1. Принцип работы и испытание СВЧ-печи

Особенности сверхвысокочастотной энергии. СВЧ-энергия может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и в других бытовых устройствах, где необходима тепловая энергия. Широкое распространение СВЧ-энергия получила в технологии приготовления пищи. Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, т. е. направленное перемещение связанных электрических зарядов. Для веществ, в состав которых входит вода, главным видом поляризации является дипольная, вызванная несимметрией расположения атомов водорода относительно атомов кислорода.

Поляризация молекул со сверхвысокой частотой вызывает трение между ними с выделением теплоты, которая растет с увеличением частоты f и напряженности Е поля. Удельная тепловая энергия, выделяемая веществом (Вт/см³):

где w ‘ – диэлектрическая проницаемость.

При пересечении СВЧ-полем проводника возникает поверхностный эффект, состоящий в том, что движение носителей тока вытесняется к поверхности. Чем больше частота, тем больше проявляется действие поверхностного эффекта. Глубина проникновения тока в проводнике (см):

За глубину проникновения принимают глубину, на которой напряженность поля уменьшается в e раз (e – основание натуральных логарифмов) (табл. 1).

Таблица 1. Глубина проникновения поля частотой 2450 МГц в различные продукты при температуре 18–25 °С

Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество уменьшается с увеличением w ‘, tgv, f, а выделяемая тепловая энергия повышается. Следовательно, частота для СВЧ-приборов должна быть выбрана из компромиссных соображений (выбрана частота для СВЧприборов 2450 МГц). СВЧ-нагрев по сравнению с радиационными способами нагрева обладает следующими преимуществами:

1. При СВЧ-нагреве генерация теплоты происходит внутри самого нагревательного продукта. В СВЧ-приборах почти вся теплота идет на нагрев продуктов, а посуда нагревается незначительно в результате получения теплоты от горячего продукта.
2. Продолжительность тепловой обработки продуктов СВЧ-энергией значительно сокращается (табл. 2.)
3. За счет сокращения времени тепловой обработки СВЧ-энергией снижаются потери массы продуктов на 10–30 % при сохранении витаминов, органических и минеральных веществ, естественного цвета и вкусовых качеств.
4. При применении СВЧ-приборов в быту снижаются затраты электроэнергии на 50–70 % по сравнению с применением электроплит.
5. Простота уборки рабочей камеры после приготовления блюд обусловлена тем, что во время тепловой обработки продукты не подгорают.
6. После приготовления блюд меньше загрязненной посуды.

Таблица 2. Технологические процессы обработки продуктов и время тепловой обработки

При перечисленных преимуществах СВЧ-приборы не могут полностью заменить традиционные приборы для приготовления пищи. Это объясняется тем, что получаемые при приготовлении на СВЧприборах блюда не имеют традиционного вида, а сохраняют вид полуфабрикатов, который имеет продукт до тепловой обработки.

1.1. СВЧ-печи. Устройство и работа СВЧ-печи

СВЧ-печь – сложный аппарат, состоящий из нескольких электротехнических и электронных узлов.

Корпус. Корпус большинства СВЧ-печей выполняется в форме прямоугольного параллелепипеда. На лицевой стороне корпуса имеются органы управления и дверца рабочей камеры. Корпус выполняют из окрашенных эмалями листов. Съемные элементы облицовки крепят к каркасу печи, на облицовочных панелях предусмотрены жалюзи для прохода охлажденного воздуха. Некоторые СВЧ-печи в нижней части корпуса имеют выдвижной лоток с фильтром для очистки воздуха, подаваемого вентилятором на охлаждение СВЧ-генератора и вентиляцию рабочей камеры.

Рабочая камера. Пищевые продукты размещают в нижней части рабочей камеры, на специальном поддоне из диэлектрического материала. Благодаря такому размещению электромагнитные волны, генерируемые магнетроном, отражаются от стенок рабочей камеры и проникают в обрабатываемый продукт со всех сторон. Для обеспечения равномерного нагрева продукта, независимо от места его размещения в нижней части камеры, используют специальные устройства, которые располагают в рабочей камере. Такие как:

1. СВЧ-генератор – магнетрон, который возбуждает переменное электромагнитное поле СВЧ-частоты.
2. Диссектор (мешалка), который применяют для равномерного нагрева продукта в рабочей камере. Вместо диссектора можно использовать вращающийся столик.
3. Магнитный привод, который используют с целью герметизации рабочей камеры.

