小家电产品节能技术探讨
1 前言
随着科技的发展和生活水平的提高，人们对小家电产品的需求也越来越大。市场上小家电产品种类繁多、功能各异，小家电产品已经成为家庭能耗的大户。在能源日益紧张的今天，应该加强家电产品的节能化改选、快速提升家电企业在节能技术、节能产品上的开发力度，节能将是小家电科技发展的方向。现在许多家电企业纷纷在消化吸收国外先进节能技术的基础上再自主创新，成功研制出许多节能技术并应用于小家电产品中，下面以微波炉、电饭煲和电风扇为例介绍目前应用在小家电产品中的一些节能技术。
2变频技术：
变频小家电是新一代家用电器发展趋势之一，它不但给这些家电产品带来功能的增加、性能的改善，而且具有明显的节能效果和降噪效果，同时使整机寿命较传统家电有明显提高。因此，近年来各国家电厂商都在竞相开发变频家电产品，变频技术已成为最具节能发展前景的焦点技术。如变频微波炉代表了世界微波炉的发展方面，具有很高的技术含量。变频微波炉是以变频器代替了传统的微波炉内变压器，变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成2000－4500Hz的高频率，通过改变频率来得到不同的输出功率，解决了传统微波炉通过对恒定输出功率反复开／关进行火力调控而使食物加热不均匀的弊端，实现了真正意义上的烹饪速度快、用电省等优点。如日本松下新近推出的NN－V691JFS微波炉，由于采用了变频电源系统，烹饪时间缩短了近50％。
此外，变频技术在自动真空吸尘器、剃须刀、电饭锅、电磁灶、彩电等家电产品也获得了重要的应用。目前变频技术主要向以下几方面的方向发展：（1）交流变频向直流变频方向转化（2）控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制)方向发展（3）功率器件向高集成智能功率模块发展
3电磁感应技术
随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。电饭煲是一种普通家用厨房电器，在城镇居民家庭的普及率和使用频率很高。虽然电饭煲的功率一般为500～800 W，耗电量不是很大，但由于其使用频繁，其耗电量也可观。因此，研究电饭煲在煮饭、保温过程中的节能降耗技术无疑具有巨大的社会效益和经济效益。
将电磁感应技术应用于电饭煲可以达到快速、节能的效果，与普通电热盘式电饭煲相比能耗将降低30%以上，节能效果非常显著。电磁电饭煲继承了电磁感应加热灶具的特点，但同时由于受到电饭煲的结构、空间和功能特点的影响，其控制器具具有独特一面，体现在散热空间小、长期可靠性要求高等方面。
电磁电饭锅控制器由于受到特定环境的影响，需考虑其散热问题并研究功耗来源、影响及解决办法。
3．1热量过大的影响
当热量过大，而散热不畅时，控制器处于较高工作环境温度中，元器件的稳定性会受到影响，进而影响整套控制器的运行可靠性，出现误动作，小则控制器无法正常工作，大则出现安全事故。
3．2热量来源
在电磁电饭锅中热量来源主要有三种：（1）电饭锅内胆向周围辐射的热量。（2）大功率管IGBT及整流桥散发的热量。（3）其他元器件散发的热量。其中内胆散发热量最大，但内胆作为加热承载体，属于必须加热的器件，在设计时只能考虑如何减少其对于控制器的影响，一般做法是尽量阻挡内胆直接向控制器散发热量，在两者之间采取必要的隔热措施。其次为IGBT和整流桥散发的热量。其他元器件散发的热量很少，可以忽略不计。
3.3解决办法
（1）加强结构设计
有效的结构设计能大大降低控制器所处环境温度。加强电饭锅模具设计和控制器合理的元器件布局，尤其是大功率管IGBT的位置。构成有效的热量通道，以便热量尽快有效排出电饭锅。
（2）加强IGBT功耗技术研究
IGBT的功耗主要是关断损耗和开通损耗。在实际设计中，根据所愿的IGBT参数结合理论分析和实际测试。不能单纯考虑某方面因素，需综合该IGBT的性能参数和实际设计要求，做出合理的选择，保证可靠性。
