CN209390403U - 一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，包括微波电源和微波发生器；微波电源包括灯丝电源、磁场电源、高压电源和控制系统；微波发生器，包含磁控管、磁场线圈、激励腔和波导接口；控制系统中有采样器、A/D转换器、处理器和控制器；以灯丝电源的工作频率为参考，单个频率周期内进行多点采样，并根据采样值进行平均值或有效值计算，其输出结果作为单个闭环控制调节周期的反馈信号，实现微波源或微波电源的闭环控制，使得微波源输出的微波功率或微波电源输出的电流可以稳定运行，从而提升微波加热系统的可靠性，提升加工产品的合格率，进一步使得磁控管寿命发挥极致，从而降低生产成本，让微波加工产品更具市场竞争力。

Description

一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统

技术领域

本实用新型涉及工业微波设备所用的微波源领域，具体涉及一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统。

背景技术

与传统加热方式相比，微波加热具有如下特点：加热均匀、加热速度快、选择性加热、控制及时、反应灵敏、强场高温、加热穿透能力强、清洁卫生、无污染等。随着其相关技术的日益成熟和快速发展，微波设备的使用越来越广泛，目前主要应用有：微波食品灭菌、干燥设备，微波化工干燥设备，微波木材干燥设备，微波药材干燥设备，微波橡胶硫化设备，微波解冻设备，微波陶瓷烧结、合成、干燥设备，微波等离子装置，微波真空干燥设备，微波加热、染色设备，微波连续提取装置，微波谷物干燥设备，微波污水处理装置，微波高温炉，微波沥青路面养护车，微波医疗垃圾处理装置等。

微波源是微波加热中的核心设备，其作用是产生加热所需的微波，主要由微波电源及微波发生器组成。而微波电源又包括灯丝电源、磁场电源和高压电源三种电源，以及控制系统，其目的是为微波发生器提供相应的电源，便于微波发生器产生微波输出。

传统的高压电源为十二脉波工频变压器电源，存在输出纹波大、出现故障后响应慢及打火能量大等缺点，严重影响磁控管使用寿命，以及微波源的系统可靠性，为此，新一代的高压电源采用半导体开关技术，具有输出波形平滑、稳定度高、出现故障后响应快，且打火能量低等特点，有效让磁控管的寿命发挥至最优参数，且电源可靠性高，大大降低微波加热系统运行成本。

目前，为提升微波电源性价比及其可靠性，灯丝电源一般采用原边晶闸管调压装置与工频高压隔离变压器组合方式为磁控管提供灯丝电源，其灯丝电流大小的控制由原边晶闸管调压装置改变输出电压的移相角来实现。因此，其输出电压斩波的位置会有陡峭的上升沿，因工业磁控管的灯丝与阴极集成为一体，灯丝的电压与阴极电压将会叠加，在阴极电压上形成电压跳跃，而该跳跃会造成阳极电流输出波动，从而使得微波输出变得不稳定，进而造成输出反馈信号有波动，影响系统调节，造成微波输出反反复复的震荡，使得微波输出变得不稳定，影响后续加工产品的质量，甚至影响磁控管使用寿命，而磁控管本身就是高成本的消耗品，其寿命降低将进一步增加生产成本，降低了微波加热技术的优势，影响其快速发展及应用。

综上所述，目前亟需要一种技术方案，解决现有微波电源中，因灯丝电源调节而造成微波输出不稳定的现象。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，包括微波电源和微波发生器。

所述微波电源包括灯丝电源、磁场电源、高压电源和控制系统。

所述微波发生器，包含磁控管、磁场线圈、激励腔和波导接口；所述微波发生器用于将所述微波电源提供的电能转换为微波，并将所述微波传输至波导接口。

所述控制系统，包括采样器、A/D转换器、处理器和控制器；所述采样器、所述A/D转换器、所述处理器和所述控制器依次连接。

所述采样器，用于对所述高压电源的输出电流和/或所述微波发生器的输出微波进行多点取样，并传输至所述A/D转换器。

所述A/D转换器，用于将获取的所述输出电流和/或所述输出微波的多个样本值转化为数字信号后，传输至所述处理器。

所述处理器，用于对所述输出电流和/或所述输出微波的多个数字信号进行运算，计算出所述输出电流和/或所述输出微波的多个数字信号的有效值或平均值，并将所述有效值或平均值传输至所述控制器。

