CN115866826A - 一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法 - Google Patents

一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法 Download PDF

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付浩然
蔡晓葳
卢晓通
赵夏青
刘学锋
雷钰
冯雨
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Abstract

本发明涉射频领域，具体是一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法，包括：所述系统包括电源端，包括直流电源模块；加热端，与供给端连接，依次包括高频激励源、高频放大器、定向耦合取样器、阻抗匹配网络单元、解冻加热腔；控制端，与电源端及加热端连接，包括操作显示终端，及与操作显示终端连接且用于控制电源端及加热端的控制模块；所述高频放大器包括E类放大器；所述解冻加热腔包括两组呈平行设置的极板组成的平行板电容器。本发明采用E类放大器实现高效率直流射频功率转换；采用极板电容，实现加热腔体设计；设计阻抗匹配网络单元实现高频放大器和加热腔体的匹配。

Description

一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法
技术领域
本发明涉射频领域，具体是一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法。
背景技术
射频是一种能量，可以在特定的介质内被吸收转化为热能。
射频加热解冻技术，是基于介质的特性，将射频能量转化为热能的一种技术。
其转换效率、加热面积与穿透度，加热过程可控以及加热效果都是射频加热解冻技术中的研究内容。
射频加热技术就广泛应用于各个领域，包括工业中对原料的处理，比如，大规模的烘焙、干燥，农业杀虫杀菌，医学上微波消融治疗技术，针对肿瘤的治疗十分有效，以及化学反应中温变控制充分发挥催化剂的作用等。
射频解冻技术利用食品的介电加热特性，使食品在射频电场中加热升温，从而达到解冻目的。
射频解冻速率快、穿透深度大、加热均匀。
射频指频率范围在3kHz～300MHz 之间的电磁波，频谱范围较广，为了不对其它通讯设备造成干扰问题，规定了指定的频率应用于科学、医疗及工业领域，分别为13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz等。
肉类、鱼类等冻肉食材是由分子和离子构成的，当外部施加电场时，极性分子转动、离子运动是食物加热的主要机理。
两个极板之间的电场不断变化，会迫使极性分子旋转，离子向异性极板移动，这个过程中发生粒子碰撞、摩擦，从而生热使食物温度升高。
工业上通常使用13MHz，27MHz，40MHz，433MHz，915MHz，2450MHz的频段对食物进行加热，一般来说13MHz，27MHz，40MHz由于频率较低，穿透性好，加热更为均匀，更容易实现较大射频功率，13MHz，27MHz，40MHz的频段更适合于工业场景，实现大功率、高生产效率的加热解冻。
然现有的高频加热解冻系统，在对物品解冻时，应该充分考虑到用户对解冻时间的需求，解冻时间尽量快，然现有的高频加热解冻系统显然未达到该需求。
因此，提供一种用于提高高频加热解冻系统效率的方法，是目前需要解决的一个问题。
发明内容
发明目的：提供一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种提高高频加热解冻系统效率的系统，包括：
电源端，包括直流电源模块；
加热端，与供给端连接，依次包括高频激励源、高频放大器、定向耦合取样器、阻抗匹配网络单元、解冻加热腔；
控制端，与电源端及加热端连接，包括操作显示终端，及与操作显示终端连接且用于控制电源端及加热端的控制模块；
所述高频放大器包括E类放大器；
所述解冻加热腔包括两组呈平行设置的极板组成的平行板电容器。
本发明采用E类放大器实现高效率直流射频功率转换；
采用极板电容，实现加热腔体设计；
设计阻抗匹配网络单元实现高频放大器和加热腔体的匹配；
同时将加热腔体本身等效阻抗作为匹配网络的一部分，并根据取样情况，微调射频加热解冻系统的频率或者采用极板等效电容调节的方式实现匹配网络调整，动态调整实现系统效率最大化。
射频高频放大器是射频电源的核心，高频放大器必须满足一定的技术指标才能实现有效放大信号并有传输的功能。
其主要技术指标有：工作频率，输出功率，最大输出效率，转换效率和功率附加效率、增益、线性度等。
减小损耗的主要方法有：
一是改变高频放大器的工作模式，使用开关型高频放大器（D类、E类放大器）；
