硕士论文-一种新型可变功率微波炉的研制.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 一种新型可变功率微波炉的研制 姓名：刘刚 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：贾宝富;苏少敏 20080328 a b s t r a c t t h eg l o b a lc o m p e t i t i o no fm i c r o w a v eo v e i li n d u s t r yi sg e t t i n gs t r o n g e r ，a n d t i l e p r o f i to f t h i si n d u s t r yi sg e t t i n gl o w e r m a n y f a c t o r i e st r yt od e v e l o pc r e a n v ep r o d u c t st 0 m a k em o r ep r 0 6 ta n dc o m p e t i t i o n an e wt y p eo fm i c r o w a v eo v e n w i t hc h a n g e a b l e m i c r o w a v eo u t p u tp o w e r i sc o m i n go u ti nt h i sp e r i o d l c 由嘶tn 0 珊a 1 1 yc o n t r o l st h em i c r o w a v eo u t p u tl e v e lo ft r a d i t i o nm l c r o w a v e 0 v 吼，雠州p o w e r i sac o n s t a n t ，t h ea d j u s t m e n to f t h ep o w e rl e v e l i sc i e p 饥d m g t h ep c b0 rt 皿e fc o n 仃d l l e rw h i c hc o n t r o l st h em i c r o w a v e o na n do f e t h i st y p eo f i n i c r 删a v e0 v 吼丽t hc h a n g e a b l em i c r o w a v eo u t p u tc 趴m a k e u pw i t ht h es h o r t c o m i n g o f t h e 仃a d i t i o nm i c r o w a 、，eo v e n ， i tc a l lc o o ka l m o s ta l lk i n do fd i f f e r e n tf o o d ， a n dt h e h a s t ei sc o m i i l gt 0t h eb e s ts t a t e ，a n da l s oi tc 弛k e e pn u t r i t i o no ft h ef o o d i t 1 s t 蝣a l t k c ra n d 吐1 ec o s ti sm u c hl o w e rt h a nm i c r o w a v eo v e nw i t h i n v e r t 钮 s ， i tl s b e c o m i n gap i o n e e rp r o d u c to f t h em i c r o w a v ei n d u s t r y ma u t h o r 缸dt h eai l e wm e t h o dt o r e a l i z et h ec h a n g e a b l em i c r o w a v eo u t p m 口o w e fi n s t e a d0 fm e r t e r s ， w h i c hb a nb er e a l i z ec h a n g e a b l em i c r o w a v eo u t p u tp o w e r b y 洲e r a lg r 0 呷so fh i g hv o l t a g ec a p a c i t o r sb y ac o n t r o l l e rs y s t e m t h ea 劬o r 丘1 1 d st 1 1 e d i f | 衙e n c cb e t 、) l r e 饥t h en o r m a lm i c r o w a v eo v e na n dt h em i c r o w a v ew l t hc h a n g e a b l e n l i 啪w a v eb ya n a l y z i n gt h ec h a n g e a b l em i c r o w a v e o fc o m p e t i t o r sa n d 咖删矿a v e 啪m 曲锄既t h ea u l 栅s t u d yt h eh i g hv o l t a g em a t c h i n gs y s t e m ，r e s e a r c ha n da n a l y z e 0 n h o wt or e a l i z et h ec h a n