所述控制器，用于将所述有效值或平均值作为反馈信号，与所述高压电源给定的高压电流信号或所述微波发生器给定的微波功率信号进行闭环控制，使得所述高压电源的输出电流输出稳定，微波源的功率的输出稳定。

优选的，所述控制器的调节方式为PID调节方式或者PI调节方式。

优选的，所述微波源系统的调节周期与灯丝电源频率周期相同或成整数倍数关系。

优选的，所述采样器的采样频率为所述灯丝电源频率周期的N倍，N为整数，且N大于1。

优选的，还包括环形器，所述环形器设置于所述激励腔的输出端。

优选的，还包括水负载，所述水负载连接于所述环形器的反射输出端，用于消耗负载侧反射回的微波。

优选的，还包括打火检测传感器，若所述微波发生器一侧发生打火现象，所述打火检测传感器将打火信号反馈至所述控制器；所述控制器控制所述灯丝电源、所述磁场电源和所述高压电源切断打火能量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1.一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，以灯丝电源的工作频率为参考，单个频率周期内进行多点采样，并根据采样值进行平均值或有效值计算，其输出结果作为单个闭环控制调节周期的反馈信号，实现微波源或微波电源的闭环控制，使得微波源输出的微波功率或微波电源输出的电流可以稳定运行，从而提升微波加热系统的可靠性，提升加工产品的合格率，提升生产效率，进一步使得磁控管寿命发挥极致，从而降低生产成本，让微波加工产品更具市场竞争力。

2.控制器的调节方式为PID调节方式或者PI调节方式，以达到尽可能保证输出稳定，以及尽可能的减小控制与输出的误差。

3.微波源系统的调节周期与灯丝电源频率周期相同。在每一个灯丝电源频率周期内进行一轮闭环调节控制，可以使得系统调节更为稳定，且响应速度也足够快。

4.用于提升微波输出稳定性的微波源系统还包括水负载，水负载连接于所述环形器的反射输出端，用于消耗负载侧反射回的微波，以避免发射出去的微波反射至激励腔之内，从而损坏磁控管。

5.利用打火检测传感器，将打火信号反馈至控制器；控制器控制灯丝电源、磁场电源和高压电源切断打火能量。避免浪费电能，防止打火情况加重而损坏微波发生器的部件。

附图说明

图1为一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统连接框图。

图2为控制系统的模块图。

图3为微波功率的波形或微波电源输出的高压电流的波形，以及其波形进行多点采样后通过有效值或平均值计算之后的波形等效图。

图4灯丝电源、磁场电源和高压电源之间输出电流的关系图。

图5为一种提升微波输出稳定性方法的流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

灯丝电源为原边晶闸管调压和高压隔离变压器降压的组合方式，其目的是为磁控管灯丝提供可调的灯丝电流，来改变磁控管灯丝发射电子的能力，让磁控管工作于稳定状态；磁场电源采用高精度开关电源技术，从而使得电源输出响应快、纹波低、稳定度高、调节分辨率高，其目的是为磁控管电磁线圈提供电源，产生可改变的磁场，便于调节磁场强度来控制磁控管阳极电流或微波输出功率的大小；高压电源为开关电源技术，从而使得电源输出响应快、纹波低、稳定度高、调节分辨率高，更小的滤波参数就能将输出纹波控制到系统需要的纹波参数，小容量滤波器件储能自然少，在磁控管打火情况下，响应快及储能少的特点使得磁控管打火能量小，有效延长磁控管使用寿命，高压电源主要目的是为磁控管提供负高压，以产生需要的微波输出能量，开关式高压电源的低纹波让磁控管转换效率更高，磁控管发热低，进一步提升磁控管使用寿命；

本控制系统主要目的是根据微波设备的需要，来控制灯丝电源、磁场电源和高压电源的启/停以及输出参数，从而控制微波能量的输出大小。

本实用新型为一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，如图1所示，包括微波电源和微波发生器。其中，微波电源包括灯丝电源、磁场电源、高压电源和控制系统。

微波发生器，包含磁控管、磁场线圈、激励腔和波导接口；微波发生器用于将微波电源提供的电能转换为微波，并将微波传输至波导接口。

控制系统，如图2所示，包括采样器、A/D转换器、处理器和控制器；采样器、A/D转换器、处理器和控制器依次连接。

采样器，用于对高压电源的输出电流和/或微波发生器的输出微波进行多点取样，并传输至A/D转换器；A/D转换器，用于将获取的输出电流和/或输出微波的多个样本值转化为数字信号后，传输至处理器；处理器，用于对输出电流和/或输出微波的多个数字信号进行运算，计算出输出电流和/或所述输出微波的多个数字信号的有效值或平均值，并将有效值或平均值传输至控制器；

