CN1389084A - 高频加热装置 - Google Patents

Abstract

一种高频加热装置能保证有一个不变的断路电流和使输入电流最大,因而能有效率地产生最大的高频输出。在此高频加热装置中,电源(1)与带有过流继电器(4a)的电源线相连,同时电源变换器(2)将电源(1)的功率变换成高频功率并供给磁控管(15)。控制电路(20)将信号输至变换器控制器(10)以控制输入电流,使得高频加热装置的输入电流特性接近于过流继电器(4a)随时间的电流断路特性。

Description

高频加热装置

技术领域

本发明涉及一种高频加热装置，它用一个产生高频功率的半导体功率变换器作为电源装置。

背景技术

传统的高频加热装置的电路图在图7和图9中示出，而其相应的电流控制模式如图8和图10所示。

也就是说，大体上有两类输入电流控制模式：第一种方式是通过图7的配置来实现的，此时电流是按图8(a)和8(b)所示的控制特性，根据初级电流来控制的(见日本专利申请公开号平11No.283737)；第二种模式是通过图9的配置来实现的，此时电流是按图10所示的控制特性，根据次级电流(磁控管电流)来控制的。下面将依次对它们作出说明。

图7示出了一个采用普通半导体功率变换器的高频加热装置的电路结构。

在此电路结构中电源装置是这样构成的，从民用电源4(在电源线上配备有一个过流电路断路器4a)来的输入经整流器5整流，而输出经线圈6和电容7的组合被平滑滤波。功率变换器2包括一个变频电路和一个高压整流电路，变频电路由半导体器件9，二极管8，以及用于从电源装置1来的电源的升压变压器11和电容12组成，高压整流电路由升压变压器11，电容14和二极管13组成。由整流电路通过高压整流所得到的电压利用电磁控管15变换成高频，从而对将要加热的食品输出和发射微波。该电路还包括一个变换器控制器10，用来对半导体9进行开断控制。

在上述结构中，为实现输入电流控制，要将由输入电流检测器16得到的电压输出和变换器控制器10的输入与从总体上控制高频加热装置控制电路20得到的电流控制信号输出相比较，以确定给高频加热装置的输入电流。变换器控制器10还对半导体器件9起到保护作用，当发生异常时，它将使工作停止或采取适当措施稳定半导体器件9的工作。

作为输入电流控制电路系统的控制电路20，它通常连到一个电压(在次级上的)并与初级绝缘，而将通过一个光电耦合器21输出一个信号。

现在来对普通高频加热装置的输入电流控制系统加以说明。

在根据传统的初级输入电流控制的高频加热装置中，是将来自控制电路20的输出信号与来自输入电流检测器16的输出相比较，因而输入电流将相对于如图8(a)所示的所用加热时间保持不变，或者为了仅在开始加热的初期阶段Tmax(约1分30秒至3分钟)将功率设定为最大值并且之后降至一个较低的值，如图8(b)所示，用于执行此操作的“短时间高功率”控制信号会被输出。

作为按次级电流控制的高频加热装置，则采用图9的电路结构，该电路结构包含一个磁控管激励电路结构，它等效于图7的高频加热装置。因此，我们不加说明就用相似的标号来表示相似的元件。

图9电路结构与图7电路结构的区别在于，输入电流检测器16A的检测位置从初级移到了次级(磁控管电流边)，从而进行按次级电流的控制。这种次级电流控制将把磁控管电流稳定为常数，因而把输入电流控制成代表工作特性，如图10中8A所示。

但是，如果采用图8(a)所示的传统输入电流控制，就可能出现这样的情况，即使在温度升高时，输入电流也不降低，因为输入电流被控制为常数，这就迫使高频加热装置在高温下工作。在图8(b)所示的短时间高功率结构的中，高功率只持续1分30秒至3分钟。因此，这种结构对轻负载(例如加热已煮好的饭等)进行短时间加热是很有效的，因为加热时间短。但当加热冷冻食品等时需要大约4至8分钟的加热时间，因而与之相反，烹调将花费较长的时间，因为当短时间高功率运行转成正常运行后加热功率降低了。这是这种结构的缺点。所以，这种结构不能充分利用高频加热装置的输入功率，从而产生了高频输出不能有效地被最大限度利用的问题。