二是高频放大器的输出端使用匹配网络与负载阻抗相匹配，使功率输出尽可能最大化输送至负载。
高频放大器可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类等；
高频放大器的线性度和效率指标之间是矛盾的。
A类工作状态时，在一个周期内，管子完全导通，即导通角
Figure SMS_1
。
B类工作状态，在一个周期内，管子只导通半个周期，即导通角
Figure SMS_2
。
AB类工作状态时，在一个周期内，管子大部分时间都导通，即导通角
Figure SMS_3
。
C类工作状态时，导通时间小于周期的一半，即导通角
Figure SMS_4
。
E类状态，放大器工作在开关状态，其理论上的功率转换效率可以达到100%，此时的高频放大器只是一个能量转换器，将直流电源提供的能量转换为交流能量。
放大器效率与导通角之间的数据关系为：
Figure SMS_5
Figure SMS_6
表示是效率的符号；/>
Figure SMS_7
表示放大器的导通角；
为了优化射频加热解冻系统的效率，我们采用E类放大器实现高频功率放大。
类似的，也可以采用D类推挽高频放大器来实现高频功率放大。
这两类放大器的效率都很高。
在进一步实施例中，射频阻抗匹配网络（简称匹配网络）就是将高频放大器输出的射频功率最大化的传输到负载阻抗上。
所述阻抗匹配网络单元用于将高频放大器输出的射频功率最大化的传输到负载阻抗上，完成匹配网络实现高频放大器和解冻加热腔的匹配；
高频放大器与阻抗匹配网络之间设有放大器及匹配器电路；
放大器及匹配器电路包括与高频放大器并联的电容C，调谐于工作频率的串联电感
Figure SMS_8
、电容/>
Figure SMS_9
，谐振网络和阻抗匹配网络以及负载阻抗/>
Figure SMS_10
。
并联电容C由高频放大器内部的输出电容和附加于负载网络的外电路电容一起组成。
高频放大器在驱动信号作用下, 高频放大器处于开关状态, 漏极电压决定于断开时负载网络的瞬态响应。
串联谐振器LC调谐于基频
Figure SMS_11
；
具有并联电容的E类高频放大器理想化等效电路
Figure SMS_12
Figure SMS_13
其中
Figure SMS_14
为网络的有载品质因数。/>
Figure SMS_15
为系统工作角频率。
匹配网络可以使用L型、PI型、T型匹配网络。
一种提高高频加热解冻系统效率的方法，包括：
高频激励源经过高频放大器后实现高效率直流射频功率转换；
采集入射功率信号和反射功率信号；
判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
是，开始射频加热工作；
否，匹配网络调谐，并重新判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
完成加热解冻。
在进一步实施例中，开始射频加热前，将物料放置在解冻加热腔体内（放置在两极板之间）；高频放大器通过匹配电路以及上下极板形成谐振电路作用于待加工的物料，物料中极性分子发生极化运动以及水合离子的振荡迁移进而产生能量转化，将电能转化为内能，从而引起物料升温。
通过定向耦合器，获得正向功率和反向功率信号的矢量信号。
在进一步实施例中，由定向耦合器采集入射功率信号和反射功率信号，并计算正交分量I、Q。
Figure SMS_16
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其中
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为入射信号，/>
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为反射信号，/>
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为射频角频率，/>
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为入射信号相位，/>
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为反射信号相位；
通过矢量解调的方式，获得正向信号和反向信号的幅度
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和/>
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、相位/>
Figure SMS_31
和/>
Figure SMS_32
，同时也可以获得信号的正交分量I、Q；
基于IQ分量，通过校准后，我们可以控制匹配网络进行自动调谐控制。
在进一步实施例中，入射功率和反射功率的计算关系由相位差和驻波比参数完成计算；
通过合理设置驻波比的阈值