g e a b l ec a p a c i t o r sa n d a n a l y z et h ee f f e c to i lt h e u c r o w a v e 0 u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c y f i n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m c r o w 帆o u t p m e f f i c i e n c ya n d 也e 狃0 d ec u r r e n t a n df i n a l l yd e v e l o pal o wc o s t 锄dh i 曲v a j u e i i l i 啪w a v eo v w i 也c h a n g e a b l em i c r o w a v eo u t p u t ， a n d i m p r o v et h e c o r ec o m p e 乜n o n a b i l i t yo fo a rc a ) r n p a n y 胛以：m i c r o w a v e o v e n ，c h a n g e a b l em i c r o w a v eo u t p u tp o w e r ，c h a n g e 0 f h i g hv o l t a g ec a p a c i t o r ，a n o d e c u r r e n t ，o u t p u tp o w 既 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：日期：2 0 0 8 年弓月2 参日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) i 签名：知眦导师签名：1 f 芡殳雷 日期：2 0 0 8 年3 月2 彦日 第一章绪论 第一章绪论 本章节首先介绍了微波炉的发展历史、研究现状以及发展趋势；然后着重介 绍了可变功率微波炉的研究现状，以及可变功率微波炉的市场状况，国内外可变 功率微波炉的研究以及迄今为止取得的成果；最后，简单介绍了本论文的选题和 主要研究内容。 1 1 国内外微波炉的发展历史和研究现状 1 1 1 微波炉的发展历史 微波炉的发明要追溯到1 9 4 0 年。1 9 4 0 年，伯明翰大学物理系两名英国学者制 成一种能产生超短电磁波的装置，即磁控电子管。1 9 4 5 年美国雷声制造厂开始大 量生产磁控管产生的超短波。最初用来扩大雷达的效用范围，由于设计的原因， 起短波在传送的过程中往往出现绝缘介质的发热而造成无用损耗的现象。但人们 对此现象并没有深入研究，只是通过设法改进雷达的设计方案来减少无用损耗。 有一次，美国的一位雷达工程师斯宾塞在做实验的过程中，发现装在口鞋里 的巧克力溶化了，这件奇怪的事使他感到不可思议，起初还以为是自己体温所致。 后来经检查发现，巧克力的溶化原来是雷达装置上的磁控管在起作用。在解释这 个现象的过程中，又联系到微波在传输过程中出现的绝缘介质发热而造成的无用 损耗现象，从而得到示：能否利用微波来加热食品或其它物质呢? 于是，他决定作 进一步的试验。他在磁控管附近放了一些玉米粒。但过了一会儿，玉米粒就噼噼 啪啪地爆开了，他又将一个鸡蛋放在磁控管附近，起初鸡蛋开始震颤，最后鸡蛋 炸开了。由此，斯宾塞得出了一个符合科学逆辑的结论：巧克力融化、玉米爆开、 鸡蛋沸腾全是低密度微波能辐射的结果。 于是，斯宾塞博士制作了一个具有能够馈入微波能的开口的金属箱子，使微 波能进入箱子后，不容易溢出，以获取更高密度的电磁区域，当放进的食物充入 微波波能后食物的温度迅速上升，由此一台原始的微波炉就诞生了。 美国雷声公司沿着斯宾塞的思路着手研究。终于在1 9 4 7 年诞生了世界上第一 台当时以“雷达微波为商品名称的微波炉，这是一台落地式商用微波炉，高5 5 电子科技大学硕士学位论文 英尺，重量超过7 5 0 磅，售价5 0 0 0 美元，而且，带一只1 7 0 0 w 的水冷磁控管，安 装起来十分麻烦。由于体积大，价格贵，这种微波炉销量并不理想。 以后，随着技术的不断革新，美国泰潘公司和雷声公司合作，研制成功一种 新型的风冷式磁控管，使得微波炉的体积、重量和价格都降了下来。1 9 5 5 年，秦 潘公司推出了第一台电压为2 2 0 v 的微波炉。1 9 6 3 年，美国通用电气公司推出微 波一电联用的微波炉。 1 9 6 7 年，美国阿曼纳公司的创始人福斯特经过认真的试制和广泛的市场调查， 于当年推出了当时最先进的微波炉。这种炉具有的炉门采用了能防止微波泄漏的 抗流密封门。其安全性能较以前有了很大的提高。1 9 7 5 年，该公司又第一个推出 了带微处理器的微波炉( 也就是目前我们所说的电子式微波炉) ，该微波炉具有1 0 种烹饪速度和4 种烹饪程序。 现在，随着高新技术在微波炉研制和生产中的应用。各种性能优良、功能独 特的微波炉不断推出。有可以自动控制加热时间和温度的智能微波炉，又可以上 网浏览的网络微波炉，有具有炒、炸、烤、拌等功能的多功能微波炉以及变频微 波炉、便携式微波炉等等。 1 1 2 微波炉的研究现状 微波炉的生产最早起源于美国，由于微波炉有着巨大的优势，在2 0 世纪七八 十年代已风行欧美和日本等国家。