市面上大多数高频加热装置的磁控管激励电路利用民用交流电源变压器，其特性如图6(a)所示，其中输入电流从加热开始随着时间的推移而下降。这个特性与普通家用电流断路器的电流截止特性很相似，即具有一个相对于截止电流而言是可靠的不变的容限。

但是，传统的初级电流控制系统(这里是指所谓的利用一个半导体器件的开关系统)，适合于具有图8(a)和8(b)所示的特性，即相对于电流断路器的截止电流具有不固定的容限。因此，电流断路器就有在其它电器启动时动作的可能性。

另外，由于开关系统在输入电流控制特性或高频输出与所用加热时间特性上与民用交流电源变压器是不同的，因而两种系统在按自动烹调方式运行的烹调时间方面没有关联。所以，如果想把系统从民用电源变压器系统的高频加热装置改变为开关系统的高频加热装置，就应该重新考虑烹调的方法。这使得系统的改变很困难。

其次，我们来谈谈采用基于次级电流(磁控管电流)的电流控制方案问题。在这种情况下，通过磁控管的电流被控制为常数，这意味着磁控管的功率消耗应控制为常数，因为存在下面的关系：

(磁控管电流)×(磁控管电压)＝(磁控管功率消耗)。

如果假定高频加热装置的电源电压降低10％，则输入电流增加10％，因为装置是被控制得使功率消耗保持不变，即如图10中8B所示的电流控制操作。

尽管高频加热装置中冷却风扇的冷却能力会因电压下降而降低，由于功率消耗保持不变，仍然会导致高频加热装置的元件升温。

电压下降所引起的输入电流增加意味着趋近于电流断路器的截止电流，最坏的情况可能导致电流断路器关断，如果其它装置由连接到同一断路器的输出端供电，这些装置将受到影响。

本发明是为解决上述问题而提出的，因此本发明的一个目的是提供一种高频加热装置，它能在保证相对于过流电路断路器截止电流有一个均匀容限的同时，采用最大的输入电流，从而使高频波的输出最大且最有效。

发明内容

本发明是为解决上面传统的构造存在的问题而提出的，它的构造如下：

根据本发明，一个高频加热装置包括：一个电源装置，它通过一个设置在进线边的过电流电路断路器与电源线相连，从电源线获取交流功率，并将交流电变换为直流功率；一个输入电流检测器；一个功率变换装置，它至少包含一个半导体器件，以将由电源装置提供的功率变换为高频波；一个器件控制器，用来控制半导体器件；一个电磁波辐射装置，用来利用功率变换部件提供的功率将电磁波辐射出去；以及一个在器件控制器中将输入电流检测器的输出进行负反馈控制的电路。该高频加热装置还包括一个用于控制输入电流的输入电流控制器，使得高频加热装置的输入电流特性接近于过流电路断路器相对于所经时间的电流截止特性。

在本发明中，高频加热装置最好在磁控管激励电路中采用民用交流电源高压变压器，而且输入电流控制器应这样来控制输入电流，使它随着加热时间的推移接近于下降的电流特性，而随着待用时间的推移接近于上升的电流特性。

在本发明中，最好是在实行输入电流控制时要考虑重新起动的情况。

本发明的高频加热装置最好配备一些电气设备，如转盘电机，电风扇等，以实现其正常运行，同时输入电流检测器将用来检测包括附带电气设备在内的输入电流，并根据检测到的电流来控制整个高频加热装置。

本发明的高频加热装置通过上面的结构来实现以下的功能。

由于高频加热装置输入电流的特性与过流电路断路器例如家用过流电路断路器的特性相似匹配，可以保证有一个不变的截止电流，并能最大限度地利用高频加热装置的输入电流，这种结构能使高频波的输出最大和有效。

