磁控管預(yù)熱時(shí)間對(duì)微波爐能效影響的研究

康新蕾

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 四川 成都 610054）

1 引言

隨著世界節(jié)能意識(shí)，環(huán)保意識(shí)，資源意識(shí)的增強(qiáng)，我國(guó)對(duì)家電行業(yè)出臺(tái)了一系列的規(guī)范性文件。為促進(jìn)微波爐行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方針和等同IEC標(biāo)準(zhǔn)原則，制定了GB 24849-2010——《家用和類(lèi)似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》。此標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布并于2010年12月1日實(shí)施。

微波爐能效等級(jí)分為1、2、3、4、5級(jí)[1]，其中1級(jí)產(chǎn)品最為節(jié)能，效率值需達(dá)到62%以上，2級(jí)為60%，相鄰能效等級(jí)相差2%。能效標(biāo)識(shí)制度是政府推行的強(qiáng)制性節(jié)能措施，引導(dǎo)社會(huì)向“節(jié)能低碳，綠色發(fā)展”的方向發(fā)展。

微波爐能效等級(jí)的測(cè)試技術(shù)是根據(jù)GB[2]附錄A進(jìn)行測(cè)試的，研讀過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些值得商榷的問(wèn)題——磁控管預(yù)熱時(shí)間、溫度等對(duì)微波爐能效等級(jí)評(píng)定的影響。本文主要針對(duì)磁控管燈絲預(yù)熱時(shí)間對(duì)效率的影響進(jìn)行討論。

2 微波爐磁控管工作原理

磁控管由陰極（燈絲）、陽(yáng)極、耦合環(huán)、環(huán)形磁鋼以及能量輸出機(jī)構(gòu)（天線(xiàn)）等組成。陰極和陽(yáng)極組成同軸圓柱結(jié)構(gòu)形式，陰極處在中心，它發(fā)射電子流，陽(yáng)極則環(huán)繞陰極，陽(yáng)極是由許多小諧振腔構(gòu)成的諧振系統(tǒng)[3]。微波爐磁控管燈絲一般工作電壓為交流3.3V，電流10A左右，陽(yáng)極對(duì)陰極電壓為直流4000V左右，磁控管通電時(shí)，燈絲被加熱，同時(shí)在燈絲與陽(yáng)極間形成高壓電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，燈絲向陽(yáng)極發(fā)射電子，陽(yáng)極接收到電子而產(chǎn)生陽(yáng)極電流。電子在到達(dá)每個(gè)陽(yáng)極諧振腔時(shí)按照其諧振頻率振蕩，同時(shí)，因?yàn)榄h(huán)形磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)垂直于高壓電場(chǎng)方向，在該磁場(chǎng)的作用下，電子沿?zé)艚z與陽(yáng)極間的圓周空間作擺輪曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)積聚能量的旋轉(zhuǎn)電子云，向陽(yáng)極不斷輸送能量，在陽(yáng)極上就可以獲得穩(wěn)定的2.45GHz的微波振蕩能量。

2.1 GB中測(cè)試技術(shù)計(jì)算公式

微波爐輸出功率測(cè)量和微波爐效率是根據(jù)GB附錄A給出的公式：

進(jìn)行計(jì)算，并且（1）式中要除去磁控管燈絲預(yù)加熱時(shí)間。

但標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有提及磁控管燈絲預(yù)熱時(shí)間為多少及如何去測(cè)定[4]，而通常認(rèn)為預(yù)熱時(shí)間是3s，但是在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)并非如此。（圖1a為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖，圖1b為實(shí)物圖。）

