Введение 6
1. Анализ способов приготовления кофе 9
1.1 Способы приготовления кофе 10
1.2 Почему нельзя кипятить молотый кофе? 10
1.3 Устройство и принцип работы кофе-машины 12
1.4 Основные выводы 17
2. Методы электрического нагрева 19
3. Индукционный нагрев 20
3.1 Основные принципы и технологии 20
3.2 Преимущества индукционного нагрева 21
4. Динамическая тепловая модель нагреватель-стакан 24
4.1 Теоретическая часть 24
4.2 Практическая часть 25
4.2.1 Определение параметров W(p) 27
4.3 Сравнение всех режимов 30
5. Проектирование схемы инвертора тока на полевых транзисторах 35
5.1 Измерение параметров деталей устройства 37
5.2 Моделирование 39
5.2.1 Список используемых элементов схемы и их описание 41
5.2.2 Особенности сборки и компиляции схемы 45
5.2.2 Влияние комплектующих на резонанс в колебательном контуре .... 47
5.2.3 Увеличение диапазона рабочего напряжения 58
5.2.4 Баланс мощностей и КПД схемы 59
5.3 Технические основы для построения смарт-системы 64
5.3.1 Выбор электронной базы системы управления (СУ) 65
5.3.2 Регулирование мощности нагрева с помощью ШИМ 65
5.3.3 Система поддержания заданной температуры 70
5.4 Выводы 76
6. Выбор силовых транзисторов для преобразователей напряжения с резонансным контуром 77
6.1 Принципы работы резонансного преобразователя напряжения 78
6.2 Практическая методика расчета мощности потерь проводимости в
силовых транзисторах 78
6.3 Выводы 83
Заключение 85
Список литературы 86
В данной научно-исследовательской работе представлена разработка смарт системы для приготовления кофе. Данный напиток был выбран в следствии его некоторых особенностей при приготовлении, которые описаны в работе.
Актуальность темы. Несмотря на научно-технический прогресс, существование огромного множества автоматизированных кофемашин и возможность разными способами готовить кофе - приготовление кофе в турке все равно считается наилучшим по тому, как оно сохраняет вкус и пользу самого кофе. Другими словами, в настоящее время наблюдается заинтересованность разработки смарт-системы для приготовления кофе.
Исследование научных работ и патентов по теме смарт-систем для приготовления кофе, показали, что:
1) За последние 10 лет по данной теме и схожей с ней было опубликовано небольшое количество охранных документов.
2) Научных разработок, которые рассматривают индукционный нагрев в качестве нагрева воды в кофе-машинах - найдено не было.
3) До настоящего времени основная работа в этой сфере была направлена не столько на решение проблемы научно-исследовательским путем, сколько экспериментальным, а именно внесением изменений конструкционных особенностей кофе-машин, которые стоит отметить смогли исправить некоторые ошибки при приготовлении кофе.
Объектом исследования является опытная модель/макет для электротермии емкости с жидкостью, осуществляемая высокочастотным нагревом.
Целью магистерской диссертации является разработка автоматизированной смарт-системы приготовления кофе в виде имитационной схемы нагрева с системой управления в среде Matlab R2014a/Simulink, которую в последствии можно будет использовать в кофе машинах.
В следствии чего люди, не обладающие достаточным временем и умением, могли приготовить себе свой любимый напиток, который бы не уступал по вкусу и пользе приготовленного в турке.
Задачи:
1) Разработка математической модели схемы нагрева.
2) Разработка системы управления для регулирования мощности нагрева.
Поставлены и решены следующие задачи:
1) Разработана имитационная схема в динамической среде моделирования Matlab R2014a/Simulink, проведено моделирование в ней с целью предварительной оценки высокочастотного нагрева в схеме и уточнения параметров для комплектующих схемы.
2) Разработана система управления для регулирования мощности нагрева в среде моделирования Matlab R2014a/Simulink. Также представлены рекомендации по осуществлению опытного макета для электротермии на основе разработанной имитационной схемы, предложенной в данной исследовательской работе.
Методика исследований. Поставленные задачи были решены методами экспериментальных исследований, при помощи следующих инструментов, в частном случае программных обеспечений: MATLAB R2014a, MS Office Excel.
Новизна работы:
- В качестве бойлера нагрева воды используется ферромагнитная кружка.
- В качестве метода электрического нагрева кофе, предлагается индукционный нагрев.
Практическая ценность:
- Предложен тип материала для бойлера нагрева воды.
- Предложены рекомендации по осуществлению опытного макета системы управления электротермией.
- Электрические принципиальные схемы питания и системы управления.
В результате выполнения данной научно-исследовательской работы, была осуществлена разработка имитационной модели для индукционной электротермии емкости с жидкостью, в программном обеспечении Matlab R2014a/Simulink.
Помимо самого нагрева в данной имитационной схеме была разработана система управления для регулирования мощности нагрева, а также представлены рекомендации по осуществлению опытного макета для индукционного нагрева и впоследствии - автоматизированной смарт-системы для приготовления кофе.
Также в результате моделирования, был осуществлен выбор параметров комплектующих имитационной схемы, выявлена частота регулирования резонансным инвертором посредством системы управления.
В результате исследования динамической тепловой модели нагреватель-стакан (целью которого было - установить наиболее достоверное и точное измерение температуры в рабочей зоне кофеварки при нагреве), был выявлен вид звена описывающий температуру воды статистически при любом нагреве и остывании.
