基于电抗补偿的高精度锅具检测

左远洋

（美的集团中央研究院 佛山 528311）

引言

随着现代社会对能源效率和环境保护的日益关注，电磁灶作为一种高效、节能的厨房电器得到了广泛的应用。然而，电磁加热器具在加热时要求锅具覆盖住线圈，否则会导致能量的浪费和不必要的安全风险。当前新一代的全表面电磁灶，为了提高使用便利性，在灶面铺满小线圈，任意形状的锅具可以放在任意位置加热。此时灶面也不再有固定的锅具位置。因此，如何准确、可靠地检测电磁灶上的锅具位置，是新一代电磁灶首要突破技术。

本文旨在研究如何通过精确检测电磁加热线圈的阻抗变化，来识别线圈上方是否有锅具。传统的检测方法主要有脉冲法[1]、Q值分析法[2]等，然而这些方法存在一定的局限性，检测速度慢精度低，尤其是难以识别线圈被覆盖的程度。

在本文的研究中，我们首先分析电磁加热线圈的阻抗变化原理。为了实现精准的检测，我们通过电抗补偿的方法，提高了线圈阻抗模值变化率。同时也降低了检测复杂度，我们设计了检测电路拓扑，理论计算检测电压随覆盖面积的变化，最后通过实验验证了方案可行性。

1 线圈阻抗变化的原理分析

1.1 线圈的阻抗特性

电磁加热线圈作为一个感性元件，其阻抗主要由感抗和电阻成分组成：

Z0(ω)—线圈在角频率ω时的阻抗；

R0—线圈的等效串联电阻；

L0—线圈的电感；

ω—线圈工作的角频率；

j—虚数单位。

当线圈上方没有放置锅具时，线圈的等效串联电阻主要为绕线、磁芯的损耗引起的电阻，数值较小。此时线圈主要表现为一个电感。

1.2 锅具影响线圈阻抗的原理

当线圈上方放置锅具时，文献3对其阻抗特性进行了详细的分析，此时线圈的阻抗模型：

Zeq(ω)—线圈与锅具耦合后的阻抗；

Req—线圈与锅具耦合后的等效串联电阻；

△R—锅具引起的损耗，等效到线圈两端的电阻；

Leq—线圈与锅具耦合后的的电感；

△L—为锅具引起的线圈电感变化量。

由于锅具在高频交流磁场的作用下会产生涡流效应，导致锅具本身发热产生能量损耗，从而反映到线圈的等效串联电阻增加。锅具涡流同时也影响了线圈的电磁特性，涡流在锅具内部形成闭合环路，产生反向的磁场与线圈磁场相互作用，导致线圈磁场减少，电感减少[3]。

1.3 锅具覆盖线圈不同面积的阻抗分析

当锅具覆盖线圈一部分面积时，锅具涡流主要集中在锅具与线圈接触的区域。由于涡流产生的区域变少，涡流损耗的体积分变少，锅具整体的损耗减少，线圈的等效串联电阻相比全覆盖要小。另一方面，由于线圈有部分未被覆盖，线圈磁场可以形成自由回路而未被衰减，线圈的磁场能量更大，线圈的电感相比全覆盖更大。

2 检测电路的设计

2.1 线圈阻抗变化分析

线圈的阻抗特性受多种因素影响，包括工作频率、线圈与锅具之间的距离、以及锅具的材质等。本研究首先实测线圈阻抗参数并对其进行分析，测量使用WAYNE KERR Precision Magnetics Analyzer 3260B高精度阻抗参数测试仪器。测试时，我们保持锅具与线圈的距离和应用一致，使用实际的微晶玻璃将锅具放置于线圈正上方。

我们针对常用的三种不同材质的锅具进行了测试，分别是锅底材料为430钢的复合底锅、锅具材料为铁（熟铁）的炒锅和锅具材料为304钢的汤锅。同时测试不同材质的锅具，在不同频率下对线圈阻抗的影响。测试布置可见图1。

图1 测试布置图（复合底锅）

线圈阻抗参数的测试结果如图2。

图2 阻抗参数测试结果

从图2可以观察到，对于线圈等效串联电阻R，铁质的炒锅，略低于钢质的其他两种锅具。且随着频率的增大差距加大。主要原因为铁（熟铁）材料的电阻率相对含碳量更高的钢更低，根据涡流效应原理，电阻率低的材料涡流损耗更小。随着频率增大，三种锅具导致线圈的等效串联电阻都在增大。因为随着频率的增大，材料的趋肤深度更小，涡流损耗更大[4]。对于线圈电感的影响，三种材料的锅具，导致电感的变化趋势一致。在低频段，由于涡流效应低，线圈被抵消的磁场少，但由于铁和钢的相对磁导率很高，通常大于200，降低了线圈上方磁路的磁阻，从而增强了线圈的整体磁场。表现为电感相对无锅更大。而随着频率增加涡流效应增强，电感逐渐降低。由于三种材料的磁导率不同，三种材料对电感的影响程度略有差异。综合来看，线圈的感抗减少，电阻增加，阻抗的虚部减少，实部增加。

