Современные системы автоматического управления электротехническими и урбанизированными установками

В современном мире широко используются различные бытовые приборы, и без них мы уже не можем представить себе жизнь: утюги, духовки, холодильники, телевизоры, магнитофоны, различные проигрыватели, и т. д.

В настоящее время широкое распространение в быту получили микроволновые печи.

Теория микроволновой техники была известна уже в 1930 году, но экономически не целесообразно было изготовление микроволновой техники для использования в быту, они изучались и использовались только в лабораториях. Однако уже в 70-х годах XX века на прилавках магазинов появились первые микроволновые печи для бытового использования, и покупатели быстро оценили их плюсы: экономичность, уменьшение времени на приготовление пищи или её разогрев, при этом по современным данным в приготовленных в микроволновой печи продуктах остается больше витаминов, чем при использовании электроплиты.

Первые микроволновки в основном предназначались для разогрева и размораживания продуктов. Приготовление продуктов питания носило отдаленный характер, так как пища, приготовленная в микроволновке, несколько отличается от традиционной. Но современные микроволновые печи имеют различные грили – верхний, и нижний, конвекторы, что позволяет приготовить продукты ничем не отличающиеся от тех, к котором мы привыкли, т. е. теперь есть и хрустящая корочка, и вкусовой запах и т. д.

4.1. Структура микроволновой печи

В настоящее время количество моделей микроволновых печей измеряется сотнями, и постоянно появляются новые.

Перед рассмотрением типовой конструкции микроволновой печи предварительно заметим, что, несмотря на кажущееся многообразие микроволновых печей, их внутреннее строение практически одинаково. В некоторые печи введены дополнительные элементы (гриль, конвектор и т. д.), однако это никак не отражается на тех элементах, которые обеспечивают микроволновый нагрев. Напрашивается сравнение из области физиологии. Страус внешне мало похож на воробья, однако оба состоят из органов, которые одинаковы и по названию, и по функциональному назначению, и по принципу действия.

4.2. Конструкция микроволновой печи

Типовая конструкция микроволновой печи состоит из:

1) Блока приготовления пищи.

Приготовление пищи происходит в металлической камере 1 снабженной дверцей 2 для защиты от излучения (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Внешний вид микроволновки (а), соединение камеры микроволновой печи с волноводом и магнетроном (б).

Для обеспечения равномерного нагрева пищи служит вращающийся столик 3, который приводится в движение микродвигателем, находящимся под камерой. Иногда вместо вращающегося столика с той же целью используется диссектор 4 – металлическая деталь, по внешнему виду напоминающая пропеллер, который располагается в верхней части камеры и прикрывается диэлектрическим окном из радиопрозрачного материала. Микроволновая энергия поступает в камеру от магнетрона, как правило, через отрезок 5 прямоугольного волновода. Для охлаждения магнетрона в процессе работы предназначен вентилятор. Теплый воздух от магнетрона через воздуховод направляется в камеру, обеспечивая дополнительный подогрев пищи, и затем вместе с образующимся паром выводится наружу через специальные неизлучающие отверстия.

2) Высоковольтный блок питания магнетронаМ (рис. 4.2) состоит из трансформатора ТР, конденсатора С и высоковольтных диодов V1, V2.

Часто имеется также фьюз-диод, назначение которого – обеспечить защиту микроволновки от перепадов напряжения в сети. Чтобы не допустить работу микроволновой печи с неплотно закрытой дверцей, используются блокировочные микропереключатели. В зависимости от типа микроволновой печи их насчитывается от 2 до 5 штук. Освещение в камере осуществляется лампой накаливания, обычно располагаемой внутри воздуховода. Режим работы печи задается с помощью блока управления – блока регулировки мощности. Последний может быть выполнен либо в виде электромеханического таймера, либо в виде электронного блока, как правило, на основе микроконтроллера. Для предотвращения наводок от работающей микроволновой печи во внешнюю сеть используется сетевой фильтр, на котором размещены также один или два предохранителя. Чтобы исключить выход печи из строя из-за перегрева, многие из них имеют термореле, которые обычно располагаются на магнетроне и на камере с внешней стороны.

Рисунок 4.2 – Принципиальная электрическая схема высоковольтного блока питания магнетрона

3) Камера микроволновой печи.

Основная проблема, возникающая в камере микроволновой печи, – это неравномерность нагрева продукта. Причина заключается в том, что камера, по сути, представляет собой резонатор, колебания в котором происходят в виде стоячих волн. Особенностью стоячих волн является наличие пространственных максимумов и минимумов электрического поля. Для равномерного нагрева желательно иметь как можно больше видов частот вблизи рабочей частоты. Достичь этого при фиксированной частоте излучения генератора можно несколькими путями. Один из них – увеличение размеров камеры. В этом случае основная волна и все последующие смещаются в периферийную область, там низкие частоты, а в рабочей зоне, вследствие отражения от стен, наложения друг на друга в смешанном виде окажутся более плотно расположенные высокочастотные волны. Загрузка камеры приводит примерно к такому же результату, что и увеличение ее размеров. Это объясняется тем, что продукты питания, примерно на 80 % состоящие из воды, имеют большую диэлектрическую проницаемость. А при заполнении резонатора диэлектриком с ?>1 его резонансные частоты смещаются в область более низких значений. При загрузке камеры снижается также и ее добротность, что в свою очередь приводит к расширению полосы рабочих частот и, как следствие, к увеличению количества рабочих видов колебаний. Это обеспечивает более равномерное распределение энергии.

Как правило, большое количество разных значений частотных колебаний еще не свидетельствует о равномерном нагреве, некоторые частоты либо плохо возбуждаются, либо не возбуждаются совсем. Суммарное электрическое поле, образованное суперпозицией всех частот колебаний, может быть очень сложным, но в любом случае из-за чередования направленности, оно будет содержать максимумы и нулевые точки. Хотя некоторое выравнивание температуры и происходит за счет конвекции и теплопроводности, однако этого явно недостаточно для нормального приготовления продуктов.

Исправить положение можно, если имеющиеся виды колебаний или хотя бы часть из них включать поочередно. Добавление или, наоборот, изъятие любого вида колебаний приводит к изменению общей структуры электрического поля. То же самое происходит, когда меняется соотношение амплитуд различных частот. Участки с максимальной и минимальной амплитудой смещаются в пространстве камеры и могут меняться местами. В результате каждый участок продукта в процессе приготовления пищи поочередно подвержен влиянию полей различной конфигурации и интенсивности. При большом количестве комбинаций частот нагрев в рабочей области камеры может быть достаточно равномерным. Исключение составляют участки вблизи ребер и в углах камеры, где поле даже теоретически не может быть велико. Таким образом, даже относительно небольшое число видов колебаний при их правильном возбуждении могут обеспечить требуемую равномерность нагрева продукта. Существует много различных устройств, реализующих селекцию видов колебаний во времени. Наибольшее распространение получили диссектор и вращающийся столик.

4.3. Диссектор

Ниже изображен диссектор, предназначением которого является «смешивание» различных частот в камере микроволновой печи. Он представляет собой несколько металлических лопастей (рис. 4.3.) различной конфигурации, закрепленных на общей оси, которые расположены в непосредственной близости от ввода СВЧ энергии.