Figure SMS_33
，进行调谐控制；
当
Figure SMS_34
≥/>
Figure SMS_35
时，系统失谐，进入调谐控制状态；
当
Figure SMS_36
</>
Figure SMS_37
时，系统匹配，进入正常加热解冻状态；
VSWR值设置为2，VSWR表示电压驻波比。
在进一步实施例中，还包括设置一回滞区间，在预定范围内保证系统不会频繁反复在调谐控制和正常加热解冻装调之间跳变。
入射功率和反射功率的相位，可以通过标定进行实现调谐方向控制，从而正确控制调谐电机驱动电容变大或者变小；
上述调谐过程，都是通过采样电路和控制算法自动实现。
通过这种方式，可以实现高的直流射频转换效率，良好的射频输出匹配，且匹配回路简易。
有益效果：本发明公开了一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法，本发明采用E类放大器实现高效率直流射频功率转换；
采用极板电容，实现加热腔体设计；
设计阻抗匹配网络单元实现高频放大器和加热腔体的匹配；
同时将加热腔体本身等效阻抗作为匹配网络的一部分，并根据取样情况，微调射频加热解冻系统的频率或者采用极板等效电容调节的方式实现匹配网络调整，动态调整实现系统效率最大化。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的E类放大器电压和电流波形图。
图3是本发明的E 类工作的放大器及阻抗匹配网络单元的电路示意图。
图4是本发明的两种 L 型匹配网络原理图示意图。
图5是本发明使用 L 型匹配的匹配网络示意图。
图6是本发明阻抗匹配网络单元细节电路示意图。
图7是本发明加热解冻工作过程示意图。
具体实施方式
本申请涉及一种提高高频加热解冻系统效率的系统及方法，下面通过具体实施方式进行详细解释。
高频加热解冻系统的关键要求包括：
1）解冻时间，一般食材中心温度至-18℃以下，解冻后要求达到-4 ℃左右的温度的时间。射频解冻作为快速化冻的方法，应该充分考虑到用户对解冻时间的需求，解冻时间尽量快；
2）温度均匀度，解冻后的食材温度均匀度应尽量高；
3）食材适应度，解冻能适应各类常用食材，如猪肉、牛肉、海鲜、水果等；
4）自动退出解冻的准确度；
5）解冻一致性良好；
6）装置密封良好，风口进行电磁屏蔽处理，不得发生电磁泄露问题；
7）散热效果，解冻装置由于功率较大，应当充分考虑散热问题；
8）解冻腔体尺寸，合理的内腔尺寸可以极大的提高解冻效率，也能方便用户日常使用。
提高射频加热解冻效率的方法包括：
步骤1、采用E类放大器实现高效率直流射频功率转换；
步骤2、采用极板电容，实现加热腔体设计；
步骤3、采用匹配网络实现射频放大器和加热腔体的匹配；
步骤4、加热腔体本身等效阻抗作为匹配网络的一部分，并根据取样情况，微调射频加热系统的频率或者采用极板等效电容调节的方式实现匹配网络调整，动态调整实现系统效率最大化。
能够向负载提供足够信号功率的放大电路称之为高频放大器，简称功放。
如图1所示，一种提高高频加热解冻系统效率的系统，包括：
电源端，包括直流电源模块；通过可调电压的直流电源模块，实现对E类放大器的工作电压的调整，进而实现改变放大器的输出功率。不同输出功率等级下，都可以保证放大器工作于较高的工作效率。这个功率调整的过程可以满足不同加热解冻负载的要求，保证整个加热解冻过程的高效率。也可以保证在不同工艺参数情况下加热解冻的高效率；
加热端，与供给端连接，依次包括高频激励源、高频放大器、定向耦合取样器、阻抗匹配网络单元、解冻加热腔；
控制端，与电源端及加热端连接，包括操作显示终端，及与操作显示终端连接且用于控制电源端及加热端的控制模块；
所述高频放大器包括E类放大器；
所述解冻加热腔包括两组呈平行设置的极板组成的平行板电容器。
射频高频放大器是射频电源的核心，高频放大器必须满足一定的技术指标才能实现有效放大信号并有传输的功能；
其主要技术指标有：工作频率，输出功率，最大输出效率，转换效率和功率附加效率、增益、线性度等。
减小损耗的主要方法有：
一是改变高频放大器的工作模式，使用开关型高频放大器（D类、E类放大器）；
二是高频放大器的输出端使用匹配网络与负载阻抗相匹配，使功率输出尽可能最大化输送至负载。
高频放大器可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类等；
高频放大器的线性度和效率指标之间是矛盾的；
A类工作状态时，在一个周期内，管子完全导通，即导通角
Figure SMS_38
；
B类工作状态，在一个周期内，管子只导通半个周期，即导通角
Figure SMS_39
；
AB类工作状态时，在一个周期内，管子大部分时间都导通，即导通角
Figure SMS_40
；
C类工作状态时，导通时间小于周期的一半，即导通角
Figure SMS_41
；