（3）加强烹饪过程控制
在可靠保证烹饪效果情况下，合理地减少IGBT的开通次数，有效地减少IGBT在单位时间功耗，减少单位时间温度上升率，从而减少短时间内热量的集聚，采用了一种平均化处理手段。也能有效地降低控制器环境温度。
电磁电饭锅控制器已经批量生产，随着市场接受度的提升和产品的拓展，其控制器技术也必然得到进一步的优化。
4、感温软磁技术：
电饭煲的节能技术实际上就是提高电热能的利用率、降低保温时的耗电量。从此意义上讲，电饭煲的节能与电冰箱（蓄冷）、电热水器（蓄热）等的节能存在相似之处。硬质聚氨酯泡沫塑料是一种绝热性能优异的保温材料，因此，将电冰箱保温用的聚氨酯泡沫塑料做电饭煲保温层应该是完全可行的。由于电饭煲通常是在高温下工作，因此要求泡沫在高温下不能释放出对人体有害的物质，并且不能出现易燃易爆等情况。现在聚氨酯发泡应用中比较安全的HCFC-141b发泡体系却存在较大气味，不能为人接受，水发泡聚氨酯硬泡体系的臭氧消耗潜值(ODP)为零，发泡材料的环保及安全卫生性符合要求，采用消毒柜用全水发泡聚氨酯泡沫塑料作为电饭煲的保温层，通过此项技术的应用能够使电饭煲达到节能的目的。
与传统的电饭煲相比，用聚氨酯泡沫做电饭煲的保温层，能有效地阻止煮饭过程中的传导及热辐射，并与煲盖的密封圈一起，形成一个密封的、均匀的热场，因此能更有效地提高电饭煲产品的热效率，降低保温能耗，节约了电能。用聚氨酯泡沫做保温层的节能电饭煲的热效率、4 h保温能耗的测试结果见表3。
表1 节能电饭煲热效率及保温能耗
标准值 测试值
热效率/% ≥75 86.4
耗电量(保温4 h)/ W•h ≤70 0
注：检测标准参照GB12021.6－89《自动电饭锅效率、保温电耗限定量及测试方法》，以上数据由国家日用电器质量监督检测中心提供。
从表1可看出，保温节能电饭煲的热效率及保温能耗完全合格。
用功率均约为703W的电饭煲做升降温试验，在电饭煲中100℃的水冷至不同温度所需要的时间见表2。
表2 电饭煲的降温时间(min)
温度/℃ 未加保温层 加保温层
90 63.3 66.9
80 102.2 110.3
70 153.3 171.3
60 217.2 250.3
从表2的结果可以看出，采用加聚氨酯保温层的电饭煲具有一定的保温性能，因此可明显地缩短煮饭时间，节省电能。
显而易见，节能电饭煲在电饭煲外壳与内锅罩之间采用环保的聚氨酯全水发泡，提高了产品的强度，有明显的节能效果，可减少了热量损失，加快煮饭速度；另一方面，电饭煲保温阶段加热次数明显减少，水分散失量大大减少，使电饭煲长时间保温，同时兼顾米饭的口感，给今天人们快节奏的生活带来极大方便。
5远红外加热技术
远红外加热技术兴起于70年代初，它是重点推广的一项节能技术。远红外加热器有板状、管状、灯状和灯口状几种，所用的能源以电能为主，但亦可用煤气，蒸汽、沼气和烟道气等。利用这项技术提高加热效率，重要的是要提高被加热物料对辐射线的吸收能力，使其分子振动波长与远红外光谱的波长相匹配。因此，必须根据被加热物的要求来选择合适的辐射元件，同时还应采用不同的选择性辐射涂层材料，并要改善加热体的表面状况。
远红外加热与传统的蒸汽、热风和电阻等加热方法相比，具有加热速度快、加热效率高等许多优点。用它代替电加热，其节电效果尤其显著，一般可节电30%左右，个别场合甚至可达60%～70%。远红外加热技术是一门新兴科学，近几年随着远红外生产品种和数量的不断增多，它的应用领域也不断扩大，远红外加热技术日益引起人们的重视，因此研究远红外辐射材料和应用于发有着广阔的前景。远红外辐射材料的节能原理为：远红外辐射材料对其它能量的有效转换和被加热物质的分子振动所吸收，而达到加热、干燥等目的，它具有节能、加热升温快，无污染，热效率高等特点，可广泛应用于民用炊具、取暖设备等方面，例如远红外陶瓷辐射材料用在铝制品的涂层上，其节时率达40％以上，热利用率增量为35％左右，节能率80％以上，是一种理想的高效节能材料。
