大功率微波加热体系热性能数值仿真及智能控制概述

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1、大功率微波加热体系热性能数值仿真及智能控制概述第一章绪论1.1微波与微波加热的特点把电磁波按频率来划分，则可以大致把频率位于300MHz-3000GHz这一频段的电磁波称为微波⑴，如图1.1所示，它处于超短波和红外光波之问。为了不干扰通信，ITU划分给工业、医疗和科研的频率有433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz。目前国内用于工业加热的频段是915±50Hz和2450±50Hz，其对应的波长为32.79cm和12.26cm。微波产生的

2、机制是电磁振荡，正是由于电不断转换为磁，而磁又不断转化为电，才发生能量的交换与储存。当包含一定频率条件时，就能确保电磁的有效转换。如图1.2所示。它深刻揭示了电（或磁）场任一空间的变化将会转化为磁（或电）场时间的变化；相应的反过来，电（或磁）场的时间变化也将会转化为磁（或电）.场的空间变化。正是这种空间和时间的相互变化构成了波动的外在形式（即在某一空间出现过的事物，过了一段时间又在另一空间出现了）。微波加热系统对物料加热时，物料吸收微波的量远大于微波加热区系统部件对微波的吸收，因而物料升温远大于系统

3、部件，与常规加热相比显然是节能的；微波加热仅需电源预热时间而不需要对加热工作状态的预热，微波能量输出后加热具有即时性而且工作过程中不需维持加热系统部件散热的损耗；同时微波加热的快速和高的热转化率效缩短了物料温升时间，也体现为节能效果。1.2大功率微波加热系统微波加热系统是将电能转变为微波能，被加热物料吸收微波转化为热能的过程。微波加热简要概括为市电通过微波发生装置产生的微波电磁场与被加热物质的分子在加热腔体内产生作用，被加热物质吸收微波能转换为自身热能的过程，微波加热系统由两大部分组成：微波发生、传

4、输、控制部分和微波能加热器部分。加热器也称为应用器（Applicator)[5]，图1.3示出了加热体系的组成。在微波发生器单元中，磁控管是微波的发生装置。磁控管采取风冷或水冷系统；磁控管电源单元及部件集中监控（温度和阴极电源）。微波产生系统由磁控管和微波电源组成用来产生微波能，在波导管中親合激励并传输到微波应用腔里。其详细的工作原理和功率控制见第三章所述。220V的交流市电经过高低压变压、倍压整流、稳压滤波后得到磁控管工作所需的直流高压以及灯丝工作所需的交流电压，磁控管的谐振腔内进行高频电磁场振荡

5、而产生2.45GHz微波；微波的高频特性意味着在普通金属线上传输向周围空间福射其能量而使波动传输很快衰减。此外，微波频段工作波长与其电路尺寸可比拟或更小，其相位滞后现象不能忽略。所以必须采用不同于普通导线的圆形或矩形截面管来传输微波。波导管就是用来完成微波传送、相互连接、耦合以及改向等传输任务，最终将微波能量馈送到加热腔内形成高频微波电磁场。另一种微波传输器件是环行器，常用于连接微波源和谐振腔，当谐振腔中因物料不能全部吸收微波功率时，部分反射微波通过不可逆的环行器进入终端负载（水负载），以避免多余的

6、微波功率反射回微波源而损坏磁控管。波导的激励与耦合装置的作用分别为在波导中建立所需电磁场模式，和从波导中取出所需要的某模式的能量。常用的矩形波导屮的激励装置有棒、环及孔激励装置；谐振腔，即微波能应用器（加热腔体）是完成微波与物料能量转化的场所，也是加热系统的关键部件。微波加热就是通过被加热物质中存在的极性分子受电场力和磁场力的作用在加热腔体内发生分子偶极化和离子迁移而相互转向从而产生热量，实现了在物质内部（吸收微波的物质）完成微波能和热能的转化。..第二章微波加热系统模型及性能综述2.1微波的传输、

7、吸收及模型微波加热不同于传统加热过程，它与被加热物料的特性、腔体、馈能等许多因素有关，因此建立微波加热模型，仿真加热过程具有重要意义。在微波加热应用中，一方面，物质的电磁特性、热特性和化学特性不仅是随时间而变化的，而且这些变化相互耦合在一起。另一方面，物质的电磁特性、热特性和化学特性不仅是随空间而变化的，而且这些变化也相互耦合在一起。仅考虑物体升温因素，耦合方程就非常复染。因此，分析微波典型应用的传输线电压电流方程、广义传输线的电压电流方程、规则波导导波模型及其求解，详细探讨了几个典型的微波加热模型

8、及计算方法。通过对上述模型及性能的分析，进而探索微波加热系统的热性能数值模拟及由微波加热典型现象引起的过程参数扰动进行控制。不论是什么横截面积的微波谐振腔，它们都可以归纳为理想微波谐振腔，其主要特点是四周封闭，与外界不存在能量交换，但是，实际微波谐振腔必须要与外界进行能量交换。当外部电磁波激励源进入谐振腔内后只能以离散的模式形式存在，激励源的频率和谐振频率相等；其次，若在不考虑谐振腔的激励和耦合装置对理想谐振腔的场分布的影响时，可认为实际有耗的谐振腔谐振时其内部的场分