日韩逐渐成为微波炉的生产大国；进入九十年 代，国际市场微波炉在现有的基础上向更高更新的标准优化。在微波炉研制生产 方面，业界出现了美国、日本、韩国三强鼎立的局面。但近十年来( 9 0 年代中) ， 随着日本的微波炉慢慢衰退，中国的微波炉产业慢慢兴起，并且中国企业正有逐 步取代日韩企业的地位的迹象，近五年来，韩国的三星微波炉正悄悄淡出中国市 场，l g 也在偷偷收缩中国战线，而老牌的惠而浦、夏普、三洋、大字等外资品牌 的微波炉已全面溃败中国。中国正慢慢成为微波炉生产与制造的世界工厂。 早8 0 年代初开始，有关微波炉的应用研究引起了许多学者的广泛兴趣。 1 ) 、开发售价低廉的普通微波炉：由于国外激烈的商业竞争微波炉的售价 随着市场需求量的增加而逐渐下降。8 5 年日本松下公司推出n e 32 0 一型的微波 炉，售价4 8 万日元； 2 第一章绪论 2 ) 、向多功能、多用途的组合式微波炉发展：日本于1 9 8 6 年销售的1 9 0 万台 微波炉中，单一加热功能的机型占3 8 ，带烘烤功能的组合型占6 2 。今后从 只有微波加热单一功能向微波与电热元件组合加热的微波炉发展已是一种趋势。 3 ) 、采用微电脑控制技术实现全电子化：采用微电子控制最新技术使得控 制程序日益齐全食品整个加热过程实现自动化。日本夏普r - 0 5 6 0 型微波炉，能 自动计算食品重量，从而决定正确的加热功率强度和时间。日本东芝e r 9 0 1 j 型 微波炉能以图形及声音告知烹调顺序。美国利顿公司的“自动烹调”微波炉能进 行人机对话，把用户的要求信息输入后，而进行智能化的操作 4 ) 、采用先进的电子技术。提高微波炉的电能效率完善微波炉的安全性：除 了改进微波炉的电子元器件性能外主要途径还是采用先进的电子控制技术。如 在组合式微波炉上利用电子点燃系统可节省电耗3 0 。 5 ) 、防止微波泄漏是微波炉在操作中的主要问题，为此国外厂家采取了一系 列措施，但当时尚未彻底解决，微波泄漏仍是世界性的研究课题，今后将不断完 善。 近四十年来，美国和加拿大作为国际微波能协会( m p i ) 的主要发起国之一， 将微波作为一种先进能源，推进在家庭、工农业、食品、橡胶、木材，医疗、以 至当今的高新科技领域的广泛应用方面起了巨大的促进作用。在二十世纪7 0 到8 0 年代曾经有过很快的发展使微波能在北美地区获得了相当广泛的应用欧洲的微波 能应用虽然不如北美那样发达和广泛，但发展一直比较稳定，而且质量水准较高。 我们熟知的西德、法国、日本、韩国、英国等国的家用微波炉、微波食品处理等 技术和产品在世界比较知名，其中不少已输入我国。澳大利亚在微波炉的研究方 面没有太大的发展，但是近几年推广微波能应用发展很快的国家。主要开创者是 原d e a k i n 大学的教授现任墨尔本”皇家技术研究所”所长的v n t r a n 博士。九十年 代初，他们顺应当时西部澳洲许多环境相关工程项目对微波技术的迫切要求，跟 踪北美和欧洲的最新发展，得到联邦政府的资助，从发达国家购进微波测试仪器、 系列微波源，系统和设备，高起点开展了高功率微波传输、多种微波干燥食品，木 材等的加工应用、微波等离子体产生，材料加工和应用、微波化学反应和应用等 工程性项目的研究和开发工作等。 我国微波炉总的来说起步晚，微波炉应用技术起步于上世纪七十年代初，但 发展很快。我国家用微波炉在八十年代还只有以“顺德蚬华“ 为代表的几条小规 3 电子科技大学硕士学位论文 模进口生产线，产量很少，产品主要供出口，家庭普及率很低。随着对外经济的 开放，我国人民生活水平不断提商，以及传统燃料渐趋紧缺，微波炉已经作为家 用电器的新大件，成为国内广大城乡家庭实现厨房现代化的新追求。近十多年来 的时间，微波炉产业已发展成为一支庞大的家电产业，由格兰氏，美的等大型 民营企业开创自己的微波炉生产线使年产量很快超过千万台，不仅大中城市的家 庭普及率迅速增长，而且成为国外微波炉生产厂商的强力竞争者在国际市场也占 据了重要地位。微波炉进入我国已有2 0 多年，从目前微波炉的发展情况看，中国 微波炉企业走的路线是一条规模路线，并没有较高的技术含量。在9 0 年代中期迅 速成长，最近几年的增长态势十分明显：1 9 9 4 年：4 0 万台；1 9 9 7 年：4 3 2 万台； 1 9 9 8 年：6 5 0 万台；1 9 9 9 年：8 5 0 万台；2 0 0 0 年：1 0 0 0 万台以上，2 0 0 2 年，2 2 7 0 万台左右，到2 0 0 5 年，我国微波炉的年产量已经超过3 0 0 0 万台。在技术研究方 面，各主要厂家都是从微波到光波，再到微波、光波的组合，光波技术、紫外线 技术以及传感技术等应用于微波炉产品，以及国外早已成熟的转波炉产品慢慢成 为一种时尚。业内主流企业这几年已经费尽心机地在技术上下功夫，不断推出新 品，以适应中国消费者蒸、煮、烤等多种需求。但是真正技术研究方面的创新却 远远落后于国外企业陉1 。 1 1 3 微波炉的市场状况 微波炉，作为一种新生活方式的代表产品，以及新厨房时代的标志性产物， 曾在价格屠夫格兰士的价格屠刀下，掀起过轰轰烈烈的抢购场面，令市场一度火 暴。蔚为壮观的场面引起的惊涛骇浪令无数商家遐想不已，为此，很多企业纷纷 投资进军微波炉，意图分得微波炉市场的一杯羹。随着加入者越来越多，僧多粥 少，中国微波炉市场杀声四起，硝烟弥漫。 微波炉市场的蛋糕到底有多大? 微波炉行业的利润到底有多少? 微波炉市场 到底还有多少油水可以涝? 