Дверца рабочей камеры. Должна удовлетворять ряду специфических требований, предъявляемых к ее размерам, направлению открытия, защите от утечек СВЧ-энергии из рабочей камеры, визуальному контролю за процессом тепловой обработки.

Рис. 1. Размещение магнетрона на верхней стенке рабочей камеры СВЧ-печи

Генератор СВЧ—энергии или магнетрон. Это прибор, в котором электрическая энергия постоянного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля СВЧ. Коэффициент полезного действия магнетрона составляет 55–60 %, срок службы – 1,5–2,5 тыс. ч., колебательная мощность – 0,4–1,2 кВт, частота – 2450 МГц.

Внешний вид магнетрона изображен на рис. 2. Излучение микроволновой энергии осуществляется от антенны 1, представляющей собой штенгель, на который плотно посажен металлический колпачок (штенгель – заваренная трубка, через которую в процессе производства магнетрона откачивается воздух). Антенна изолирована от корпуса 6 керамическим цилиндром 2. Внешний кожух магнетрона 3 совместно с фланцем 4 составляют магнитопровод, формирующий необходимое распределение магнитного поля, источником которого служат кольцевые магниты 5. Фланец используется также для крепления магнетрона к микроволновой печи. Радиатор 7 служит для более интенсивного охлаждения магнетрона во время работы. Коробка фильтра 8 содержит внутри себя индуктивные выводы, которые совместно с проходным конденсатором 9 образуют высокочастотный фильтр, снижающий проникновение СВЧ-излучения по выводам питания 10.

Рис. 2. Магнетрон

Надежность контакта между магнетроном и корпусом микроволновой печи обеспечивается кольцом из металлической сетки.

Пульт управления. Дверцу рабочей камеры и пульт управления размещают в соответствии с компоновкой печи и направлением открывания дверцы.

Пульт управления СВЧ-печью состоит из ручки управления реле времени (таймера) и кнопок включения и выключения печи. Реле времени имеет шкалу и поворотную ручку с меткой и стрелкой. Высокоавтоматизированные СВЧ-печи имеют сенсорное управление, микропроцессоры и микроЭВМ.

Конструктивно реле времени представляют собой механические, электромеханические и электронные устройства с контактной группой. Шкала таймера может быть размещена на передней панели или на поворотном диске. Кнопочный таймер состоит из двух рядов кнопок. Иногда на пульте управления печью устанавливают электронные часы, высвечивающие время, либо показывающие время до начала обработки. Иногда используют полуавтоматические устройства, обеспечивающие выдерживание режима тепловой обработки в зависимости от процесса.

1.2. Автоматические устройства

Для облегчения определения интервала тепловой обработки разрабатываются различные устройства для СВЧ-печи, учитывающие начальную температуру продукта, его массу и наименование изделия. Эти данные вводятся в логическое устройство печи. Существует много технических решений по способу контроля режима тепловой обработки.

Устройство, в котором измерение температуры осуществляется при отключении магнетрона (рис. 3), состоит из толкателя и штанги, на конце которой размещен датчик температуры. В процессе движения штанги с датчиком для измерения температуры продукта автоматически отключается СВЧ-генератор через специальный микровыключатель. Данные измерения вводятся через блок управления на реле времени, которое по достижении требуемой температуры продукта отключает СВЧ-генератор. Измеренная температура продукта высвечивается на специальном табло. Периодичность измерения температуры в процессе тепловой обработки задается оператором в зависимости от предполагаемой общей продолжительности процесса.

Рис. 3. Контроль температуры датчиком, вводимым в продукт через определенные интервалы времени

Инфракрасный датчик температуры (рис. 4) осуществляет измерение дистанционно. Перед началом тепловой обработки оператор задает конечную температуру продукта в блок управления. В процессе тепловой обработки температура продукта непрерывно измеряется инфракрасным датчиком и через усилитель выдается на блок управления, который по достижении заданной температуры отключает магнетрон. Недостатком устройства с инфракрасным датчиком температуры является его сложность и высокая стоимость, а также тот факт, что контролируется температура только поверхности продукта, а не во всем его объеме.