另外，在采用磁控管激励电路和民用交流电源变压器的高频加热装置中，由于输入电流能控制为相对于加热时间接近于下降电流特性而相对于待用时间接近上升电流特性，因此当在高频加热装置的设计中自动烹调选项操作需要从民用交流电源变压器系统转换为开关系统时，这种转换可以简化并能有效地进行，因为采用了近似的特性。

还有，通过比较此电流控制与初级电流参量，功率消耗和冷却风扇的冷却容量与电源电压是彼此相关的，因此这一方案在高频加热装置中也提供了一种理想的冷却系统。

此外，当高频加热装置配备有支撑它的正常功能的电气设备如转盘电机，电风扇等时，可以从总体上检测出高频加热装置的输入电流，因此能够提供具有高精度的高频加热装置。

附图简述

图1是根据本发明的实施例的高频加热装置的电路示意图；

图2是包含功能器件的高频加热装置的电路示意图；

图3是电流检测器输出波形的示意图，说明各输入电流之间的比较；

图4是以类似方式表示的控制器输出波形示意图；

图5是本发明中的一种电流断路器截止电流下降特性和输入电流控制特性曲线图；

图6(a)是一种民用交流电源变压器系统的I-T特性曲线图，图6(b)是民用电源变压器用于磁控管激励电路时的输入电流控制方式曲线图；

图7是普通高频加热装置的电路示意图；

图8(a)示出一种普通输入电流系统的例子，图8(b)示出另一种普通输入电流系统的例子；

图9是一种按次级进行普通电流控制的高频加热装置的电路图；

图10是当在次级进行电流控制时的输入电流特性曲线图。

实施本发明的最佳方式

下面将参考各附图来描述本发明的具体实施装置。

图1和2示出按本发明实施例的高频加热装置。图1中，与图7所示的高频加热装置(作为一个磁控管激励电路的例子)中相同的元件都用相同的引用号标注。图3和4是说明输入电流比较方案的示意图，图3是与输入电流检测器16有关的波形图，图4是与控制电路20有关的波形图。

如图1所示，本实施例的高频加热装置包括：一个与民用电源4相连的电源装置1，在其进线边设置一个过电流电路断路器4a，过电流电路断路器从电源4得到民用频率交流功率，并通过整流器5将交流功率变换成直流功率；一个输入电流检测器16；一个功率变换装置2，它至少有一个半导体器件9和一个二极管8，用来将电源装置1的功率变换成高频波；一个变换器控制器10，用来控制半导体器件9；一个磁控管15，它利用功率变换装置2的功率将电磁波辐射出去；一个对输入电流检测器16的输出实行负反馈控制的电路，它处在变换器控制电路之中。此高频加热装置还包括一个控制电路20，内带一台微型计算机，用来输出信号至变换器控制器从而控制输入电流，这样使得高频加热装置的输入电流特性将接近于由经历的时间所决定的过流电流断路器4a的电流截止特性。

下面将进行详细的说明。首先，将从输入电流检测器16得到的如图3所示的波形1输入至变换器控制器10，此波形与高频加热装置输入电流波形的输出波形相似。这里图3的波形1具有周期Tn，在此期间无电流流动。由于磁控管的工作电压约为4kV，在低电位周期内的电源电压不可能通过升压变压器11升至磁控管的工作电压，这样就产生了无电流流过的周期，即周期Tn。

图3的波形1是通过整流部分23从交流波形整流成直流波形，结果得到如图3所示的波形2。输入电流检测器16的电压输出由图1中的电阻22调节。图3中的波形2通过电阻24和电容25的积分成波动较小的直流电压波形，即波形3。

其次，控制电路20将产生一个具有波形4的输出信号用作脉宽调制(PWM)信号，它有一个高(H)值和一个低(L)值，如图4所示。此波形通过一个电流调节电阻26调整成一个适当的二极管电流，供光电耦合器21的二极管之用。光电耦合器21的光电晶体管通过电阻27从它的发射体输出一个输出电压，其波形如图4中所示的通过电阻27的波形5。