控制器，用于将有效值或平均值作为反馈信号，与高压电源给定的高压电流信号或微波发生器给定的微波功率信号进行闭环控制，实现高压电源的输出电流输出稳定，微波源的功率的输出稳定。

再如图1所示，其控制系统将高压电源输出的电流经过与给定电流比较控制后，高压控制模块控制高压电源输出反馈后的电流。

影响微波源功率的输出稳定的因素还包括灯丝电流输出的电流、磁场电源产生的磁场大小，经过控制系统与其给定的值进行比较，控制输出反馈后的电流或磁场大小。

高压电流受灯丝功率、磁场大小及阳极电压高低的影响而改变：磁场不变、阳极电压不变情况下，在一定范围内，当灯丝电流越大(功率越大)，其发射电子的能力就越强，阳极电流就会越大，超出该范围，会进入非线性区域，阳极电流可能出现不可控现象，磁控管会打火，甚至损坏；灯丝功率不变、阳极电压不变情况下，在一定范围内，磁场越弱，阳极输出电流越大，当磁场弱到一定程度，磁控管会打火，甚至损坏；磁场不变、灯丝功率不变情况下，在一定范围内，阳极电压越高，阳极电流会越大，超过一定电压，磁控管会打火，甚至损坏。

具体实时过程中，反馈信号的处理方法，可以采用AD转换芯片或是处理器自带的AD采集口，将模拟反馈信号转换成数字反馈信号，再由处理器进行运算，送出有效值或是平均值作为系统闭环的反馈信号，又或是采用如同电能计量芯片一样具有AD转换功能及平均值和/或有效值换算的专用芯片，直接将模拟反馈信号转换成有效值或是平均值的数字反馈信号，该信号将与设置的高压电流或微波功率给定信号进行闭环调节，其调节方式可以是PI调节，也可以是PID调节，以达到尽可能保证输出稳定，以及尽可能的减小控制与输出的误差为目的。

其中，控制器的调节方式为PID调节方式或者PI调节方式，控制器为PLC控制装置或者主控板，并通过外部控制接口与触摸屏或显示器或上位机连接，其中PLC控制装置或主控板实现各种逻辑控制以及信号采集及运算，在触摸屏和/或显示器和/或上位机实现人机操控界面。

微波源系统的调节周期与灯丝电源频率周期相同。在每一个灯丝电源频率周期内进行一轮闭环调节控制，可以使得系统调节更为稳定，且响应速度也足够快。

采样器的采样频率为灯丝电源频率周期的N倍，N为整数，且N大于1。如图3所示，波形1为取样的反馈波形，取样的反馈波形中带有毛刺状的凸起是灯丝电源带来的影响，波形2为计算后等效反馈波形，由图可以看出，经过计算后，消除了灯丝电源带来的输出影响，波形2趋向一条直线。

采样点数量越多，计算出的参数精度越高，由于采样点数量增多，计算难度将越大、计算周期将越长，从而会影响系统控制，为此，单个灯丝电源频率周期中优先取用5至200个采样点来进行相关计算，采样点的多少由系统控制精度及芯片计算能力综合评估，首先满足系统需要的控制精度，如果芯片计算能力还有更强的能力，可以增加采样点以进一步提升产品精度，以便更好的满足系统需要，若目前选用芯片不能满足系统所需精度要求，则需要选用更好的芯片来满足设计需求。

计算平均值或有效值作为微波电源的反馈信号，可以采用单个或多个频率周期的采样点进行计算，随后作为反馈信号送入闭环调节控制环节，去控制微波电源的高压电流或是控制微波源的输出微波，有效使得高压输出电流或是微波源输出微波功率变得更为稳定。电流或电压是随时间变化而变化的，平均值是指单位时间内多次采样后加起来除采样次数所得的一个值。而有效值是，单位时间内(一般指信号的一个变化周期)多次采样的均方根值，如下列公式所示：或该公式为电流有效值计算公式。