6温控技术：
在炎热的夏天大多数人总是整夜开着电风扇，但如果夜间气温下降到一定温度，就没必要继续使用电风扇了。本例介绍一种给电风扇加装温度控制器的方法，该控制器可以在气温低于一定温度时关闭电风扇，并且具有停电自锁功能，从而达到节能的目的。
本文介绍的电风扇温控电路能够控制电风扇模拟自然风运转，并根据气温自动调节阵风维持的时间和频度。在环境温度低于25℃时能自动关断电风扇，十分适合于控制暑夜电风扇的运转。
电风扇温控电路原理图如图所示。220V市电电压经变压器T降压和桥式整流后，由7809、7909三端稳压器产生正负对称的直流稳定电压。555时基集成电路与外围元器件组成多谐振荡器，与普通振荡器不同之处是，占空比受运算放大器IC2输出电压的控制。ICl，ICZ及感温二极管VDl，VD2（为增加灵敏度采用两个同型感温管）组成温度检测电路，将环境温度的变化线性地转换为IC2输出电压的变化，控制555时基集成电路的充、放电时间，实现输出信号的占空比调节。当环境温度较高时，VD1，VD2压降减小，Va上升，经IC2反相放大后使凡下降，于是延长了对C1的充电时间，并缩短了放电时间。通过IC3的3脚输出信号控制VTH的导通角增加，使电风扇运转时间延长，关断时间缩短，形成长时而频繁的阵风工作状态。当环境温度下降时，电路变化过程与之相反，使电风扇风力短促而稀疏。当环境温度降至一定值（这里以25℃为例）时，使C1两端电压始终高于555时基集成电路的翻转电压，故电风扇将一直处于关断状态，避免夜间气温降低而电风扇不能及时关闭。
7结语
当前全世界国家为应对能源危机和降低温室效应，都在积极采取各种相应措施，以美国、日本、欧盟为代表的发达国家在提高能源效率方面有着丰富的经验，其节能理论与技术研究一直处于世界前列。近年来我们国家也在加快节能技术方面的研究，并在小家电领域取得了显著的成效。
1 前言
随着科技的发展和生活水平的提高，人们对小家电产品的需求也越来越大。市场上小家电产品种类繁多、功能各异，小家电产品已经成为家庭能耗的大户。在能源日益紧张的今天，应该加强家电产品的节能化改选、快速提升家电企业在节能技术、节能产品上的开发力度，节能将是小家电科技发展的方向。现在许多家电企业纷纷在消化吸收国外先进节能技术的基础上再自主创新，成功研制出许多节能技术并应用于小家电产品中，下面以微波炉、电饭煲和电风扇为例介绍目前应用在小家电产品中的一些节能技术。
2变频技术：
变频小家电是新一代家用电器发展趋势之一，它不但给这些家电产品带来功能的增加、性能的改善，而且具有明显的节能效果和降噪效果，同时使整机寿命较传统家电有明显提高。因此，近年来各国家电厂商都在竞相开发变频家电产品，变频技术已成为最具节能发展前景的焦点技术。如变频微波炉代表了世界微波炉的发展方面，具有很高的技术含量。变频微波炉是以变频器代替了传统的微波炉内变压器，变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成2000－4500Hz的高频率，通过改变频率来得到不同的输出功率，解决了传统微波炉通过对恒定输出功率反复开／关进行火力调控而使食物加热不均匀的弊端，实现了真正意义上的烹饪速度快、用电省等优点。如日本松下新近推出的NN－V691JFS微波炉，由于采用了变频电源系统，烹饪时间缩短了近50％。
此外，变频技术在自动真空吸尘器、剃须刀、电饭锅、电磁灶、彩电等家电产品也获得了重要的应用。目前变频技术主要向以下几方面的方向发展：（1）交流变频向直流变频方向转化（2）控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制)方向发展（3）功率器件向高集成智能功率模块发展
3电磁感应技术