该波形5经过电阻28和电容29积分，因而具有图4中的波形5的矩形波变成具有波形6的直流电压，供控制器10之用。控制器10将此波形6与图3的波形3相比较，波形3即输入电流检测器16的整流波形，因而高频加热装置的输出电流被确定。

在这个实施装置中，当从控制器20输出的图4的波形4中低周期部分变得较短，则经过平滑滤波后的波形的直流电压变得较高。作为比较的结果，这将把输入电流检测器16的输出电压设置得高些，换句话说，输入电流可以增加。反之，当低周期部分设置成较长时，就将把输入电流检测器16的输出电压设置得低些，或者输入电流可以减小。

因此，可以利用磁控管15的激励电路(功率变换部件2)借助控制电路20以不同的方式控制输入电流。利用这种按不同方式的可控性是本发明的一个特点。另外，本发明还注意到家用过流电路断路器的截止特性，例如它能对连接到高频加热装置的电源线进行调整(或者，其它一些过流电路断路器的截止特性，比如说，调整与商店用或工厂用高频加热装置相连的电源线的过流电路断路器等)。

首先，图5中特征线1代表一个典型的家用过流电路断路器(以下就称作断路器)随经过时间的截止电流特性(以下称为I-T特性)。

可以把这个I-T特性相对于所经历的时间分成几个周期A，B和C。首先，周期A代表断路器的快截止特性并且对应于从加热开始经过大约10至20秒的时间。应该明白，在这个周期内断路器不容易截止。

其次，在周期B内，截止电流逐渐下降，这个周期对应于经过大约10至30秒的时间。

最后，在周期C内，断路器的截止电流被稳定下来。

当高频加热装置的输入电流被控制成使得控制电路20的输出信号具有图5中特征线2的特性时，首先输入电流按I-T特性被控制成在对应于周期A的周期D内逐渐下降。然后在对应于周期B的周期E内，电流以比在周期D内更缓慢的方式下降。最后，在与周期C对应的周期F内，输入电流被控制成为常数。按照这种方式，由图5中特征线2所代表的输入电流，相对于特征线1所代表的断路器电流截止特性而言，可以有一个不变的容限。因而可以避免断路器很快地被截止。

在特征线2中，流过高频加热装置的输入电流在加热开始点G后，可以在不超过断路器电流最大值的范围内设定为最大值。这个特点使得高频加热装置能利用在高频加热装置中的高频输出的最大功率。

当从整体上来看断路器的I-T特性时，输入电流是随时间的推移而降低。就是说，高频加热装置可以工作，以便磁控管15会通过在加热开始后马上提供最大的输入电流而获得最大的功率。在这之后，逐渐减小输入电流，对于抑制由于连续运转而产生的温度饱和度的增加也是有效的。

高频加热装置有一个民用电源升压变压器，用于磁控管15的激励电路中。输入电流控制器10和控制电路(输入电流控制器)20可以这样运行，使得输入电流接近随加热时间下降的电流特性，以及随着待用时间增加的电流特性。对这种运行的控制将在下面参考图6(a)和(b)来说明。

在说明之前，我们来谈谈民用交流电源变压器系统中输入电流和磁控管工作电压的关系，随着磁控管工作电压的降低，输入电流也下降。换句话说，当加热过程开始输出高频波而使磁控管的温度上升时，输入电流将减小。在实际运作中，由于磁控管的容量很大，以致于温度不会立刻上升。因此，存在一个周期(α)，在此期间输入电流还不会减小。图6(a)表示包含这种效应的电流下降特性。

考虑到由于高频加热装置待用时间引起的变化而采用图6(a)所示的特性，也反映出本发明的特征，这将在下面结合图6(b)来说明。

首先，假定当高频加热装置的磁控管是在室温下起动时，即在H点开始加热，至I点加热结束。直至I点，运行是遵循图6(a)所示的电流下降特性的。如果高频加热装置从I点起停用，则磁控管的温度由于自然冷却而逐渐下降，因此，随着所经过的时间从I至J变得更长，在重新起动点的输入电流将增加。