本实用新型中用于提升微波输出稳定性的微波源系统的还包括环形器，环形器设置于激励腔的输出端。

本实用新型中用于提升微波输出稳定性的微波源系统还包括水负载，水负载连接于所述环形器的反射输出端，用于消耗负载侧反射回的微波，以避免发射出去的微波反射至激励腔之内，从而损坏磁控管，进一步情况下，可在环形器输出侧设置三销钉调配器，便于将输出微波的反射微波部分短截于负载一侧，避免过多微波反射至水负载，从而浪费电能。

还包括打火检测传感器，若微波发生器一侧发生打火现象，打火检测传感器将打火信号反馈至控制器；控制器控制灯丝电源、磁场电源和高压电源切断打火能量。避免浪费电能，防止打火情况加重而损坏微波发生器的部件。

具体实施过程中，如图4所示，灯丝电源最先启动，并逐渐从零电流输出至预设电流，实现磁控管灯丝预热，其输出电流的大小根据磁控管特性设置相应曲线图3，在微波输出功率或阳极输出电流变化情况下，将进行自动调整；磁场电源在灯丝预热时间达到后开始启动，并逐渐输出至预设值，如磁场电流曲线图4；高压电源在磁场电源输出预设值时开始启动，并根据磁控管参数输出预设参数，且保持该电压恒定不变；此时，逐渐降低磁场电流，高压电源开始有电流输出，微波发生器开始有微波输出，在此区间，增加磁场电流，微波输出功率降低，减小磁场电流，微波输出功率增加，如阳极电流曲线图5。

一种提升微波输出稳定性的方法，如图5所示，包括以下步骤：

通过采样器，对高压电源的输出电流和/或微波发生器的输出微波进行多点取样，并传输至A/D转换器。

通过A/D转换器，将获取的输出电流和/或输出微波的多个样本值转化为数字信号，并传输至处理器。

处理器对输出电流和/或输出微波的多个数字信号进行运算，计算出输出电流和/或输出微波的多个数字信号的有效值或平均值，并将有效值或平均值传输至控制器。

控制器将有效值或平均值作为反馈信号，与高压电源给定的高压电流信号或微波发生器给定的微波功率信号进行闭环控制，使得高压电源的输出电流输出稳定，微波源的功率的输出稳定。

有效值为单位时间内多次采样的均方根值，计算公式为

其中I_rms为有效电流值，I_1rms、I_2rms为单位时间内多次采样的电流值。

Claims (7)

1.一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，包括微波电源和微波发生器；

所述微波电源包括灯丝电源、磁场电源、高压电源和控制系统；

所述微波发生器，包含磁控管、磁场线圈、激励腔和波导接口；所述微波发生器用于将所述微波电源提供的电能转换为微波，并将所述微波传输至波导接口；

所述控制系统，包括采样器、A/D转换器、处理器和控制器；所述采样器、所述A/D转换器、所述处理器和所述控制器依次连接；

所述采样器，用于对所述高压电源的输出电流和/或所述微波发生器的输出微波进行多点取样，并传输至所述A/D转换器；

所述A/D转换器，用于将获取的所述输出电流和/或所述输出微波的多个样本值转化为数字信号后，传输至所述处理器；

所述处理器，用于对所述输出电流和/或所述输出微波的多个数字信号进行运算，计算出所述输出电流和/或所述输出微波的多个数字信号的有效值或平均值，并将所述有效值或平均值传输至所述控制器；

所述控制器，用于将所述有效值或平均值作为反馈信号，与所述高压电源给定的高压电流信号或所述微波发生器给定的微波功率信号进行闭环控制，使得所述高压电源的输出电流输出稳定，微波源的功率的输出稳定。

2.根据权利要求1所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，所述控制器的调节方式为PID调节方式或者PI调节方式。

3.根据权利要求1所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，所述微波源系统的调节周期与灯丝电源频率周期相同或成整数倍数关系。

4.根据权利要求3所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，所述采样器的采样频率为所述灯丝电源频率周期的N倍，N为整数，且N大于1。

5.根据权利要求1所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，还包括环形器，所述环形器设置于所述激励腔的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，还包括水负载，所述水负载连接于所述环形器的反射输出端，用于消耗负载侧反射回的微波。

7.根据权利要求1所述的一种用于提升微波输出稳定性的微波源系统，其特征在于，还包括打火检测传感器，若所述微波发生器一侧发生打火现象，所述打火检测传感器将打火信号反馈至所述控制器；所述控制器控制所述灯丝电源、所述磁场电源和所述高压电源切断打火能量。