CN105338675B - 一种高频电磁加热设备及其电力控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高频加热电力设备，包括：振荡器，其输出预定频带内的振荡频率的信号；所述振荡器的输出被半导体功率放大器放大后由辐射器向被加热物辐射加热用电磁波；反射波监控器，检测所述加热用电磁波的反射波；存储器，其通过预扫描存储在容许频率内间隔特定步长的振荡频率的反射功率比；控制器，其能够根据输入指令变更振荡频率；控制器根据对最接近期待反射功率比的第一反射功率比和第二反射功率比，确定更接近期待反射功率比的振荡频率，从而不增加预扫描时间的情况下，使振荡频率调节为接近反射功率比的频率。

Description

一种高频电磁加热设备及其电力控制方法

技术领域

本发明涉及电加热设备，尤其是涉及一种进行高频加热的设备以及方法。

背景技术

高频加热是电磁波加热的一种形式，其原理是，当被加热物体(电介质)处于高频电场中时，电介质内部具有正负极性的偶极子就会顺电场方向排列。在电场每秒数百万次极性变化的作用下，偶极子产生剧烈运动，摩擦发热。从而，在电磁波的作用下，使加热物体自身发热。

与传统的加热技术相比，高频加热具有加热均匀、速度快、热效率高等优点，因此高频加热技术具有极大的吸引力和应用前景。目前，高频加热设备以及工艺大量应用于日常生活以及生产实践中，例如日常生活中的微波炉，工业应用中的高频焊接、高频淬火、金属表面热处理等。

高频加热设备中一般使用磁控管作为大功率直接振荡器件，将由磁控管发生的电磁波通过辐射器向加热室内发射高频电磁波，对室内的被加热物进行加热。传统的高频加热设备在设定好加热功率加热时间后，在整个的加热过程中，不会大幅度的调整其输出功率。要想改变其加热功率，一般需要停机后再重新设置。

但是在某些应用场合，却需要在加热程中降低对于加热物的加热功率，比如微波炉用于煲汤类的操作，先需要大火将水烧开，然后再维持小火保温。由于功率切换时的大幅变动，可以导致高频加热设备的变频电源的软开关损害，现有的高频加热设备很难实现对于加热过程中被加热物体的加热功率的大幅变动。

现有技术中，201110268246.3的发明专利提出了一种高频加热设备电源功率切换方法，器通过预设的调整功率指令，以设定的步幅值逐次增大或减小微波炉电源功率，直至达到指令的目标功率，从而使被加热体的接收功率达到预期值。但是，现有技术中的该方法通过逐步变化的方式实现，使被加热体的接收功率达到预期值所需的花费时间较长，可能无法满足实时调整的需要。

为了解决上述问题，发明人的在先申请提出了一种高频加热电力设备及其电力控制方法，在被加热体的加热功率需要下降时，并不降低半导体功率放大器的输出功率，而是通过将振荡频率调节为高反射功率比的频率，使实际加热被加热体的有用功率降低，以实现降低加热功率的效果，从而能够在短时间内使被加热物体的接收功率达到预期值，并且不会因此产生半导体功率放大器输出功率大幅变动导致的损害。但是该技术方案中，反射功率比表是通过特定步长的预扫描确定的，其是在许可频率内孤立的统计点的反射功率比，其与期待的反射功率比具有特定的差值，无法实现精确的加热功率的控制；可以通过降低预扫描步长，增加统计点的方法，使反射功率比表里面的点尽可能得与期待反射功率比接近，但是这样会增加预扫描时间，并且也无法完全做到精确匹配。

发明内容

本发明作为在先申请的发明的改进，提供了一种高频加热电力设备，能够在不增加预扫描时间的情况下，使振荡频率调节为最接近反射功率比的频率。

作为本发明的一个方面，提供一种高频加热电力设备，包括：振荡器，其输出预定频带内的振荡频率的信号；所述振荡器的输出被半导体功率放大器放大后由辐射器向被加热物辐射加热用电磁波；反射波监控器，检测所述加热用电磁波的反射波；存储器，其通过预扫描存储在容许频率内间隔特定步长的振荡频率的反射功率比；控制器，其能够根据输入指令变更振荡频率；所述控制器在收到降低加热幅度的指令时，根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2，根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2），进行线性插值，从而确定变更后的振荡频率Pt。

优选的，所述变更后的Pt＝P1＋(ft－f1)×(P1－P2)/(f1-f2)。

优选的，所述第一反射功率比f1为小于期待反射功率比ft中数据中最大的反射功率比，所述第二反射功率比f2为大于期待反射功率比ft中最小的反射功率比。

优选的，所述期待反射功率比ft由下式计算：ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率。

优选的，如果在容许频率内所有的反射功率比都小于期待反射功率比ft，则在降低半导体功率放大器的输出功率后，得出新的期待反射功率比，根据该新的期待反射功率比确定变更后的振荡频率。