随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。电饭煲是一种普通家用厨房电器，在城镇居民家庭的普及率和使用频率很高。虽然电饭煲的功率一般为500～800 W，耗电量不是很大，但由于其使用频繁，其耗电量也可观。因此，研究电饭煲在煮饭、保温过程中的节能降耗技术无疑具有巨大的社会效益和经济效益。
将电磁感应技术应用于电饭煲可以达到快速、节能的效果，与普通电热盘式电饭煲相比能耗将降低30%以上，节能效果非常显著。电磁电饭煲继承了电磁感应加热灶具的特点，但同时由于受到电饭煲的结构、空间和功能特点的影响，其控制器具具有独特一面，体现在散热空间小、长期可靠性要求高等方面。
电磁电饭锅控制器由于受到特定环境的影响，需考虑其散热问题并研究功耗来源、影响及解决办法。
3．1热量过大的影响
当热量过大，而散热不畅时，控制器处于较高工作环境温度中，元器件的稳定性会受到影响，进而影响整套控制器的运行可靠性，出现误动作，小则控制器无法正常工作，大则出现安全事故。
3．2热量来源
在电磁电饭锅中热量来源主要有三种：（1）电饭锅内胆向周围辐射的热量。（2）大功率管IGBT及整流桥散发的热量。（3）其他元器件散发的热量。其中内胆散发热量最大，但内胆作为加热承载体，属于必须加热的器件，在设计时只能考虑如何减少其对于控制器的影响，一般做法是尽量阻挡内胆直接向控制器散发热量，在两者之间采取必要的隔热措施。其次为IGBT和整流桥散发的热量。其他元器件散发的热量很少，可以忽略不计。
3.3解决办法
（1）加强结构设计
有效的结构设计能大大降低控制器所处环境温度。加强电饭锅模具设计和控制器合理的元器件布局，尤其是大功率管IGBT的位置。构成有效的热量通道，以便热量尽快有效排出电饭锅。
（2）加强IGBT功耗技术研究
IGBT的功耗主要是关断损耗和开通损耗。在实际设计中，根据所愿的IGBT参数结合理论分析和实际测试。不能单纯考虑某方面因素，需综合该IGBT的性能参数和实际设计要求，做出合理的选择，保证可靠性。
（3）加强烹饪过程控制
在可靠保证烹饪效果情况下，合理地减少IGBT的开通次数，有效地减少IGBT在单位时间功耗，减少单位时间温度上升率，从而减少短时间内热量的集聚，采用了一种平均化处理手段。也能有效地降低控制器环境温度。
电磁电饭锅控制器已经批量生产，随着市场接受度的提升和产品的拓展，其控制器技术也必然得到进一步的优化。
4、感温软磁技术：
电饭煲的节能技术实际上就是提高电热能的利用率、降低保温时的耗电量。从此意义上讲，电饭煲的节能与电冰箱（蓄冷）、电热水器（蓄热）等的节能存在相似之处。硬质聚氨酯泡沫塑料是一种绝热性能优异的保温材料，因此，将电冰箱保温用的聚氨酯泡沫塑料做电饭煲保温层应该是完全可行的。由于电饭煲通常是在高温下工作，因此要求泡沫在高温下不能释放出对人体有害的物质，并且不能出现易燃易爆等情况。现在聚氨酯发泡应用中比较安全的HCFC-141b发泡体系却存在较大气味，不能为人接受，水发泡聚氨酯硬泡体系的臭氧消耗潜值(ODP)为零，发泡材料的环保及安全卫生性符合要求，采用消毒柜用全水发泡聚氨酯泡沫塑料作为电饭煲的保温层，通过此项技术的应用能够使电饭煲达到节能的目的。
与传统的电饭煲相比，用聚氨酯泡沫做电饭煲的保温层，能有效地阻止煮饭过程中的传导及热辐射，并与煲盖的密封圈一起，形成一个密封的、均匀的热场，因此能更有效地提高电饭煲产品的热效率，降低保温能耗，节约了电能。用聚氨酯泡沫做保温层的节能电饭煲的热效率、4 h保温能耗的测试结果见表3。
表1 节能电饭煲热效率及保温能耗
标准值 测试值
热效率/% ≥75 86.4
耗电量(保温4 h)/ W•h ≤70 0
注：检测标准参照GB12021.6－89《自动电饭锅效率、保温电耗限定量及测试方法》，以上数据由国家日用电器质量监督检测中心提供。
从表1可看出，保温节能电饭煲的热效率及保温能耗完全合格。