让我们抛却狂热与盲目，冷静地对微波炉市场的现状 做些客观的分析吧。 市场容量，总也赶不上生产速度。因国内外大大小小的企业一哄而上、盲目 上马、重复建设，导致微波炉行业出现供过于求的现象。据有关资料显示，2 0 0 3 年，全球微波炉市场需求3 6 0 0 万台，其中，微波炉巨头格兰士企业销售1 6 0 0 万 台，占有率高达4 4 4 ，l g 为3 0 左右，此后美的、松下、海尔、三星、惠尔浦、 三洋、三菱、惠宝等品牌分食剩余的份额。而格兰士的产能已达2 0 0 0 万，l g 天 4 第一章绪论 津基地的产能达1 0 0 0 万，美的在0 3 年4 月也建成了1 0 0 0 万产能的基地。从这组 数据可以看出，光是这三家企业的产能就已经达到4 0 0 0 万套，远远高出了全球市 场所需容量值，若加上松下、海尔、三星、惠尔浦等等，大家可以想象其中的差 距。再来看国内市场状况，2 0 0 3 年，国内微波炉市场需求总量约为7 0 0 万套，其 中格兰士的销量就为5 0 0 万套，占有率为7 1 以上，其它品牌能分食的量实在是 少之有少。到2 0 0 6 年，格兰士微波炉的产销量要达到1 8 0 0 台，而美的微波炉则 要达到1 2 0 0 万台。 材料上涨，给企业的经营带来了很大的压力。自0 3 年开始，钢材等制造微波 炉各种配件的主要原材料大幅度涨价，令微波炉厂家忧心忡忡。据网络资料显示， 轻工部研究表明，由于我国房地产业、汽车业、空调业等产业的迅猛发展，使得 钢材供应远远不能满足需求，而在全球范围也出现了钢材紧张的局面。因此，钢 材等原材料在短期内不会出现回落，未来几年仍会继续上涨。这样的消息，对于 厂家来说，永远是胸口的痛。但消费者却对此毫不领情，他们永远都喜欢又便宜 又好的产品。零件还是原来的零件，体积还是原来的标准，怎么才能在采购成本 不断上涨的同时，又能保证价格优势呢? 既要马儿不吃草，又要马儿跑得快，这 对于厂家来说的确是个头痛的问题。连一向以规模制胜，以价格为竞争手段的巨 头格兰士对此都感到压力重重，何况其它中小企业? 因为竞争的激烈，国内微波炉市场居然曾出现8 0 元左右的微波炉，而1 0 0 - 3 0 0 元左右的价格则随处可见。让我们拆开微波炉来研究，就知道一台微波炉的造价 需要多少成本。微波炉的核心部件磁控管、变压器、电脑板的平均价格都分别在 1 0 0 元左右，光这三项就是3 0 0 元左右，若再加上定时器、风扇电机等，成本是多 少? 此外还有大大小小几十种零部件，再加上人工成本、运输成本、设备折旧等 等的费用，大家可以计算出一台微波炉的成本价到底是多少? 那么，那些8 0 元到 1 0 0 多元的微波炉产品不亏怎么可能? 而某些企业，为了达到预期的年销售目标， 居然连续几年在亏损的情况下，仍然继续在往里面砸钱口1 。 1 1 4 微波炉的发展与展望 随着科学技术的进步，电子技术、传感器技术以及材料技术近年来得到了很 大的发展。国内外微波炉研发机构和生产工厂，为了满足微波炉消费者的使用要 求，将各种先进的现代化技术应用于微波炉，推出了一系列新颖先进的微波炉产 品。这些微波炉新产品，反映了微波炉技术的发展趋势，这些趋势主要表现在以 5 电子科技大学硕士学位论文 下几个方面。 1 ) 、智能化 采用微电脑控制技术和传感器感测技术，实现微波炉的智能化加热烹调，是 微波炉技术发展的一个方向。这种智能化微波炉，无需使用者在操作按键上输入 烹调时间、加热功率、食物重量等参数，只要按一下启动按键，微波炉内的传感 器就将检测到的食物温度、蒸汽湿度等参数不断输出给微电脑控制芯片，微电脑 控制芯片进行一系列的运算、比较、分析之后，输出相应的指令，自动控制微波 炉的加热时间和功率大小，实现智能化全自动烹调。随着模糊控制技术的研究、 推广和应用，各种专业用途的模糊控制芯片不断推出，使得微波炉的智能化自动 控制技术水平大大提高。 还有条形码技术微波炉。这种微波炉带有专用的条形码读码器和条形码微波 炉菜谱。使用者根据烹调需要，选中适当的条形码菜谱，用读码器进行识读后， 该菜谱即记入微波炉的存储器之中，使用者放入相应的菜肴，启动微波炉，则微 波炉就会按照条形码菜谱的烹调程序，烹调出可口的饭菜。 近年来，随着i n t e m e t 网络热不断升温，利用网络的远距离连通的便利性，设 计生产出了“触网”的网络微波炉，这种微波炉带有可与网络连接的装置，因而可从 相关网站直接下载微波炉菜谱，使微波炉的烹调菜谱可以随时刷新，菜谱的种类 也可以无限增加。下面是几种智能化微波炉的例子。 夏普公司生产的r 9 5 6 0 型微波炉，是一种将温度、湿度、重量等多种传感 器与微电脑处理器相结合的高档微波炉，使用者不必设定烹调时间、加热功率或 食物重量等，只需按动启动按钮，炉内的综合传感器网络便会根据加热食物的种 类、性质自动选择最佳的加热时间、功率、温度，实现高质量的自动化烹调。 德国某公司推出了一种带电脑扫描仪的多功能微波炉r e s e l ，炉内安装有 1 2 个传感器，可对食物的重量、高度、形状和温度进行测量。电脑利用这些测量 信息自动选择4 种工作方式之一进行工作，这四种工作方式包括解冻、再热、烧 烤、热风对流。电脑还可对食物的种类扫描认定，自动决定食物的处理方法和烹 调时间。该微波炉有1 4 种不同的模糊控制工作程序，可与动态的碗盘和搅拌器一 起使用，进行各种食物的烹调制作。 