作为本发明的另外一个方面，提供上述高频加热电力设备的电力控制方法，包括如下步骤：1）在加热前，所述控制器在容许频率内控制所述振荡器以特定步长进行变频扫描，通过反射波监控器检测的反射波计算出各个振荡频率的反射功率比，将其存储在存储器中；2）以当前振荡频率和当前功率加热特定时间；3）所述控制器接收到降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率W1；4）根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率；5）从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2；6）根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2），进行线性插值，从而确定变更后的振荡频率P。

作为本发明的另外一个方面，提供一种高频加热电力设备，包括：振荡器，其输出预定频带内的振荡频率的信号；所述振荡器的输出被半导体功率放大器放大后由辐射器向被加热物辐射加热用电磁波；反射波监控器，检测所述加热用电磁波的反射波；存储器，其通过预扫描存储在容许频率内间隔特定步长的振荡频率的反射功率比；控制器，其能够根据输入指令变更振荡频率；所述控制器在收到降低加热幅度的指令时，根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2，所述控制器控制所述振荡器在该第一反射功率比f1对应的振荡频率P1以及第二反射功率比f2对应的振荡频率P2之间进行振荡跳频辐射。

优选的，所述振荡器以振荡频率P1和振荡频率P2交替进行跳频辐射，其中振荡频率P1单次辐射序列周期T1和振荡频率P2的单次辐射序列周期T2比值为(f2－ft)/(ft－f1)。

优选的，第一反射功率比f1为小于期待反射功率比ft中数据中最大的反射功率比，所述第二反射功率比f2为大于期待反射功率比ft中最小的反射功率比。

附图说明

图1是反射波强度与频率关系的示意图。

图2是本发明一个实施例高频加热电力设备的控制流程示意图。

图3是本发明另外一个实施例高频加热电力设备的控制流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。

本发明的第一实施例的高频加热电力设备，包括振荡器，半导体功率放大器，辐射器，反射波监控器、存储器以及控制器。其中，振荡器为变频振荡器，其振荡频率能够在预定的范围内进行变换。优选的，可以将振荡器的振荡频率设置为能够在2.40GHz至 2.50GHz的范围内变化。

半导体功率放大器用于功率的放大，其可以包括前级前置放大器、中级前置放大器和后级前置放大器。从振荡器输入到半导体功率放大部的功率是mW级别的微小功率，在半导体功率放大部中进行功率放大后，从而能够向辐射器提供kW的功率。

可以使用天线作为辐射器，其基于半导体功率放大器的输出功率而辐射向加热室内辐射加热用电磁波，被加热物收到电磁波辐射后，从而被加热。

由于辐射器的输出阻抗和加热室的阻抗的存在，辐射到加热室的电磁波不是完全被加热物吸收。其中有一部分电磁波会反射形成反射波，从而导致被加热物吸收有用功率并不等于半导体放大器的输出功率。对于给定的被加热物，该部分反射波的强度与振荡器的振荡频率相关，其在特定振荡频率下的反射波强度最低，如图1中所示，在振荡频率为F3时，反射波强度最低。可以在加热前，通过扫描确定不同振荡频率的反射波强度。反射波监控器用于检测不同振荡频率下反射波的强度，从而根据该强度能够计算出反射功率与半导体放大器输出功率的反射功率比。

上述振荡器，半导体功率放大器，辐射器以及反射波监控器可以使用现有技术中已知的电子元件，如200980101214.5中所使用的元件。

存储器，用于存储不同的振荡频率的反射功率比，可以在刚开始加热时，使用较低的输出功率的强度，以特定的步长变化振荡频率，使用反射波监控器用于检测不同振荡频率下反射波的强度，通过反射波监控器检测的反射强度波计算出各个振荡频率的反射功率比，将其存储在存储器中。

在进行第一段高加热功率加热时，从存储器中选取反射功率比最低时对应的振荡频率，控制器将振荡器的振荡频率设置为该反射功率比最低时对应的振荡频率。

当控制器收到控制面板上位机发来的功率换档信号后，根据如下步骤计算变更后的振荡频率：(1）根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft；（2）从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2；其中第一反射功率比f1为小于期待反射功率比ft中数据中最大的反射功率比，第二反射功率比f2为大于期待反射功率比ft中最小的反射功率比；（3）根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2）；（3）进行线性插值，从而确定变更后的振荡频率Pt。上述步骤中，期待反射功率比ft由下式计算：ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率。

本发明的上述技术方案，同时使用对最接近期待反射功率比的第一和第二反射功率比进行插值，确定更接近期待反射功率比的振荡频率，从而不增加预扫描时间的情况下，使振荡频率调节为接近反射功率比的频率。

优选的，还可以在本发明的高频加热电力设备中设置隔离器，用于屏蔽反射到半导体功率放大器的微波，从而避免在使用反射功率比较高的振荡频率时，导致的对于半导体功率放大器的损伤。

