1.电磁加热原理
电磁炉亦称电磁灶,顾名思义,电磁炉是一种靠电磁场加热食物的灶具。那么,什么是电磁加热呢?在回答这个问题之前,让我们先看看下面这个现象;家用电器中的工频变压器在工作时,铁芯会发热。铁芯既不与初级绕组相通,又不与次级绕组相通,它怎么会发热呢?
常见电源变压器结构简图如下图所示。当线圈中通以交流电后,线圈中便产生了交变的磁场。变压器中每一块硅钢片都有磁力线穿过,由于磁场强度变化,即穿过每块硅钢片中的磁力线条数(磁通量)发生变化,由楞次定律可知,在每块硅钢片内部便会产生闭合涡旋状的感应电流(电流方向为某一时刻的电流方向),以阻止磁通量的变化,这一感应电流叫涡电流,简称涡流。涡流在每一块硅钢片中流动,由于电流具有热效应,因此硅钢片发热,温度升高。涡流通过金属将电能转换成热能的现象叫做涡流的热效应。
虽然涡流的热效应会对电器设备产生不利影响,但可以将它应用于加热技术上,这种加热技术称为电磁加热技术。
(1)知识链接:涡流的热效应
涡流的热效应在电子电器设备中是非常有害的。
当变压器的线圈中通以交流电时,铁芯中要产生较大涡流,释放出大量的热,不仅白白消耗电能,而且不利于电器设备的正常工作。为了减小涡流和涡流所造成的影响,常见工频变压器的铁芯多采用涂有绝缘漆或表面有绝缘介质膜的薄硅钢片叠合而成,并使硅钢片平面与磁力线平行。这样,每块硅钢片中涡流通过的横截面积减小,加之硅钢片自身电阻率较大,因此涡流减弱,从而减小了电能损耗。为了尽可能地减小涡流,高频元件中的铁芯采用绝缘的磁性材料颗粒压制而成。
(2)背景知识:电磁炉
电磁加热技术并非近年来才出现的技术。20世纪50年代,在冶金工业上,利用涡流的热效应,制成了用于冶炼金属的高频感应炉(亦称电磁炉)。高频感应炉在坩埚的外部缠绕线圈,并把线圈接到高频交变电源上,如下图所示。高频交变电流在线圈内产生高频交变的磁场。炉内被冶炼的金属因电磁感应而产生很强的涡流,释放出大量的热,使金属熔化。
在上述高频感应炉出现后不久,各国陆续设计出许多民用加热食物的高频感应炉,即现在通称的电磁炉或电磁灶。由于当时所设计的电路非常复杂,加之当时功率元器件的制造水平较低,性能不佳,致使电磁炉的性能与使用的可靠性一直不高,加之其价格不菲,因此在相当长一段时间里电磁炉得不到普及。
20世纪90年代后期,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趋完善,使电磁炉的可靠性得到极大提高,价廉物美的电磁炉产品如雨后春笋般涌现出来,并深受广大消费者喜爱。
理论和实验证明:涡流功率不仅与磁感应强度(B)成正比,还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、煮等烹饪要求,除了安装能产生高磁感应强度的交变磁场线圈外,最行之有效的办法是提高交流电的频率以提高涡流功率。目前,流经电磁炉加热线圈中的交流电频率在15~30kHz。当线圈中通以高频交流电时,线圈周围产生交变磁场,在高频交变磁场的作用下,铁质锅底中产生强大的涡流,锅底迅速释放出大量热量,其工作示意图如下图所示。
提示:电磁炉的加热线圈(又称发热线圈或发热线盘)自身并不是热源.也就是说电磁炉并不是利用热传导的方式加热食物的,而是通过电磁感应,让锅体自身高速发热,从而加热食物,热效率大大提高。
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。常见电磁炉的电路原理简图如下图所示。