E类状态，放大器工作在开关状态，其理论上的功率转换效率可以达到100%，此时的高频放大器只是一个能量转换器，将直流电源提供的能量转换为交流能量。
放大器效率与导通角之间的数据关系为：
Figure SMS_42
Figure SMS_43
表示是效率的符号；/>
Figure SMS_44
表示放大器的导通角；
为了优化射频加热解冻系统的效率，我们采用E类放大器实现高频功率放大。
类似的，也可以采用D类推挽高频放大器来实现高频功率放大，效率也是接近的。
这两类放大器的效率都很高。
如图2所示：电压和电流没有重叠，因此，有源器件的功耗为零，实现了最大漏极效率，理想情况下为100%。
典型的，可以使用Microsemi公司的DRF1201芯片作为高频加热解冻系统的高频放大器芯片。
射频阻抗匹配网络（简称匹配网络）就是将高频放大器输出的射频功率最大化的传输到负载阻抗上。
所述阻抗匹配网络单元用于将高频放大器输出的射频功率最大化的传输到负载阻抗上，完成匹配网络实现高频放大器和解冻加热腔的匹配；
如图3所示：
高频放大器与阻抗匹配网络之间设有放大器及匹配器电路；
放大器及匹配器电路包括与高频放大器并联的电容C，调谐于工作频率的串联电感
Figure SMS_45
、电容/>
Figure SMS_46
，谐振网络和阻抗匹配网络以及负载阻抗/>
Figure SMS_47
。
并联电容C 由高频放大器内部的输出电容和附加于负载网络的外电路电容一起组成。
高频放大器在驱动信号作用下, 高频放大器处于开关状态, 漏极电压决定于断开时负载网络的瞬态响应。
串联谐振器LC调谐于基频
Figure SMS_48
；
具有并联电容的E类高频放大器理想化等效电路
Figure SMS_49
Figure SMS_50
其中
Figure SMS_51
为网络的有载品质因数，/>
Figure SMS_52
为系统工作角频率。
匹配网络可以使用L型、PI型、T型匹配网络；
以L型匹配网络为例，如图4、5所示；
射频加热解冻系统的加热腔体可以理解为由平行极板组成的平行板电容器，将物料放置在两极板之间，高频放大器通过匹配电路以及上下极板形成谐振电路作用于待加工的物料，物料中极性分子发生极化运动以及水合离子的振荡迁移进而产生能量转化，将电能转化为内能，从而引起物料升温；
如图6所示，这里的匹配电容
Figure SMS_53
实际既是外部的匹配电容，也是负载腔体平行板电容器的等效电容，是两者的并联；
Figure SMS_54
其中外为外部匹配电容，
Figure SMS_55
为负载等效电容；
通过这种设计，将加热解冻的极板和匹配电路的电容融合成为一体。
随着物料温度的升高，物料的介电常数会发生改变，从而改变谐振电路的谐振频率，会对射频加热系统的输出功能造成影响。我们可以通过调整腔体平行板间距的方式（比如电机驱动调整平行板间距，或者调整二者之间的平行板等效面积的方式）来实现良好匹配。
电容计算公式：
Figure SMS_56
其中
Figure SMS_57
是极板间有效介电常数；
S是两极板相对应的面积；
d是两平行极板间的距离；
通过改变上下电极间的距离或面积，可以改变极板间的电容值。通过在上下极板间放置不同的食物，改变极板间等效介电常数，可改变极板间的电容值。
整个系统采用定向耦合器来实现输出放大器功率的监测。通过定向耦合器，获得正向功率和反向功率信号的矢量信号。
Figure SMS_58
=/>
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其中
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为入射信号，/>
Figure SMS_67
为反射信号，/>
Figure SMS_68
为射频角频率，/>
Figure SMS_69
为入射信号相位，/>
Figure SMS_70
为反射信号相位；
通过矢量解调的方式，获得正向信号和反向信号的幅度
Figure SMS_71
和/>
Figure SMS_72
、相位/>
Figure SMS_73
和/>
Figure SMS_74
，同时也可以获得信号的正交分量I、Q；
基于IQ分量，通过校准后，我们可以控制匹配网络进行自动调谐控制。
入射功率和反射功率的计算关系由相位差和驻波比参数完成计算；
通过合理设置驻波比的阈值
Figure SMS_75
，进行调谐控制；
当
Figure SMS_76
≥/>
Figure SMS_77
时，系统失谐，进入调谐控制状态；
当
Figure SMS_78
</>
Figure SMS_79
时，系统匹配，进入正常加热解冻状态；
VSWR值设置为2，VSWR表示电压驻波比。
还包括设置一回滞区间，在预定范围内保证系统不会频繁反复在调谐控制和正常加热解冻装调之间跳变。
入射功率和反射功率的相位，可以通过标定进行实现调谐方向控制，从而正确控制调谐电机驱动电容变大或者变小；