用功率均约为703W的电饭煲做升降温试验，在电饭煲中100℃的水冷至不同温度所需要的时间见表2。
表2 电饭煲的降温时间(min)
温度/℃ 未加保温层 加保温层
90 63.3 66.9
80 102.2 110.3
70 153.3 171.3
60 217.2 250.3
从表2的结果可以看出，采用加聚氨酯保温层的电饭煲具有一定的保温性能，因此可明显地缩短煮饭时间，节省电能。
显而易见，节能电饭煲在电饭煲外壳与内锅罩之间采用环保的聚氨酯全水发泡，提高了产品的强度，有明显的节能效果，可减少了热量损失，加快煮饭速度；另一方面，电饭煲保温阶段加热次数明显减少，水分散失量大大减少，使电饭煲长时间保温，同时兼顾米饭的口感，给今天人们快节奏的生活带来极大方便。
5远红外加热技术
远红外加热技术兴起于70年代初，它是重点推广的一项节能技术。远红外加热器有板状、管状、灯状和灯口状几种，所用的能源以电能为主，但亦可用煤气，蒸汽、沼气和烟道气等。利用这项技术提高加热效率，重要的是要提高被加热物料对辐射线的吸收能力，使其分子振动波长与远红外光谱的波长相匹配。因此，必须根据被加热物的要求来选择合适的辐射元件，同时还应采用不同的选择性辐射涂层材料，并要改善加热体的表面状况。
远红外加热与传统的蒸汽、热风和电阻等加热方法相比，具有加热速度快、加热效率高等许多优点。用它代替电加热，其节电效果尤其显著，一般可节电30%左右，个别场合甚至可达60%～70%。远红外加热技术是一门新兴科学，近几年随着远红外生产品种和数量的不断增多，它的应用领域也不断扩大，远红外加热技术日益引起人们的重视，因此研究远红外辐射材料和应用于发有着广阔的前景。远红外辐射材料的节能原理为：远红外辐射材料对其它能量的有效转换和被加热物质的分子振动所吸收，而达到加热、干燥等目的，它具有节能、加热升温快，无污染，热效率高等特点，可广泛应用于民用炊具、取暖设备等方面，例如远红外陶瓷辐射材料用在铝制品的涂层上，其节时率达40％以上，热利用率增量为35％左右，节能率80％以上，是一种理想的高效节能材料。
6温控技术：
在炎热的夏天大多数人总是整夜开着电风扇，但如果夜间气温下降到一定温度，就没必要继续使用电风扇了。本例介绍一种给电风扇加装温度控制器的方法，该控制器可以在气温低于一定温度时关闭电风扇，并且具有停电自锁功能，从而达到节能的目的。
本文介绍的电风扇温控电路能够控制电风扇模拟自然风运转，并根据气温自动调节阵风维持的时间和频度。在环境温度低于25℃时能自动关断电风扇，十分适合于控制暑夜电风扇的运转。
电风扇温控电路原理图如图所示。220V市电电压经变压器T降压和桥式整流后，由7809、7909三端稳压器产生正负对称的直流稳定电压。555时基集成电路与外围元器件组成多谐振荡器，与普通振荡器不同之处是，占空比受运算放大器IC2输出电压的控制。ICl，ICZ及感温二极管VDl，VD2（为增加灵敏度采用两个同型感温管）组成温度检测电路，将环境温度的变化线性地转换为IC2输出电压的变化，控制555时基集成电路的充、放电时间，实现输出信号的占空比调节。当环境温度较高时，VD1，VD2压降减小，Va上升，经IC2反相放大后使凡下降，于是延长了对C1的充电时间，并缩短了放电时间。通过IC3的3脚输出信号控制VTH的导通角增加，使电风扇运转时间延长，关断时间缩短，形成长时而频繁的阵风工作状态。当环境温度下降时，电路变化过程与之相反，使电风扇风力短促而稀疏。当环境温度降至一定值（这里以25℃为例）时，使C1两端电压始终高于555时基集成电路的翻转电压，故电风扇将一直处于关断状态，避免夜间气温降低而电风扇不能及时关闭。
7结语
当前全世界国家为应对能源危机和降低温室效应，都在积极采取各种相应措施，以美国、日本、欧盟为代表的发达国家在提高能源效率方面有着丰富的经验，其节能理论与技术研究一直处于世界前列。近年来我们国家也在加快节能技术方面的研究，并在小家电领域取得了显著的成效。