2 ) 、多功能 6 第一章绪论 随着现代人们生活节奏的加快以及追求生活质量的提高，对于食品的加工烹 饪也提出了更高的要求，因而出现了多功能微波炉。比如将电烤箱的烧烤功能元 件加入微波炉，制造出的微波烧烤组合微波炉，就是多功能微波炉的一个例子。 这种微波炉目前在国内外已经非常普遍，其优点就在于利用微波能量快速烹调使 食物很快熟透，再烧烤加热使食物外表焦黄酥脆，从而使食物具有更好的口感和 视觉效应。为了使微波炉制作出的蛋糕内部松软外部焦黄，日本一些微波炉生产 厂推出了带有热风对流加热功能的微波炉，这种微波炉是将电热元件产生的热量 通过特殊设计的对流风道，用鼓风机吹入微波炉腔，利用高温热风对蛋糕进行烘 烤。以下是其他一些多功能组合型微波炉的例子。 视听微波炉美国一家厨具公司生产了一种带有视听装置的微波炉。这种微 波炉上装有一台5 英寸的彩色电视机和一台小型收音机，操作者在烹调食物时， 可以收看电视节目或收听电台广播，从而大大减轻了厨房烹调时的紧张和负担。 食品烹调完成，电源自动切断，同时发出悦耳的音乐声。 双门微波炉日本三菱电器公司的r r 2 9 t 型双门微波炉，将微波炉和烤面 包机组合在一起，其上半部分可用来烤制面包，下半部分是微波炉，而且上下两 部分可以同时使用。利用这种微波炉，烹调时间可比普通微波炉节省三分之一左 右。 热风烘烤微波炉日本夏普公司的r e c m 5 型微波炉，在炉腔项部和底部分 别安装有烧烤电热元件，可进行微波烧烤烹调。同时在炉腔后部装有热风烘烤加 热元件、鼓风机和热风对流风道。操作者可以根据食物烹调的需要，选择微波能 量、上烧烤或下烧烤加热，或者热风对流烘烤，从而使食物烹调的种类范围扩大， 味道更可口，表面颜色也能引起食欲。 3 ) 、节能与环保化 节能和环保，是当前和今后人类所面临的两大课题，在微波炉产品的设计制 造上，同样越来越多地体现了这样的趋势： 松下公司将变频技术应用于微波炉推出的变频微波炉产品，通过将市电电 源转换为变频电源，能将5 0 赫兹的电源频率任意地转换成2 0 0 0 0 - - 4 5 0 0 0 赫兹的 高频率电源，供给微波能量产生电路，使微波炉的输出功率随着电源频率的变化 而改变，从而改变了以往微波炉利用占空比原理调节微波输出功率的方式，不仅 7 电子科技大学硕士学位论文 使得微波能量产生电路的供电系统的体积重量大大减小，而且使得耗电量减少了 四分之一左右。 东芝公司的e r p s i o 型微波炉，在转盘下的旋转支撑结构上，采用了独特 形状的能量集中设计，使得微波能量能够按照“茶杯”“酒杯一“饭碗”的形状 进行集中加热，不仅使微波加热更快速，加热时间缩短，而且也实现了耗电量的 节约。 日立公司推出的m r o - n 8 0 0 型微波炉，采用新设计的多极天线，高效率地使 微波能量集中于转盘内食物的加热，从而提高微波能量的加热效率。同时采用两 层食物一次烹调，以及在烹调结束打开炉门5 分钟后，若无任何操作就自动切断 电源( 如果再打开一次炉门又自动恢复电源) 的方式，使微波炉处于“休眠“ 状态， 从而减低待机耗电接近于零等措施，使得该型微波炉的耗电量降低了4 2 ，获日本 当年度节能奖h ，。 随着经济全球化发展，关税贸易壁垒日渐弱化，采取技术性贸易措施已成为 各国实行贸易保护的主要手段，其中，以环境保护、人类健康安全构筑的绿色壁 垒更显突出。2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧盟官方公报公布了欧盟部长理事会和欧洲 议会共同通过关于在电子和电气设备中限制使用某些有害物质的指令( 以下 简称r o h s ，指令2 0 0 2 9 5 e c ) 和关于废弃电子与电气设备的指令( 以下简称 w e e e ，指令2 0 0 2 9 6 e c ) ，其目的是通过统一协调欧盟成员国关于处理报废电子 电气设备的相关法规、政策及措施，提高相关人员的环保能力，防止或减少报废 电子电气产品对环境的污染。欧盟两个指令的实施反映出国际经济发展的一个趋 势，是一个信号，预示着各种贸易争端将会激增。预计2 0 0 7 年年中，欧盟又有新 的e u p 指令( 关于能耗产品的节能与环保要求) 将要实施，该指令将被纳入到c e 标识的要求，如果产品不能满足该指令的要求，则不能获得欧盟c e 认证，产品将 会被拒之于欧盟f i l l “ 。包括日本、美国、中国等国家都相继制定环保法规，对各 种家电类的产品提出环保要求。 4 ) 、健康化 随着人们健康环保意识的增强，对于食品中热量的限制也愈加重视。作为现 代化食品烹调器具的微波炉，能够烹调出低热量的保健食品，自然是微波炉设计 中应注意的发展趋势之一。日本三菱公司推出的r o l e 7 型微波炉，采用特别设 计的自动食谱炸制方式，可比传统的炸制方式减少食油量5 0 - - 7 0 ，从而使炸制 第一章绪论 食物的含油脂量减少，人们食用这种炸制食品时，油脂的摄入量大大减少，有益 于人体的健康。 5 ) 、操作简便化 一般来说，随着家用器具功能的增强，往往使其操作方法随之变得比较复杂， 这就给人们的使用带来不方便。因此，在微波炉加热烹饪功能提高的同时，操作 简便化就是值得注意的一个重要方面。夏普公司推出的e r - m 3 0 0 型微波炉，采用 了“液晶触摸式控制面板”和“声讯传递”系统，使得这种多功能微波炉的操作变得简 单易行。