Рис. 4. Контроль температуры дистанционно инфракрасным датчиком

Контроль относительной влажности воздуха, выходящего из рабочей камеры (рис. 5), осуществляет датчик влажности, расположенный в выходном воздуховоде. Датчик контролирует относительную влажность, увеличивающуюся в процессе нагрева продукта вследствие выхода из него пара. При повышении относительной влажности до заданного значения сигнал от датчика через усилитель поступает на вход блока управления, который через блок коммутации отключает цепь питания магнетрона.

Устройство, регистрирующее изменение массы обрабатываемых продуктов в процессе тепловой обработки (рис. 6), состоит из регистратора массы, учитывающего ее изменение при тепловой обработке. При загрузке рабочей камеры печи регистратор массы выдает в блок сравнения начальную массу продукта. Оператор задает величину снижения массы (в %), соответствующую определенной готовности обрабатываемого продукта. По достижении заданной массы, т. е. величины потери массы от начальной, по сигналу блока сравнения происходит автоматическое отключение магнетрона через блок управления.

Рис. 5. Контроль влажности воздуха, выходящего из рабочей камеры

Рис. 6. Устройство, регистрирующее массу, которая изменяется в процессе тепловой обработки

Принцип действия СВЧ—печи представлен на рис. 7. СВЧпечь всегда состоит из следующих основных элементов:

• рабочая камера с дверцей и электродинамической системой, обеспечивающей требуемое распределение СВЧ-энергии в объеме камеры;
• источник питания, обеспечивающий преобразование сетевого напряжения в необходимый для работы СВЧ-генератора вид;
• СВЧ-генератор-магнетрон, преобразующий энергию постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ;
• система воздушного охлаждения магнетрона и вентиляции рабочей камеры;
• устройства управления и автоматики, обеспечивающие последовательность включения печи, ее работу и защиту отдельных элементов.

Рис. 7. Блок-схема СВЧ-печи, включающая основные системы и устройства, обеспечивающие ее работу

Последовательность включения СВЧ-печи и отдельных ее элементов приведена на блок-схеме (рис. 7). Печь подключается к сети (U = 220 B) через вилку каждый раз перед началом работы. В работу печь включается обычно кнопкой: через цепи управления начинают работать накальный трансформатор, обеспечивающий разогрев катода магнетрона, вентилятор охлаждения магнетрона, а также диссектор или вращающийся столик.

После загрузки рабочей камеры продуктом на реле времени задается продолжительность тепловой обработки и автоматически либо через кнопочный выключатель подается напряжение в анодный трансформатор – начинает работать СВЧ-генератор.

По истечении заданного срока тепловой обработки реле времени отключает магнетрон. Блок автоматически обеспечивает отключение магнетрона при открывании дверцы рабочей камеры и перегреве СВЧ-генератора.

Принципиальная электрическая схема печи с основными элементами, обеспечивающими работу магнетрона, рассмотрена на рис. 8. При включении печи в сеть ток подается в накальный трансформатор, через который разогревается катод магнетрона. После разогрева катода включается анодный трансформатор, подающий высокое напряжение на выпрямитель, а выпрямитель – в анодную цепь магнетрона. Магнетрон начинает генерировать СВЧ-энергию. Накальный трансформатор может иметь отпайку на обмотке для снижения напряжения в цепи накала катода после анодного трансформатора.

Рис. 8. Электрическая схема бытовой печи

2. Утечка электромагнитной энергии СВЧ-печи

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.

Внешний вид микроволной печи со снятым кожухом представлен на рис. 8. Принцип работы подробно изложен в предыдущей работе. Основную опасность представляет не утечка микроволнового излучения (СВЧ), которая случается весьма редко, а очень высокое напряжение, генерируемое в приборе. Поэтому все внутренние сервисные и ремонтные работы должны проводить специалисты. Трансформатор повышает стандартное напряжение 220–230 вольт в десять раз, и при этом напряжении ток подается на высоковольтный конденсатор, который сохраняет свой заряд, даже когда прибор выключен и его вилка вынута из розетки. Трансформатор и конденсатор запитывают магнетрон, преобразующий электроэнергию в электромагнитное излучение большой мощности.