在特定情况下，被加热体的加热功率需要下降很多时，可能出现在振荡频率的可选范围内最大的反射功率比仍然小于期待反射功率比。可以同时进行所述半导体功率放大器输出功率以及振荡器振荡频率的调节。可替换的，上述所述步骤3）中，如果在容许频率内所有的反射功率比都小于期待反射功率比ft，则在降低半导体功率放大器的输出功率后，得出新的期待反射功率比，根据该新的期待反射功率比确定变更后的振荡频率。

图2是本发明第一实施例的高频加热电力设备的控制流程示意图，其包括如下步骤：1）在加热前，所述控制器在容许频率内控制所述振荡器以特定步长进行变频扫描，通过反射波监控器检测的反射波计算出各个振荡频率的反射功率比，将其存储在存储器中；2）以当前振荡频率和当前功率加热特定时间；3）所述控制器接收到降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率W1；4）根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率；5）从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2；6）根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2），进行线性插值，从而确定变更后的振荡频率P。

作为本发明的另外一个方面，参见图1，由于反射功率比与频率并非完全线性的关系，尤其是最大反射功率点F3附近，如果完全使用线性插值确定变更后的振荡频率，可能会出现误差。因此，本发明的第二实施例对于控制器做了与第一实施例不同的限制。控制器在收到降低加热幅度的指令时，根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2，所述控制器控制所述振荡器在该第一反射功率比f1对应的振荡频率P1以及第二反射功率比f2对应的振荡频率P2之间进行振荡跳频辐射。振荡器以振荡频率P1和振荡频率P2交替进行跳频辐射，其中振荡频率P1单次辐射序列周期T1和振荡频率P2的单次辐射序列周期T2比值为(f2－ft)/(ft－f1)。例如，期待反射功率比为40％，第一反射功率比为2.43GHz处38%，第二反射功率比为2.44GHz处41％，则控制器控制振荡器在2.43GHz与2.44GHz的单次辐射序列周期比为1/2，即2.43GHz的振荡周期的时间占总时间比为1/3，在2.44GHz的振荡周期占总时间比时间为2/3，使综合的反射功率比为40％。

本发明的第二实施例的流程图参见图3，其包括如下步骤：1）在加热前，所述控制器在容许频率内控制所述振荡器以特定步长进行变频扫描，通过反射波监控器检测的反射波计算出各个振荡频率的反射功率比，将其存储在存储器中；2）以当前振荡频率和当前功率加热特定时间；3）所述控制器接收到降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率W1；4）根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率；5）从存储器中选择小于该期待反射功率比的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比的第二反射功率比f2；6）所述振荡器以振荡频率P1和振荡频率P2交替进行跳频辐射，其中振荡频率P1单次辐射序列周期T1和振荡频率P2的单次辐射序列周期T2比值为(f2－ft)/(ft－f1)。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种高频加热电力设备，包括：振荡器，其输出预定频带内的振荡频率的信号；所述振荡器的输出被半导体功率放大器放大后由辐射器向被加热物辐射加热用电磁波；反射波监控器，检测所述加热用电磁波的反射波；存储器，其通过预扫描存储在容许频率内间隔特定步长的振荡频率的反射功率比；控制器，其能够根据输入指令变更振荡频率；其特征在于：所述控制器在收到降低加热幅度的指令时，根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，从存储器中选择小于该期待反射功率比ft的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比ft的第二反射功率比f2，根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2）确定变更后的振荡频率Pt＝P1＋(ft－f1)×(P1－P2)/(f1-f2)。

2.根据权利要求1所述的高频加热电力设备，其特征在于：所述第一反射功率比f1为小于期待反射功率比ft中数据中最大的反射功率比，所述第二反射功率比f2为大于期待反射功率比ft中最小的反射功率比。

3.根据权利要求2所述的高频加热电力设备，其特征在于：所述期待反射功率比ft由下式计算：ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率。

4.根据权利要求3所述的高频加热电力设备，其特征在于：如果在容许频率内所有的反射功率比都小于期待反射功率比ft，则在降低半导体功率放大器的输出功率后，得出新的期待反射功率比，根据该新的期待反射功率比确定变更后的振荡频率。

5.一种根据权利要求4所述高频加热电力设备的电力控制方法，包括如下步骤：1）在加热前，所述控制器在容许频率内控制所述振荡器以特定步长进行变频扫描，通过反射波监控器检测的反射波计算出各个振荡频率的反射功率比，将其存储在存储器中；2）以当前振荡频率和当前功率加热特定时间；3）所述控制器接收到降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率W1；4）根据降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率计算出期待反射功率比ft，ft=1-W1×（1－f）/W，其中W为半导体功率放大器的当前输出功率，f为当前振荡频率的反射功率比，W1为降低加热幅度后的所需半导体功率放大器的输出功率；5）从存储器中选择小于该期待反射功率比ft的第一反射功率比f1，以及大于该期待反射功率比ft的第二反射功率比f2；6）根据该第一反射功率比f1以及对应的振荡频率P1（f1，P1）以及第二反射功率比f2以及对应的振荡频率P2（f2，P2），进行线性插值，从而确定变更后的振荡频率P。