所谓“液晶触摸式控制面板，就是操作者直接触摸液晶控制面板上显示的 画面或文字，微波炉就会直接进行该功能的加热工作；而“声讯传递”系统就是用编 辑在微波炉内部控制芯片上的声音信号，根据烹调操作的需要，适时告知操作者 的操作步骤以及注意事项。同时该型号微波炉，还采用大量的文字、图片，在显 示屏上显示，实时指导人们操作，从而使得操作简便容易，老人小孩都能理解， 获得了消费者的好评。富士通公司的b e 。5 5 r c 型微波炉，主要采用了只按一次烹 调键的操作方式，达到了使用方便的目的。这种微波炉具有多种自动食谱按键， 操作者只要根据食物类别选择适当按键按下，微波炉内部的传感器和自动烹调软 件，就会指挥微波炉自动完成整个烹调，非常方便【4 1 。 到目前为止，微波炉的研究已取得了很大的进展，不仅在家用方面，而且在 其他领域( 如工业微波炉、商用微波炉) 仍然有着是否广泛的应用前景，各行各 业包括微波干燥、微波烧结陶瓷、微波消毒等正进行着广泛的应用研究。微波炉 将在微波能的应用领域继续发挥它的优势。 1 2 可变功率微波炉的研究现状 1 2 1 可变功率微波炉的研究现状及市场状况 传统的微波炉核心部件磁控管的电源主要由普通升压变压器提供，体积大， 重量重，致使微波炉产品整体重量分布不均。而且传统微波炉它只能提供单一功 率的电源，也就是说传统微波炉只能提供单一的加热功率。随着社会经济的不断 发展，人们生活水平不断地提高，对食物的烹调工艺要求也逐渐提高，因此，烹 调速度、烹调科学火力、营养保存等已成为人们日益关心的热门话题，而变频微 波炉由于它的功率可以调节而正好能满足人们这方面的需求。 9 电子科技大学硕士学位论文 变频微波炉技术主要掌握在少数微波炉制造商，以日本松下、东芝等为代表， 最初于1 9 9 9 年由松下推出市场，并迅速在日本、欧洲等国家或区域推广，以其优 秀的烹调性能获得广大消费者的喜爱。变频微波炉可调节加热功率，是普通微波 炉所实现不了的。普通微波炉如果要想不使食物烹调过火，只能通过按照一定周 期循环通断电源的方式，使食物在加热一停止加热一加热的循环过程中接受烹调， 这不仅延迟了烹调时间，而且相对较大程度上加大了食物营养的损失；同时，由 于不良的加热过程，导致食物不太理想的口味。变频微波炉的出现，在微波炉发 展过程中的具有划时代的意义，它实现了根据烹调工艺需要，自由调节火力的理 想! 实现了。文火刀( 低火) 与“武火“ ( 高火) 的自由选择，把微波炉的食物烹 调效果推上了一个全新的台阶。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后半期开始， 电力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( i - j 极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功率晶体管) 、 m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、s i t ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) 、 m g t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( m o s 控制品闸管) 发展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极 型晶体管) 、h v i g b t ( 耐高压绝缘栅双极型晶闸管) ，器件的更新促使电力变换技术 的不断发展。 传统的家电产品使用的电源可不通过变换直接将能量输送给负载，从而让用 户获得不同形式的能源。不过在变频产品中使用的交流或直流电源被变频器进一 步转化为高频的交流电。这样的变频系统的优点如图1 - 1 所示。 交氟屯器装置 图卜l 家电领域的变频技术概念 首先在变频过程中我们能线性地控制输出功率。第二，我们能获得高效率并 节省能源，可以说变频器能提供最合适的电源方式，而且通常变频器在转化能源 的时候，损耗小于普通装置，尤其对变压器损耗来说效果是显著的。 1 0 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹饪器、变频照明器 具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、i n ( 感应加热) 饭堡、变频洗衣机等。 2 0 世纪9 0 年代后半期，家用电器依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比 如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、 安全可靠、静音、省电等优点。存在的不足之处，变频微波炉在具有上述优点的 同时，也存在了一些不足之处，由于电力电子装置中的相控整流和不可控二极管 整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了 严重的谐波干扰。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件 承受很大的冲击，给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰( e m l ) 。因此解决 电磁兼容问题方面要大大提高制造成本。 