Рис. 8. Внешний вид микроволновой печи со снятым кожухом

Хотя непосредственное воздействие микроволн может вызвать тепловое поражение тканей, риск при пользовании исправной микроволновой печью полностью отсутствует. Конструкцией печи предусмотрены жесткие меры для предотвращения выхода излучения наружу: имеются продублированные устройства блокировки источника микроволн при открывании дверцы печи, а сама дверца исключает выход микроволн за пределы полости. Как только печь выключается, излучение микроволн прекращается.

Рис. 9. Дверца микроволновой печи

Основная ее деталь – это металлический каркас 1, имеющий специально рассчитанный профиль. Для улучшения дизайна каркас помещен в декоративную пластиковую оболочку 2. С той же целью имеющиеся с внутренней стороны пазы прикрыты пластиковым вкладышем 3. Плексигласовое окно 4 предназначено для наблюдения за процессом приготовления.

Для фиксации дверцы в закрытом состоянии служат запоры 5 и пружина 6. При закрытии дверцы запоры нажимают кнопки блокировочных микропереключателей 7, разрешающих работу электрической схемы. При открытой или неплотно закрытой дверце, если кнопка хотя бы одного из микропереключателей оказывается не нажатой, электрическая цепь будет разомкнутой и микроволновая печь не включится. Рычаг 8 позволяет отжать запоры и открыть дверцу (механизм, соединяющий рычаг с кнопкой «ОТКРЫТЬ», на рисунке не показан).

Для обеспечения визуального наблюдения за процессом приготовления пищи в дверце микроволновой печи имеется окно 9, выполненное из тонкого, плотно перфорированного металлического листа, который, как правило, приваривается к каркасу дверцы. Размеры отверстий в окне не превышают 3 мм, что практически полностью исключает проникновение сквозь них микроволновой энергии. Между корпусом и дверцей микроволновой печи почти всегда имеются щели. Очень сложно обеспечить плотный контакт этих деталей по всему периметру в течение всего срока эксплуатации.

Если не принять соответствующих мер, микроволновое излучение будет проникать сквозь эти щели наружу, даже если их размер относительно невелик. Чтобы это исключить, в дверце имеется специальное устройство, именуемое СВЧ-дросселем. Конструктивно он выполнен в виде паза, проходящего по всему периметру контакта дверцы с корпусом (рис. 10). В разных микроволновых печах форма его профиля может несколько отличаться, но принцип действия всех дросселей одинаков. Излучение сквозь щель возникает в том случае, когда она обрывает линии СВЧ-тока. Если в месте ее расположения СВЧ-токи отсутствуют или ориентированы вдоль щели, излучения наблюдаться не будет.

Таким образом, задача подавления СВЧ-излучения сводится к тому, чтобы в месте контакта дверцы с камерой устранить поперечные СВЧ-токи. Паз в СВЧ-дросселе располагается на расстоянии в четверть длины волны от отверстия камеры. Его глубина также равна λ/4. Два четвертьволновых отрезка образуют полуволновую линию с коротким замыканием на ее конце и разрывом в точке А, находящейся в середине линии.

Рис. 10. Принцип действия дроссельного уплотнения (показано поперечное сечение дросселя)

В короткозамкнутой полуволновой линии электромагнитное поле существует в виде стоячей волны. Это означает, что пространственное распределение электрического и магнитного поля, а, следовательно, и токов не меняется. При выбранных размерах паза и расстоянии от него до камеры распределение токов вдоль зазора и паза будет таким, что в месте разрыва ток практически равен нулю. Поэтому просачивание электромагнитной энергии во внешнее пространство будет очень незначительным. Его величина напрямую зависит от амплитуды тока в месте разрыва, которая, в свою очередь, зависит от местоположения и размеров зазора.

Таким образом, преобразовав щель в полуволновую линию, мы избавились от необходимости в хорошем электрическом контакте между дверцей и стенками камеры. Более того, непосредственный электрический контакт, из-за непредсказуемости его возникновения и влияния на параметры дросселя, в микроволновых печах искусственно устраняется. Для этого внутреннюю сторону дверцы, а иногда и камеры, покрывают эмалью. Такое покрытие устраняет возможное искрение между дверцей и стенками камеры.

Однако в процессе эксплуатации с течение времени в микроволновых печах возникает повышенное фоновое излучение. В большинстве случаев это вызвано увеличением зазора d между дверцей и лицевой плоскостью камеры. Регулировку дверцы можно проводить только при наличии приборов, позволяющих измерить величину фонового излучения, специалистами в сервисных центах.

