磁控管電源系統(tǒng)研究與設(shè)計

才 琳，孫耀杰，高 騫，周廣林

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

傳統(tǒng)方式給食物加熱的原理是相同的，都是燃料燃燒或電熱絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱量通過加熱灶具炊具、后再加熱食物，同時還不可避免地向外界散失較多的熱量。但微波爐對食物的加熱原理完全不同于其它的灶具，它不是靠熱傳遞，而是靠食物本身的有極分子的振蕩產(chǎn)生熱量[1]。

傳統(tǒng)的微波爐核心部件磁控管的電源主要由普通升壓變壓器提供，體積大、重量重，致使微波爐產(chǎn)品整體重量分布不均。而且傳統(tǒng)微波爐它只能提供單一功率的電源，也就是說傳統(tǒng)微波爐只能提供單一的加熱功率。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，烹調(diào)速度、烹調(diào)科學(xué)火力、營養(yǎng)保存等已成為人們?nèi)找骊P(guān)心的熱門話題，而變頻微波爐由于它的功率可以調(diào)節(jié)而正好能滿足人們這方面的需求[2]。

1 微波爐磁控管的工作特征

磁控管是一種諧振型正交場振蕩器，是微波技術(shù)中的一種高功率微波源。其電源系統(tǒng)如圖1所示。

磁控管發(fā)射微波時陰極需得到3.3 V的燈絲電壓，陽極相對陰極具備4 000 V高壓而形成強電場。這樣陰極得到燈絲電壓向外發(fā)射電子。在電場作用下，電子從陰極飛向陽極。由于在磁控管中還存在磁場，其方向與電場方向垂直，因此電子在磁場和電場共同作用下延螺旋軌跡作輪擺式運動。同時，在諧振腔的陽極附近還存在高頻電場，在高頻電場作用下，電子繞陰極軸心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度與高頻電場同步時，電子的能量交給高頻電場，維持高頻振蕩。這些高頻能量以微波的形式輸出，用于各種工業(yè)用途[3]。現(xiàn)階段微波磁控管電源多采用普通的工頻電源，經(jīng)變壓器升壓、整流和簡單濾波得到直流高壓，這種方法體積大、效率低、紋波大，電感和電容工作在高壓狀態(tài)，價格比較高[3]。

圖1 磁控管電源系統(tǒng)Fig.1 Diagram of magnetron power system

2 變頻電源的結(jié)構(gòu)和原理

從結(jié)構(gòu)上看，變頻電源可分為直接變頻和間接變頻兩大類。直接變頻又稱為交—交變頻，是一種將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環(huán)節(jié)的變頻形式。間接變頻又稱為交—直—交變頻，是將工頻交流電先經(jīng)過整流器成直流電，再通過逆變器將直流電變換成頻率可變的交流電的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻方式。交—交變頻一般使用的開關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動過零并變負(fù)的特點，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流器件，方法簡單，運行可靠。但是這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1/2。交—直—交變頻是目前變頻電源的主要形式。其結(jié)構(gòu)有3種形式，如圖2所示。

圖2 交－直－交變頻電源結(jié)構(gòu)圖Fig.2 AC－DC－AC inverter power structure

1）可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻方式。如圖2（a）所示：其調(diào)壓與調(diào)頻功能分別在兩個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)，由控制電路協(xié)調(diào)配合，所以結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。由于裝置輸入環(huán)節(jié)采用可控整流，當(dāng)?shù)皖l低壓運行時，移相觸發(fā)角很大，致使輸入功率因數(shù)低下，此外逆變器多用晶閘管型2階梯波，每周換流2次的逆變器，器件開關(guān)頻率低輸出諧波成分大，當(dāng)然，可控器件如IGBT的出現(xiàn)使得PWM控制成為可能，可以大大的改善其工作性能，但成本較高。

2）不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻方式。如圖2（b）所示：由于采用二極管整流，使輸入功率因數(shù)提高。由于輸出逆變環(huán)節(jié)功率器件采用晶閘管，仍有輸出諧波成分大的弊病。

3）不可整流器整流、脈寬調(diào)制型（PWM）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻方式。如圖2（c）所示。此時除裝置輸入功率因數(shù)高，又因采用高開關(guān)頻率的逆變器，輸出諧波很小，性能優(yōu)良。本文所述的變頻電源采用這種方案。采用二極管不可控整流，以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù)，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓，為逆變器提供直流電壓，再經(jīng)過逆變器，輸出可變幅值可變頻率的信號。

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)形式很多，按PWM方式來分有以下4種:

1）反激式變換器

反激式變換器效率高，線路簡單，能提供多路輸出，所以得到廣泛應(yīng)用。但在輸出電壓中，有較大的波紋電壓。為了解決這一問題，只有加大輸出濾波電容和電感，但又增大了電源的體積。

2）正激式雙晶體管變換器

正激式雙晶體管變化器是在單管正激式的電路上再串聯(lián)一只三極管而組成的，這對于高壓大功率的開關(guān)電源來說更加安全可靠。缺點是電路較為復(fù)雜，所用元器件較多，如果假負(fù)載存在，效率將降低。

3）推挽式變換器

推挽式變換器相當(dāng)于兩個正激式變換器工作的形式。這類變換器的電路較為復(fù)雜，尤其變壓器的初級和次級都需要有兩個繞組，但是它的利用率高，效率高，輸出波紋電壓小，適合用于百瓦級至千瓦級的開關(guān)電路當(dāng)中。

4）全橋變換電路

全橋電路的優(yōu)點是輸出功率大。所有隔離型開關(guān)電路中，采用相同電壓和電流容量的開關(guān)器件時，全橋型電路可以達到最大的功率，因此該電路常用于中大功率的電源中，輸出功率一般為數(shù)百瓦至數(shù)十千瓦。

3 變頻電源的結(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計的是一種微波磁控管的電源系統(tǒng)，在國家電力日益緊張的情況下，必須提高其電能的使用效率。而開關(guān)電源以其低損耗、高效率的顯著優(yōu)點廣泛應(yīng)用于計算機設(shè)備、電子儀器、通訊設(shè)備中。因此，采用開關(guān)電源作為微波的功率源，通過控制主電路中開關(guān)管的開通與關(guān)斷，實現(xiàn)了電流波形轉(zhuǎn)換，獲得所需要的磁控管電流、電壓波形，以滿足需要。

工頻電源經(jīng)整流濾波轉(zhuǎn)換為直流電壓，轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)直流電壓的轉(zhuǎn)換操作產(chǎn)生大功率高頻交流電壓，磁控管驅(qū)動器將來自轉(zhuǎn)換裝置的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓供給磁控管；變頻器控制單元對轉(zhuǎn)換裝置進行控制。變頻電源將50 Hz的電源頻率任意地轉(zhuǎn)換成20 000～45 000 Hz的高頻率電源，供給微波能量產(chǎn)生電路，使微波爐的輸出功率隨著電源頻率的變化而改變，從而改變了以往微波爐利用占空比原理調(diào)節(jié)微波輸出功率的方式，主要結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 變頻電源的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of variable frequency power supply

其具體包括以下部分：

1）直流電源 工頻電源經(jīng)過二極管、電容構(gòu)成的直流電源整流，濾波后轉(zhuǎn)換為直流電壓；

2）轉(zhuǎn)換裝置其根據(jù)來自直流電源的直流電壓進行轉(zhuǎn)換操作，產(chǎn)生大功率交流電壓；

3）磁控管驅(qū)動器其將來自轉(zhuǎn)換裝置大功率交流電壓轉(zhuǎn)換為適于磁控管的大功率直流電壓并將裝換后的電壓輸出給磁控管；

4）變頻器控制單元 包括頻率發(fā)生器和變頻器驅(qū)動器，通過變頻器控制單元對轉(zhuǎn)換裝置進行控制。

其中變頻逆變技術(shù)的關(guān)鍵是變頻器與磁控管的匹配，通過研究與實驗相結(jié)合得出有關(guān)匹配的調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)變頻器輸入脈沖信號的占空比，根據(jù)實際需要達到連續(xù)調(diào)節(jié)微波爐輸出功率的目的；同時在正常運行時不斷監(jiān)控變頻器工作狀況，一旦發(fā)生異常，立刻采取措施。其基本原理是由變頻器的輸入是工頻電源（220 V/50 Hz），通過整流橋進行整流，獲得約300 V的直流電壓；在控制信號PWM的控制下，通過高頻變壓器升壓，獲得約2 000 V的交流高壓，再倍壓整流，就獲得提供給磁控管約4 000 V的直流高壓。

4 結(jié) 論

文中主要研究的是微波爐磁控管變頻電源，工頻電源（220 V/50 Hz）經(jīng)濾波器濾波后，進入電路系統(tǒng)，實現(xiàn)驅(qū)動磁控管、供給燈絲電壓等功能。將變頻技術(shù)應(yīng)用于微波爐磁控管電源系統(tǒng)中，通過改變頻率來控制不同的輸出功率，從而達到自由控制火力強弱的效果。

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