上述调谐过程，都是通过采样电路和控制算法自动实现。
通过这种方式，可以实现高的直流射频转换效率，良好的射频输出匹配，且匹配回路简易。
工作原理说明：
如图7所示，高频激励源经过高频放大器后实现高效率直流射频功率转换；
采集入射功率信号和反射功率信号；
判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
是，开始射频加热工作；
否，匹配网络调谐，并重新判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
完成加热解冻。
开始射频加热前，将物料放置在解冻加热腔体内（放置在两极板之间）；高频放大器通过匹配电路以及上下极板形成谐振电路作用于待加工的物料，物料中极性分子发生极化运动以及水合离子的振荡迁移进而产生能量转化，将电能转化为内能，从而引起物料升温。
通过定向耦合器，获得正向功率和反向功率信号的矢量信号。
由定向耦合器采集入射功率信号和反射功率信号，并计算正交分量I、Q，基于IQ分量，通过校准后，我们可以控制匹配网络进行自动调谐控制。
入射功率和反射功率的计算关系由相位差和驻波比参数完成计算；
通过合理设置驻波比的阈值
Figure SMS_80
，进行调谐控制；
当
Figure SMS_81
≥/>
Figure SMS_82
时，系统失谐，进入调谐控制状态；
当
Figure SMS_83
</>
Figure SMS_84
时，系统匹配，进入正常加热解冻状态；
VSWR值设置为2，VSWR表示电压驻波比。
同时设置一回滞区间，在预定范围内保证系统不会频繁反复在调谐控制和正常加热解冻装调之间跳变。
入射功率和反射功率的相位，可以通过标定进行实现调谐方向控制，从而正确控制调谐电机驱动电容变大或者变小；
上述调谐过程，都是通过采样电路和控制算法自动实现。
通过这种方式，可以实现高的直流射频转换效率，良好的射频输出匹配，且匹配回路简易。
以上结合附图详细描述了本发明的优选具体实施方式，但是，本发明并不限于上述具体实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高高频加热解冻系统效率的系统，其特征是，包括：
电源端，包括直流电源模块；
加热端，与供给端连接，依次包括高频激励源、高频放大器、定向耦合取样器、阻抗匹配网络单元、解冻加热腔；
控制端，与电源端及加热端连接，包括操作显示终端，及与操作显示终端连接且用于控制电源端及加热端的控制模块；
所述高频放大器包括E类放大器；
所述解冻加热腔包括两组呈平行设置的极板组成的平行板电容器。
2.根据权利要求1所述的一种提高高频加热解冻系统效率的系统，其特征是：所述阻抗匹配网络单元用于将高频放大器输出的射频功率传输到负载阻抗上，完成匹配网络实现高频放大器和解冻加热腔的匹配。
3.根据权利要求2所述的一种提高高频加热解冻系统效率的系统，其特征是：高频放大器与阻抗匹配网络之间设有放大器及匹配器电路；
放大器及匹配器电路包括与高频放大器并联的电容C，调谐于工作频率的串联电感
Figure QLYQS_1
、电容/>
Figure QLYQS_2
，谐振网络和阻抗匹配网络以及负载阻抗/>
Figure QLYQS_3
。
4.一种提高高频加热解冻系统效率的方法，其特征是，包括：
高频激励源经过高频放大器后实现高效率直流射频功率转换；
采集入射功率信号和反射功率信号；
判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
是，开始射频加热工作；
否，匹配网络调谐，并重新判断信号的幅度和相位，是否满足匹配条件；
完成加热解冻。
5.根据权利要求4述的一种提高高频加热解冻系统效率的方法，其特征是：开始射频加热前，将物料放置在解冻加热腔体内。
6.根据权利要求4述的一种提高高频加热解冻系统效率的方法，其特征是：由定向耦合器采集入射功率信号和反射功率信号，并计算正交分量I、Q，基于正交分量I、Q，通过校准后，控制匹配网络进行自动调谐控制。
7.根据权利要求4述的一种提高高频加热解冻系统效率的方法，其特征是：入射功率和反射功率的计算关系由相位差和驻波比参数完成计算；
通过合理设置驻波比的阈值
Figure QLYQS_4
，进行调谐控制；
当
Figure QLYQS_5
≥/>
Figure QLYQS_6
时，系统失谐，进入调谐控制状态；
当
Figure QLYQS_7
</>
Figure QLYQS_8
时，系统匹配，进入正常加热解冻状态；
VSWR值设置为2。
8.根据权利要求7述的一种提高高频加热解冻系统效率的方法，其特征是：还包括设置一回滞区间，在预定范围内保证系统不会频繁反复在调谐控制和正常加热解冻装调之间跳变。
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