2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

經(jīng)由精密凈化交流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓，調(diào)壓變壓器調(diào)壓，使微波爐工作電壓在220V(1±1%) 范圍內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，微波爐輸入電壓、電流、功率、能量可在電參數(shù)測(cè)量?jī)x讀取，并由LabView程序?qū)訜釙r(shí)間和實(shí)時(shí)功率進(jìn)行讀取并保存數(shù)據(jù)。本文之所以用電參數(shù)測(cè)量?jī)x采集數(shù)據(jù)，是為了與廠家給出的額定輸入功率與實(shí)際輸入功率做比較。表1是試驗(yàn)用的幾款微波爐，額定電壓、頻率均為220V~50Hz。

表2

2.3 采取數(shù)據(jù)

本文以開(kāi)啟微波爐到達(dá)到穩(wěn)定工作輸入功率時(shí)的時(shí)間為△t，單位s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

可見(jiàn)，只除去磁控管預(yù)熱時(shí)間（通常認(rèn)為3s）對(duì)微波爐能效等級(jí)評(píng)定會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，圖2a是三款微波爐加熱60s，時(shí)間和輸入功率的關(guān)系圖，圖2b是微波爐A加熱時(shí)間與功率曲線(xiàn)。

由圖可以看出，微波爐從開(kāi)啟至達(dá)到穩(wěn)定功率這段時(shí)間要大于3s，而且功率也并非是突然間增大到穩(wěn)定功率，這是由于燈絲加熱不足，引起電子發(fā)射不足造成的。在前(2-3)s，輸入功率基本不變，接近零，是控制電路板與磁控管燈絲預(yù)熱共同作用下導(dǎo)致的，在能效測(cè)試中這兩個(gè)時(shí)間又是無(wú)法區(qū)分開(kāi)來(lái)的。功率開(kāi)始上升到達(dá)到穩(wěn)定功率這段時(shí)間也需要3s左右的時(shí)間，可見(jiàn)只去掉通常認(rèn)為的3s是不正確的。

國(guó)標(biāo)中未給出磁控管預(yù)熱時(shí)間的明確定義，這就使得我們?cè)谖⒉t能效測(cè)試技術(shù)中沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，除去3s和除去達(dá)到穩(wěn)定功率時(shí)的時(shí)間△t，顯然效率是不同的。由于輸入能量也未給出確切的定義，在能效測(cè)試中，是以廠家給出的額定功率為準(zhǔn)，還是以實(shí)際測(cè)試中的功率為準(zhǔn)計(jì)算，結(jié)果可以跨越能效等級(jí)，帶來(lái)誤差。本文建議利用實(shí)際輸入功率進(jìn)行計(jì)算，如圖2b陰影部分所示，即求功率對(duì)時(shí)間的積分，得到輸入能量Win。此次實(shí)驗(yàn)中，以實(shí)際輸入能量為準(zhǔn)計(jì)算，加熱時(shí)間減去3s所得效率為66%，減去5.48s所得效率為69%，其能效值相差3%，而實(shí)際吸收的能量比實(shí)際輸入能量所得效率為63%。

3 結(jié)論

在測(cè)試技術(shù)計(jì)算式（1）中，若t減去磁控管預(yù)熱時(shí)間，而輸入能量為實(shí)際輸入能量時(shí)，微波爐效率就被人為的提高了。由于磁控管預(yù)熱時(shí)間的變化及不確定，建議避免計(jì)算磁控管預(yù)熱時(shí)間，直接利用負(fù)載水和硼硅玻璃容器實(shí)際吸收的能量與實(shí)際輸入能量之比求得效率，即公式（3）：

其中，p為測(cè)得的實(shí)時(shí)功率（W），t為加熱時(shí)間(s)。

以上是本人在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，若有理解不正確的地方，請(qǐng)各專(zhuān)家批評(píng)指正。

[1][2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).家用和類(lèi)似用途微波爐能效等級(jí)限定值及能效等級(jí)[S].GB 24849-2010.06.30發(fā)布，2010.12.01

[3] 王文祥.微波工程技術(shù).成都：國(guó)防工業(yè)出版社，2009,4-1:384

[4] 張兆鏜.《家用和類(lèi)似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中存在的若干問(wèn)題及可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011,8.62-65