现在，当装置从点K1重新起动时，输入电流将从一个高于点I处的值逐渐减小。当该装置经过较长时间的停止，然后从K2或K3重新起动时，则输入电流将从一个更高的水平开始。若装置停止不用的时间更长，磁控管完全冷却下来，则初始输入电流将从H点的电流水平开始。

在该实施例，图5、图6(a)或6(b)所示的输入电流控制可以用控制电路20中的微型计算机来模拟，使得装置能严格按照这个特性来运行。

接下来参看图2，我们来描述完全根据输入电流来控制高频加热装置的实施方案。如图所示，该高频加热装置配有一些支持它正常运转的电装置，如转盘电机32，风扇电机33等，而输入电流检测器16用来检测包括附属电气装置在内的输入电流。输入电流检测器16根据所检测到的电流来控制整个高频加热装置。

如图2所示，高频加热装置作为一种产品提供，它包括一个炉内灯31以便清楚地观察壳体内的情况，转盘电机32旋转要加热的物品以均匀加热物品，一个冷却加热装置的风扇电机，及其它一些元件。在这个实施装置中，输入电流检测器16被安置在从民用电源4到高频加热激励电路30的电源线上。也就是说，检测器是安装在这样一个位置，以便能检测通过支持高频加热装置正常运行的部分例如炉灯31，转盘电机32，风扇电机33等的电流，从而监控整个机器的输入电流。

正如前面所介绍的，本发明可以获得以下各种效果：

(1)通过实现诸如近似家用断路器特性那样的电流控制，可保证有一个对于断路器不变的电流容限，从而使电源得以稳定。

(2)通过实现近似于以民用交流电源系统为基础的电流控制，可以简单地从一种高频加热装置的自动菜单操作变换成另一种操作方法。这使得装置的开发和设计更为有效。

(3)考虑到输入电流的下降特性，由于高频输出在运行的开始阶段为最大，所以要烹调的食品可以在使高频加热装置运行在最高效率的情况下被加热。另外，由于电流随着时间的经过，各部件的温度可以降低。

(4)由于采用初级输入电流控制，即使电源电压有所波动，仍能保证对于电流断路器和温度指标有一个适当的容限。因而这种结构容易设计。

(5)通过控制整个机器的输入电流，可以实现更高精度的电流控制。

(6)由于是根据磁控管的温度来估计电流，在重新起动时的输入电流减小，以便改善高频加热装置在温度方面的可靠性。工业应用性

如上所述，根据本发明的高频加热装置应用于微波炉是很有效的，此微波炉与一个包含过流电路断路器(断路器)相连并由交流电源供电。本发明适于应用在一种加热烹调器，它能在保持过流电路断路器不会很快截断的同时输出最多的高频波。

Claims (4)

1.一种高频加热装置，包括：

一个电源装置，它连接到一条带有设置在进线边的过流电路断路器的电源线，并由来自电源线的交流电供电，并将交流电变换为直流电后供电；

一个输入电流检测器；

一个功率变换装置，它至少有一个用来将来自电源装置的功率变换成高频波的半导体器件；

一个用来控制半导体器件的器件控制器；

一个利用来自功率变换装置的功率来辐射电磁波的电磁波辐射装置；以及

一个在器件控制器中对输入电流检测器的输出进行负反馈控制的电路，

该高频加热装置还包含一个输入电流控制器，用来控制输入电流，使得高频加热装置的输入电流特性接近于过流电路断路器随所经过时间的电流截止特性。

2.如权利要求1所述的高频加热装置，其中高频加热装置的磁控管激励电路中采用了一个民用交流电源高压变压器，输入电流控制器控制输入电流，使它接近于随着磁控管激励电路加热时间而下降的电流特性，及随着待用时间而增加的电流特性。

3.如权利要求2所述的高频加热装置，其中在对输入电流进行控制时要考虑到重新起动的情况。

4.如权利要求1-3任何一项所述的高频加热装置，其中高频加热装置配备了一些支持其正常工作的电装置，如转盘电机，电风扇等，同时输入电流检测器检测包括各附属电装置在内的输入电流，并根据测得的电流器控制整个高频加热装置。

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