發(fā)熱，能效降低。

2.2 線圈盤引發(fā)的能量損耗

線圈盤的主要參數(shù)有：品質(zhì)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(zhì)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(yōu)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(dǎo)率[ui]高、品質(zhì)因素[Q]高、穩(wěn)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(dǎo)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(shí)心的導(dǎo)線交流電阻要小，主要是由于當(dāng)導(dǎo)線中通過電流的頻率比較高時(shí)，電流都分布在導(dǎo)線最外層的導(dǎo)體中，而使用多條絞合線就相當(dāng)于加大了導(dǎo)體的橫截面，所以，導(dǎo)線的交流電阻也就相對減小。同時(shí)，由于絞合線在制作時(shí)同時(shí)占用了導(dǎo)體長度和橫截面積，所以集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都被減小了。

線圈功率損耗主要表現(xiàn)在兩部分：一是電流在通過線圈時(shí)所產(chǎn)生的熱能；二是線圈在交變磁場下產(chǎn)生的渦流損耗。而通常情況下，熱能功耗和導(dǎo)線的集膚效應(yīng)有關(guān)，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗可以相加。通過對其進(jìn)行計(jì)算可以得出，能量損耗受到導(dǎo)線中導(dǎo)體數(shù)量、電阻和感應(yīng)電阻的影響。

在磁條損耗方面，磁條損耗的計(jì)算方法為：

磁條損耗（PD）=磁滯損耗（[Ph]）+渦流損耗（[Pe]）+剩余損耗（[Pc]） （1）

式（1）中，磁滯損耗[Ph]就是磁性材料在工作過程中反復(fù)磁化的現(xiàn)象，其中的矯頑力越大，材料所產(chǎn)生的磁滯回線所包含的面積也就越大。渦流損耗[Pe]是指磁芯中的交流磁通產(chǎn)生的損耗。渦流在產(chǎn)生磁芯損耗的同時(shí)，渦流電流中產(chǎn)生的磁通阻礙也會影響主磁通的變化，使磁通的有效面積減少，出現(xiàn)集膚效應(yīng)。剩余損耗[Pc]是指磁性滯后效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗，即磁化和反磁化過程中導(dǎo)致的磁耗。

2.3 微晶板的導(dǎo)熱

當(dāng)烹飪器皿發(fā)熱時(shí)，一部分熱量會通過微晶板傳導(dǎo)到電磁爐內(nèi)，造成能量損失，這主要是熱傳導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的熱量損耗。此種原因?qū)е碌哪芰繐p耗與微晶板的隔熱效果有密切聯(lián)系，因此可以通過增加微晶板的隔熱性能來減少熱量損耗。

2.4 散熱風(fēng)扇

大功率電器在工作過程中通常會產(chǎn)生大量的熱量，而這部分熱量不能被電器利用，就相當(dāng)于做無用功。電磁爐作為一種大功率電器，在運(yùn)行時(shí)，爐腔內(nèi)會產(chǎn)生大量熱量，所以，需要在電磁爐內(nèi)部安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇來降低爐內(nèi)溫度，保證電磁爐內(nèi)各個(gè)器件正常使用。電磁爐在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的額外熱量是不能被利用的。為了保證電磁爐內(nèi)各個(gè)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生額外能耗，相當(dāng)于降低了能效。

3 提升電磁爐能效的研究方向

①經(jīng)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(guān)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(chǎn)生影響，加大IGBT的能耗。所以，需要對IGBT能耗和散失能量進(jìn)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(dāng)減少鍋具與線圈盤面的距離，而使用低功率進(jìn)行加熱時(shí)則可以適當(dāng)增加二者的距離，減少IGBT能耗。由此，今后相關(guān)人員進(jìn)行研究時(shí)，可以針對電磁爐與鍋具之間的距離進(jìn)行研究，研發(fā)微調(diào)距離的方法，達(dá)到減小能耗的目的。

②根據(jù)現(xiàn)有資料可知，傳導(dǎo)電阻的大小和集膚效應(yīng)密切相關(guān)，通過線圈的電流頻率越大，體現(xiàn)出的集膚效應(yīng)也就越明顯。因此，如果導(dǎo)線中的導(dǎo)體直徑足夠小時(shí)，所產(chǎn)生的傳導(dǎo)電阻也就可以忽略不計(jì)。另外，磁條和感應(yīng)線圈之間存在一定的距離，這段距離會導(dǎo)致磁阻增加。由此，在進(jìn)行磁感線圈和磁條設(shè)計(jì)時(shí)，要注意兩者的距離，避免能耗增加。

4 結(jié)論

電磁爐的能耗分析及減小能耗的方法需要從整體上進(jìn)行考慮。電磁爐工作時(shí)，多個(gè)部分會相互影響，從而增加能耗。只有對各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，找到最佳的能耗和功率平衡點(diǎn)，才能有效提升電磁爐的運(yùn)行能效。電磁爐運(yùn)行時(shí)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(dǎo)線電阻、工作功率、線圈密度等方面進(jìn)行綜合分析，探尋提升電磁爐能效的方法，減少能源消耗。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐明燕，李碩勇，曹小林.電磁爐防磁輻射的研究[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2011（6）：218.