为了简化检测电路，只检测电路中的电信号幅值变化，而不检测相位的变化。因此需要分析线圈阻抗模的变化率，通过对图2的数据计算可以得到，阻抗模变化率很小，无论在哪个频段，这同样会导致电路复杂，器件精度要求高，成本高。家电产品多为成本敏感型产品，我们希望设计一个简单可靠低成本的检测电路。因此需要提高阻抗模变化，通过在线圈回路上串联一个电容，组成LC谐振电路。利用电容的容抗与线圈的感抗抵消，使得无锅时的电抗为零，此时电阻非常小，LC电路整体阻抗模较小。而有锅时，因锅具涡流损耗大，线圈等效串联电阻增加非常多，整体阻抗模变化非常大，在串联3.3 nF电容时，有锅的阻抗模相对无锅的变化率，理论计算结果如图3。

从图3可以看到，在（30～200）kHz频率区间，阻抗模变化率都大于1 000 %。

2.2 电路设计

为了实现精确检测电磁灶上的锅具，我们采用LCR串联谐振电路作为被检测回路，通过检测该回路电流的变化，来实现对阻抗模变化的检测。该电路拓扑如图4。

图4 检测电路拓扑图

电路由三个部分构成：逆变电路、LCR谐振电路和整流电路。

首先，逆变电路提供高频交流电压作为交流信号源。它产生一个方波输出信号，该信号的基波电压峰值向量如式（3）（令其初相为0）：

Am—方波信号幅值；

D—方波信号占空比。

其次，谐振电路由补偿电容C、线圈L和取样电阻R组成的串联谐振电路。取样电阻R值，在保证取样电压可检测的前提下，需要足够小。在无锅时，由于电感L，电容C电抗基本互相抵消，线圈等效串联电阻RS非常小，逆变电路的负载总阻抗模很小，约等于R。当有锅具覆盖时，线圈等效串联电阻增大，逆变电路的负载总阻抗模明显增大，则负载电流明显减少，即R值上的电流明显减少，电压明显减少，从而容易检测电压变化量。取样电阻上的电压值理论计算公式如式（4）：

R—取样电阻阻值；

Rs—线圈等效串联电阻；

ZL—线圈的感抗；

ZC—补偿电容的容抗。

最后，整流电路将取样电阻上的交流电压转换为直流电平。要求整流电路的输入阻抗远大于取样电阻R，以避免整流电路对R的分流，从而影响R的取样电压。整流后的电压如（5）：

Vs—整流后的检测电压；

VF—整流二极管的正向压降。

2.3 不同覆盖面积的理论计算

对于全表面电磁灶，其加热区域布满小线圈，小线圈直径通常为70 mm左右。锅具在加热区域自由放置，锅具直径通常220 mm左右。一个锅具下方有多个线圈，线圈被覆盖面积各不相同，有全覆盖、半覆盖以及其他情况。线圈的阻抗变化也各不相同，并且锅具的不同材质也会带来差异。本节将探讨在200 kHz频率下，不同覆盖面积对线圈阻抗的影响，并进行理论检测值预测。

首先基于实验测量，获得不同覆盖面积下线圈的阻抗参数的测量结果，如图5所示。

图5 不同覆盖面积的线圈阻抗参数

然后基于前文所述的电路拓扑，我们假设整流二极管D1的正向压降VF为0.5 V，逆变电路输出方波的幅值为5 V，占空比为50 %。补偿电容C取值3.3 nF，取样电阻R取20 Ω。根据测量得到的线圈阻抗参数，理论计算出不同覆盖面积下的检测电压值，结果如图6所示。

图6 不同覆盖面积的检测电压值

从图6可以观察到，检测电压理论值随着覆盖面积减少而下降，对每一类型材质的锅具，在覆盖面积（0～80）%区间，覆盖面积变化20 %，检测电压变化都有0.1 V以上，这足以程序识别线圈的覆盖程度。80 %及以上覆盖面积，可以不再作区分。从图5也可以看出，80 %及以上覆盖面积时，线圈阻抗变化非常小，说明锅具的涡流变化也很小，加热功率变化也很小。因此，不区分80 %及以上覆盖面积对实际应用没有影响。结合锅具类型的信息时，理论上可以实现对线圈覆盖程度的准确判断。

3 实验验证

我们按2.3节中的参数制作了实验电路，使用Keysight DSOX4104A示波器来测量检测电压。对三种不同材质的锅具，不同覆盖面积时测得的检测电压，与理论值对比如图7所示。

从中可以观察到，实验结果基本符合理论计算的结果。对单一材质类型的锅具，在覆盖面积（0～80）%区间，检测电压变化量都足够大，都能很好的用于检测识别。

5 结束语

在本文中，我们对锅具检测的原理和电路设计进行了深入研究和分析。通过利用电抗补偿的方法，提高了阻抗模的变化率，降低了检测电路的复杂度，同时又提高了检测精度。实验结果表明，对单一材质的锅具，不同覆盖面积，检测电压变化量大，可以准确判断线圈的存在与覆盖程度。本方案检测速度快，成本低，可靠性高。非常适用全表面电磁场应用，提高电磁灶的使用便利性与安全性。

图7 检测电压理论值与实测值对比