Наибольшая часть неисправностей дверцы связана с работой запоров, механизма фиксации и механизма открывания дверцы. Как правило, это чисто механические поломки и ремонт сводится к изготовлению и замене сломанной детали.

2.1. Безопасная работа микроволновых печей

За безопасную работу микроволновых печей отвечает система управления, представленная в виде электрической схемы.

Системы управления микроволновыми печами. Микроволновые печи с электромеханическим управлением обычно имеют стандартную электрическую схему. Отличия между различными моделями незначительны и не носят принципиального характера.

Силовая часть печей с электронными блоками управления практически не отличается от печей с электромеханическим управлением. На принципиальной схеме эти отличия проявляются лишь в том, что вместо контактов таймера присутствуют контакты реле. Иногда вместо реле ставится симистор, однако режим его работы фактически тот же, что и у таймера.

В качестве примера рассмотрим схему микроволновой печи «LG-модель: МН-676 TD» (рис. 11). Чтобы включить СВЧ-нагрев, требуется подать напряжение 220 В на первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Это будет происходить, если контакты микропереключателя «Monitor switch» (MS) разомкнуты, а контакты всех остальных элементов цепи замкнуты. Рассмотрим условия, при которых устанавливается требуемое состояние контактов.

Термореле «cavity TCO» и «magnetron TCO» замкнуты, если температура камеры и магнетрона не превышает допустимой температуры.

Микропереключатели «primary switch» (PS) и «secondary switch» (SS) осуществляют блокировку включения магнетрона при открытой дверце и замыкаются при ее закрытии. На рисунке состояние микропереключателей соответствует открытой дверце.

Рис. 11. Принципиальная электрическая схема микроволновой печи СВЧ-печи «LG-модель: МН-676 TD)»

Включение микроволновой печи происходит при установке ручки таймера на заданное время. При этом замыкаются контакты «timer switch» (TS), находящиеся внутри таймера. На обмотку страхующего реле «safety relay» начинает поступать напряжение, и его контакты замыкаются. В результате включаются электродвигатели таймера и вентилятора, а на трансформатор через сопротивление «resistor» подается напряжение.

Микропереключатель «monitor switch» контролирует исправную работу элементов блокировки дверцы. Если по какой-либо причине микропереключатели PS и SS перестанут размыкаться, то попытка включить печь с открытой дверцей приведет к перегоранию предохранителя «monitorfuse».

Вследствие этого включение реле SR станет невозможным и генерации СВЧ-мощности не произойдет. Следует обратить внимание, что для согласованной работы микропереключатель PS должен замыкаться позже, а размыкаться раньше, чем, соответственно, разомкнутся и замкнутся контакты MS. Нарушение этого синхронизма приведет к тому, что контакты PS замкнутся до того, как разомкнется MS, или наоборот, контакты MS замкнутся раньше, чем разомкнется PS. В обоих случаях это приведет к кратковременному короткому замыканию по входу с последующим перегоранием предохранителя. К сожалению, подобный асинхронизм в работе микропереключателей явление нередкое, поэтому, если в микроволновой печи без всяких видимых причин при закрытии или открывании дверцы горят предохранители, проблема, скорее всего, именно в несогласованной работе микропереключателей.

Резистор R1 служит для снижения пускового тока и работает лишь несколько миллисекунд в процессе каждого включения до тех пор, пока не сработает реле «inrush relay», напряжение на которое подается одновременно с началом прохождения тока через резистор.

Микропереключатель «VPS switch», установленный на таймере, служит для регулировки мощности. При задании уровня мощности меньше максимального он осуществляет периодическое отключение печи.

Фильтр «noise filter» служит для снижения радиопомех, проникающих по цепям питания во внешнюю сеть. Схема содержит также лампу накаливания «lamp» и двигатели таймера «timer motor» и вентилятора «fanmotor», назначение которых не требует комментариев.

В зависимости от модели микроволновой печи, она может не иметь каких-либо рассмотренных компонентов или, наоборот, иметь дополнительные (например, при использовании комбинированных способов нагрева), однако это не вносит существенных изменений в работу электрической схемы.

В отличие от силовой части микроволновых печей, схемы электронных блоков управления имеют гораздо большее разнообразие.