市场分析情况：2 0 0 2 年，日本微波炉需求量约为3 4 0 万台，其变频微波炉约 为1 6 0 万台，占约4 7 。欧洲变频微波炉的需求约为7 8 万。随着变频微波炉 的进一步发展，随着其独特非传统微波炉能比的优势逐渐为广大消费者所认识与 接受，变频微波炉的需求量会越来越大，成为挑战并可能取代传统微波炉的新军。 目前在中国国内，海尔、美的均在研究微波变频技术，并且都有相应的高端产品 上市，如海尔的变频转波炉以及美的变频紫微光微波炉，在市场上由于价格较高， 销量并不高，每月大概在2 0 0 0 - - 3 0 0 0 台左右。 1 2 2 国内外可变功率微波炉的研究 从2 0 世纪7 0 年代起，人们开始把可变功率技术应用到家电行业，到2 0 世纪 8 0 年代后半期，美、日、德、英等发达国家的w v f 变频器已投入市场并得到广泛 应用。通过近3 0 年的酝酿，到9 0 年代末，一种可变功率的微波炉( 就是目前常 称的变频微波炉) 终于在日本研制成功。搭载了变频技术的微波炉除了具有一般 变频家电所共有的节能、静音、快捷等特点外，还具有独特的优点：加热更均匀， 烹调口感好、重量更轻、安全可靠、长寿命，且能有效保全食物的营养成分。到 2 0 世纪末2 1 世纪初，上海松下公司将变频技术引入中国，由变频方式驱动磁控管 的微波炉开始上市，国国内市场才出现了首批变频微波炉。由此使微波炉的输出 功率能实现连续可调，微波炉原有的输出功率，也得到了明显得高。近年来，为 了更有效地发挥作为微波加热高速烹调的基本特点，各厂家一直进行着微波高输 出化的竞争悔1 。 可变功率微波炉研究主要以变频微波炉为主，目前变频微波炉技术主要掌握 电子科技大学硕士学位论文 在少数微波炉制造商，以日本松下、东芝等为代表。当然包括德国的博世西门子、 中国的海尔、美的微波炉都在进行变频微波炉的研制。由于它具有其独特的优点 如：加热更均匀，烹调口感好、重量更轻、安全可靠、长寿命，且能有效保全食 物的营养成分。它的发展已经逐渐世界微波炉的发展方向。2 1 世纪后的日本的微 波炉企业基本都是生产变频微波炉，而且集成了烧烤、红外感应、湿度感应、重 量感应、蒸汽等多项技术。 变频技术的发展方向： 1 ) 、交流变频向直流变频方向转化直流变频摒弃了交流变频技术的交流一直 流一变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流一直流一变转速方式直 流电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化 效率大大提高，能够实现精确控制，平衡、安静、高效地运转。同时，避免了交 流变频电机磁噪声较大的缺点，噪声减小阳1 。 2 ) 、控制技术由p w m ( 脉宽调制) 向p a m ( 脉幅调制) 方向发展采用p w m 控制方式的 电机转速受到上限转速的限制，而采用p a m 控制方式的电机转速可提高1 5 倍左右， 这样大大提高了快速反应能力。同时，由于p a m 在调整电压时具有对电流波形的整 形作用，因而可以获得比p w m 更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着p w m 无法 比拟的优越性，可抑制高效谐波的生成，减少对电网的污染口儿制。 3 ) 、功率器件向高集成智能功率模块发展虽然单个功率器件的效率越来越 高，控制简化，但电路的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块( i p m ) 是将 功率器件的装置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。 1 3 本论文的选题和主要研究内容 1 3 1 本论文的选题 随着微波炉在全世界范围内的日益普及，近年来微波炉制造企业相继扩大生 产，原材料市场价格的不断上涨，导致微波炉市场竞争越来越激烈，并且进入了 微利时代。自2 0 0 5 年下半年以来，继空调涨价后，各地微波炉价格纷纷上调1 0 左右。涨价诱因在于成本的急剧上升。过去挥举了多年的“价格屠刀一将不再是 主要竞争武器，而创新产品已经成为当前竞争的主要武器，差异性的新产品已经 成为企业利润的一个重要来源悖1 。 1 2 第一章绪论 本课题的研究目的在于通过分析比较同行同类普通微波炉与变频器微波炉的 相关信息，并通过控制微波炉内部的几组高压电容的转换来实现微波炉输出功率 的变化，对公司现有的产品进行优化设计，并把理论分析与实际测试相结合，完 成可变功率微波炉的评价。最终设计出一款成本较低、而且高附加值的可变功率 的产品，达到提升公司产品核心竞争力的效果。这种新型可变功率微波炉具有可 实现传统微波炉不可比拟的不同功率档位的连续微波输出；同时它比行业内使用 变频器的变频微波炉具有更好的e m c 电磁干挠的性能，而且价格比变频微波炉低 1 0 0 元左右的优势。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题的关键点是可变功率的实现方面，故主要从微波炉产品的高压匹配方面 以及控制系统如何控制可变功率方面进行研究： 1 理论研究方面： a 微波炉设计的基本要求； b 高压电容值变化对于微波炉性能的影响； c 高压电容值与磁控管阳极电流之间的关系； d 可变功率输出的原理以及定性分析。 