固态射频功率源在工业应用中相对于真空管的优势 FTF-SMI-N2000
议程 什么是射频和微波加热 使用射频和微波加热的工业应用 使用的频率 射频加热相对于传统加热方法的优势 固态射频 ( 晶体管 ) 相对于真空管的优势 恩智浦解决方案 1 1
工业射频加热 2
如何利用频率来加热材料 以 915 MHz 为例 交流电波在正极和负极之间每秒转换 915,000,000 次 每次微波转换极性时, 水偶极子剧烈运动 这种运动导致摩擦, 从而产生热量 + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + 3
两种类型的频率加热 射频电介质加热 通常是 6 至 41 MHz 微波加热 通常是 915 MHz 和 2.45 GHz 波导管 射频发生器 微波发生器 电极 炉腔 4
工业微波加热系统示例 5
应用 6
射频电介质加热和微波加热的工业应用 加热 + 消毒 / 杀菌 + 食品加工 干燥 + 湿度均匀 + 固化 焊接 + 加热密封 应用行业 : 塑料纺织农业食品加工化学 7
应用实例 传统应用 干燥纺织品 木材 沙 陶瓷 纸张上的涂料和油墨 木材上的饰面板 在烹饪之前干燥烘焙食料 达到湿度均衡 粘合木材和书本 干燥玻璃纤维 在制模之前预热热固塑料 食品消毒 / 杀菌 焊接 2 层 PVC 新兴应用 可再生能源 ( 例如提纯天然气 ) 生物燃料和生物材料 ( 例如藻类 ) 化学工业 动物和水产饲料 矿物加工 干燥金属铸造模具 医用 => 请参见 FTF 会议 FTF-MHW-N1999 多样应用 : 提高种子繁殖力农产品干燥盐干燥加速混凝土固化玻璃纤维上的浸润剂干燥树脂粘接研磨轮的固化药用粉末和药丸干燥凝胶干燥水基胶粘剂干燥合成纤维干燥砂芯干燥层压柔性聚碳酸酯板汽车 PVC 内饰焊接相机包焊接将金属侧面插入眼镜框土豆片干燥火腿 蜂蜜 软饮料的杀菌牛奶杀菌改良面粉面食干燥消灭寄生虫饼干和早餐谷类食品的后期烘焙调料包干燥咖啡烘焙 地毯和地毯背衬干燥纺织品干燥尼龙绳热定型方块地毯印花烟草干燥羊毛包加热染料固色纺织品的射频热转印皮革干燥纺织品粘合木材和木板干燥纤维板制造包装箱纸板上的粘合剂干燥纸张除湿火柴盒刮擦边缘干燥水基印刷油墨干燥橡胶预热 PVC 板的固化和预热救生衣和救生筏的制造热固塑料的预热 PVC 的焊接和压花混凝土开裂沥青路修补 8 资料来源 : 工业中的射频电介质加热, 美国电力研究所 (EPRI), 1987 年 3 月
哪些频率 9
材料特性 每种材料产生热量的能力通过其电介质损耗系数来定义 这是利用射频对材料进行加热难易程度的衡量指标 聚四氟乙烯等材料不易加热 ( 损耗系数低 ) 木材 橡胶 乙烯基 塑料 纺织品的加热特性良好 含水的材料可快速加热 对于低损耗系数材料, 应该使用较高的频率 产品中产生的热量取决于以下因素 : 功率 产品的尺寸 材料的电介质损耗系数 频率 材料 损耗系数 水 12 饲料玉米 0.875 酚醛树脂 0.320 干木材 0.150 纸张 0.057 硅砂 0.020 硅石 玻璃 0.002 聚四氟乙烯 0.001 每种材料都有一个适合加热的特定理想频率 10 资料来源 : 新鲜食品处理 : 对流变学特性和功能特性的影响由 Jasim Ahmed Hosahalli S. Ramaswamy Stefan Kasapis Joyce I. Boye 编辑
ISM 频率 工业 科学和医疗 (ISM) 频段是国际上专为除电信之外的工业 科学和医疗用途的射频能量使用保留的频段 未经授权许可的无线电操作通常被允许使用这些频段 不需要政府许可 最常用频段 ISM 频段地区波长类型 6.78 MHz* (6.78 MHz ±15kHz) 视国家 / 地区而定 44 米 /48 码 13.56 MHz (13.56 MHz ±15kHz) 全球 22 米 /24 码 27 MHz (27.12 MHz ±163 khz) 全球 11 米 /12 码 41 MHz (40.68 MHz ±20 khz) 全球 7 米 /8 码 434 MHz* (433.92 MHz ±870 khz) 欧洲 中东和非洲地区 69 厘米 /2.25 英尺 915 MHz (902-928 MHz) 美洲 33 厘米 /1 英尺 2.45 GHz (2400-2500 MHz) 全球 12 厘米 /4.8 英寸 5.8 GHz 24 GHz 61 GHz* 122 GHz* 245 GHz* 2-0.05 英寸 射频加热 ( 也称为电介质加热 ) 微波加热 11 *: 需要特别授权的频段
射频加热相对于 其他加热技术的优势 12