2 可变功率微波炉的研制 a 微波炉高压匹配系统的研究分析； b 对可变功率进行研究，分析同行各种类似可变功率产品的优劣。 c 对选定功率的微波炉产品的变功率进行理论的计算并结合实验，进行重点 研究； d 研究出一款产品，各项性能指标符合现有常规微波炉产品安规要求，产品 的基本性能比目前现有产品优良；该产品在同行产品中成本较低，具有较 强产品竞争力与高附加值； 电子科技大学硕士学位论文 第二章微波炉设计的基本要求 本章通过对微波炉的工作原理的介绍以及微波炉的主要特点、功能和用途 的描述，引入了微波炉设计的基本要求。通过对普通微波炉基本结构的讲解，对 微波炉设计的要素进行较全面的介绍。最后对目前行业比较前沿的微波炉仿真技 术进行了介绍以及计算机仿真在微波炉炉腔设计上的应用。 2 1 微波炉的工作原理及简介 2 1 1 微波炉的加热原理 首先介绍微波。微波是一种无线电波；微波是一种一种高频率的电磁波，波 长在l m m 至1 m 之间，频率在3 0 0 k m h z 一3 0 0 m h z ，家用微波炉的微波频率为 2 4 5 0 m h z ( 相应波长为1 2 2 5 c m ) ，工业用微波炉的工作频率为9 1 5 m h z ( 相应波长为 3 2 8 c m ) 。微波具有反射、穿透、吸收等三种特性。1 ) 反射性：微波碰到金属会 被反射回来，故采用经特殊处理的钢板制成内壁，根据微波炉内壁所引起的反射 作用，使微波来回穿透食物，加强热效率。但炉内不得使用金属容器，否则会影 响加热时间，甚至引起炉内放电打火。2 ) 穿透性：微波对一般的陶瓷器、玻璃、 耐热塑胶、木器、竹器等具有穿透作用，故为微波烹调用的最佳器皿。3 ) 吸收性： 各类食物可吸收微波，致使食物内的分子经过震荡，磨擦而产生的热能。但其对 各种食物的渗透程度视其质与量的大小、厚薄因素而有所不同。 1 9 4 6 年，斯潘瑟还是美国雷声公司的研究员。一个偶然的机会，他发现微波 溶化了糖果。事实证明，微波辐射能引起食物内部的分子振动，从而产生热量。 1 9 4 7 年，第一台微波炉问世。 顾名思义，微波炉就是用微波来煮饭烧菜的。微波是一种电磁波。这种电磁 波的能量不仅比通常的无线电波大得多，而且还很有”个性”：微波碰到金属就发 生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝 缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而 会被吸收。 1 4 第二章微波炉设计的基本要求 微波炉正是利用微波的这些特性制作的。微波炉的外壳用不锈钢等金属材料 制成，可以阻挡微波从炉内逃出，以免影响人们的身体健康。装食物的容器则用 绝缘材料制成。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器， 它能产生每秒钟振动频率为2 4 5 亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食 物达5 c m 深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能， 于是食物”煮”熟了。这就是微波炉加热的原理。用普通炉灶煮食物时，热量总是从 食物外部逐渐进入食物内部的。而用微波炉烹饪，热量则是直接深入食物内部， 所以烹饪速度比其它炉灶快4 至1 0 倍，热效率高达8 0 以上。目前，其他各种炉 灶的热效率无法与它相比。 而微波炉由于烹饪的时间很短，能很好地保持食物中的维生素和天然风味。 比如，用微波炉煮青豌豆，几乎可以使维生素c 一点都不损失。另外，微波还可 以消毒杀菌。 使用微波炉时，应注意不要空“烧“ ，因为空“烧“ 时，微波的能量无法被吸 收，这样很容易损坏磁控管。另外，人体组织是含有大量水分的，一定要在磁控 管停止工作后，再打开炉门，提取食物。 2 1 2 微波炉的特点 微波炉具有以下主要特点： 1 ) 、烹饪速度快，节省时间 微波炉烹饪食物速度快，节省时间。据试验表明，微波炉烹饪比普通电灶烹 饪平均节省时间约6 0 ，比煤气灶烹饪平均节省时间约5 5 。 2 ) 、保持营养，食物的养分损失少 由于微波炉烹饪时间短，维生素c 、维生素b 的损失要比其他烹饪方法少得多， 且矿物质、氨基酸的存有率也比其他烹饪方法高得多。 3 ) 、解冻速度快 可在较短的时间里解冻食物，而不失食物的原有鲜味。 4 ) 、有一定的消毒杀菌作用 利用微波的致热( 干燥) 原理进行灭菌消毒，是目前较有效的手段之一。微 1 5 电子科技大学硕士学位论文 波灭菌消毒没有化学灭菌消毒附带的副作用，所用时间短，灭菌消毒效果好。 5 ) 、节能省电 微波炉加热时间短，使食物内外同时受热，不需通过装食物的器皿进行热传 导，也就减少了中间环节的热损耗。据试验，用微波炉烹饪平均可节电5 5 - - 7 7 。 6 ) 、无油烟 相对于煤炉、煤气灶而言，微波炉工作时不会产生附带的烟尘和未完全燃烧 的有害气体；另外，微波炉烹饪时对油脂类物质的加热温度比传统烹饪方法中炒、 煎、炸等的加热温度低，油脂挥发很少，可以保持厨房的清洁卫生，对于住房紧 张的国内消费者来说，即使将微波炉安放在卧室或客厅内也无妨。但烹饪时应合 理地控制加热时间，防止食物加热过度，形成碳化而排出烟尘。对于多功能组合 型( 带烧烤) 的微波炉，由于自身带有传统的“烧烤“ 功能，不能保证烹饪