射频加热相对于传统加热的优势 1. 由于热量在内部产生, 射频加热可以缩短加热时间 ( 速度加快 2-20 倍 ) 2. 缩短在高热下的暴露时间, 从而减少材料损坏 ( 特别是在食品处理中, 射频不会降低食品的营养质量 ); 均匀的加热 / 干燥可以消除表面开裂的风险 ( 水首先变热, 从而让湿度变得均匀 ) 3. 射频不会对周边空气加热, 从而简化了传热系统 ; 这样可将分批操作变成连续的流程, 并且减少占用的地面空间 ( 传统加热炉尺寸的 1/5 至 1/8) 4. 温度和湿度传感器实现了对加热能源的更高可控制性 上述几点优势可以降低维护成本, 节省能源 例如 : 将棉花从 55% 的湿度干燥至 9% 的湿度 : 电介质加热需要的能量比新鲜空气干燥少 57%, 比加压空气干燥少 23% 13
固态的优势 14
晶体管相对于真空管的优势 总结 1. 精确控制 2. 简单易用 3. 可靠性 4. 尺寸和重量 15
提供的功率 Delivered Power 提供的功率 1. 精确控制 在整个动态范围内实现精确的功率控制 100% 90% 100% 示例 : 仅需 30% 的功率 80% 70% 80% 60% 50% 60% 40% 30% 40% 20% 10% 20% 0% 0% 50% 100% Required Power Magnetron Solid State 需要的功率 0% 5ms 时间 低成本磁控管只能打开或关闭 高端磁控管 : 只能控制超过最大值 60% 的输出功率 使用晶体管, 通过控制射频输入 栅极和漏极电压或通过射频脉冲, 可将功率设定为低于 1% 到 100% 的任何水平 磁控管平均输出功率通过开 / 关工作周期管理 低功率下的低效率 ( 开 / 关时间 = 5 ms) 磁控管固态 16
1. 精确控制 频率灵活性实现更好的能量传输 : - 在加热之前调节以适应负载 - 动态频率扫描以重新分布热点和冷点 2400 MHz 2420 MHz 2440 MHz 2460 MHz 2480 MHz 2500 MHz 17 波导管馈入非谐振矩形腔体的电磁仿真
2. 简单易用 快速响应功率需求变化 ( 通过功率控制或频移 ) 瞬间启动 : 没有预热或冷却延迟 使用可靠 紧凑 高效的切换模式电源 低压电源实现更出色安全性 : 915 MHz:50 V 和 20,000 V 2.45 GHz:32 V 和 4,000-6,000 V 轻松集成和模块化 没有复杂的电机控制和序列 对振动不敏感 18
3. 可靠性 晶体管确保射频加热系统始终处于工作状态, 从而显著减少生产停机时间 高端 915 MHz 磁控管的生命周期为 2000-6000 小时 ( 如果全天 24 小时工作, 则为 80 天 8 个月 ) 高端 2.45 GHz 磁控管的生命周期为 600-2000 小时 (25 天 3 个月 ) 磁控管很难进行故障排除和维护, 需要中断生产线几小时或几天 晶体管生命周期 (MTTF) 为 100 年 晶体管不会随着时间推移出现性能下降 晶体管具有抗故障能力 冗余支持热插拨, 而只对工作产生很小的影响 ( 系统将继续在降低的功率下运行 ) 19
4. 尺寸和重量 915 MHz 晶体管射频发生器的尺寸和重量仅为磁控管发生器的一半 示例 : 恩智浦 3 级参考设计托盘 : 2 x 3 (5 x 7.6 cm) 20
晶体管相对于真空管的优势 ( 重申 ) 1. 精确控制 2. 简单易用 3. 可靠性 4. 尺寸和重量 21
恩智浦工业射频加热 解决方案 22
面向 ISM 应用的恩智浦射频功率产品组合 概述 1500 W 50 V 350 W 50 V 300 W 32 V 1 500 915 1300 2450 MHz 23
针对每个频段的最高输出功率晶体管 1-500 MHz MRF1K50H 1500 W 80% 的效率 915 MHz MRF8VP13350N 350 W 67% 的效率 2.45 GHz MRF24300N 300 W 60% 的效率 24
可用参考电路 ISM 频段 13 MHz 参考电路晶体管 Pout (W) Eff (%) 增益 (db) MRFE6VP61K25H 1350 75 23.5 MRFE6VP6300H 300 80 36 27 MHz MRFE6VP61K25H 1200 81 27 MRFE6VP61K25H 1300 85 26 40 MHz MRFE6VP6300H 350 85 23 MRFE6VP5150N 180 82 25 915 MHz MRF8VP13350N 350 55 21 MRF24300N 300 60 15 2.45 GHz MRF7S24250N 250 55 15 MRF7S24250N 3 级 250 51 以上 44 即将推出 :MRF1K50H 25
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