Sb95750
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
А. П. МАРТЫНОВ А. В. ВАВИЛОВ Д. Б. ЛОПУХ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Электронное учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2017
1
УДК 621.365
ББК З1.2
М29
Мартынов А. П., Вавилов А. В., Лопух Д. Б.
М29 Проектирование ламповых генераторов для индукционного нагрева: электрон. учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 24 с.
ISBN 978-5-7629-2150-3
Содержит основные сведения для выполнения лабораторных работ. Предназначено для подготовки бакалавров и магистров направлений
13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезно инженерно-техническим работникам и студентам других специальностей.
УДК 621.365
ББК З1.2
Рецензент – д-р техн. наук А. С. Алой (ВГУП НПО «Радиевый институт им. В. Г. Хлопина»).
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве электронного учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2150-3 |
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017 |
2
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА
Ламповые генераторы в качестве источников питания электротермических установок используются на частотах от 60 кГц до 80 МГц. Чтобы они не мешали радиосвязи, для них выделены частоты: 66 кГц (–10...+12 %); 440
кГц (±2,5 %); 880 кГц (±2,5 %); 1,76 МГц (±2,5 %); 5,28 МГц (±2,5 %); 13,56 МГц (±1 %); 27,12 МГц (±1 %); 40,68 МГц (±1 %); 81,36 МГц (±1 %).
Данный курсовой проект охватывает вопросы расчета схемы ламповых генераторов для индукционного нагрева, конструктивногорасчета элементов схемы, частотного анализа и разработки конструкции генераторного блока.
Генераторная лампа
Основным элементом лампового генератора является генераторная лампа. Анод генераторной лампы изготавливается из меди и интенсивно охлаждается, так как под действием анодного напряжения (оно составляет в среднем 5…10 кВ) электроныприобретаютбольшуюэнергиюиотдаютееаноду.
Катод лампы изготовляется из вольфрамовой проволоки, которая при работе нагревается примерно до температуры 2300 °С. При нагреве от 20 до 2300 °С сопротивление вольфрама возрастает примерно в 10 раз. Поэтому включать холодный катод на полное напряжение не рекомендуется: пойдет большой ток накала, и электродинамические усилия между нитями приведут к разрушению катода. Напряжение накала обычно включается в две ступени. Сначала подается половинное напряжение, а когда нить накала прогреется, включается полное напряжение. Для генераторных ламп оно составляет обычно 10...15 В, токи накала – десятки и сотни ампер.
Анодная цепь
Анодная цепь генератора содержит три основных элемента: электронную лампу, колебательный контур и источник анодного напряжения. Их можно соединить последовательно или параллельно.
На рис. 1 представлены два варианта схемы последовательного питания по аноду. В первом из них под высоким напряжением относительно земли находится колебательный контур, во втором – анодный выпрямитель. Необходимость изоляции от земли усложняет изготовление генератора по схеме последовательного питания, поэтому обычно применяется схема параллельного питания по аноду (рис. 2). Эта схема лишена указанных недостатков, но более сложна. Пути переменной и постоянной составляющих анодного тока разделяются с помощью анодного разделительного конденсатора Ca.р и блокировочного дросселя Lа.б.
3
Рис. 1. Схемы последовательного питания по аноду
Таким образом, постоянная составляющая анодного тока проходит через выпрямитель, лампу и анодный блокировочный дроссель Lа.б.
Переменная составляющая идет через лампу, колебательный контур и анодный разделительный конденсатор Са.р.
Рис. 2. Схема параллельного питания по аноду |
Назначение этого конденсатора – не пропускать постоянную составляющую анодного тока и иметь достаточно малое сопротивление для переменной.
Значение Са.р выбирается из условия:
ωС1а.р (0.1 0.05)Rэ,
где Rэ– эквивалентное сопротивление колебательного контура. Назначение Lа.б – не пропускать переменную составляющую анодного
тока в выпрямитель. Поэтому Lа.б выбирают из соотношения:
ωLа.б (10 20)Rэ.
Для дальнейшего уменьшения величины переменной составляющей выпрямитель шунтируется конденсатором Cб.
4
Сеточная цепь
Генераторы делятся на генераторы с независимым возбуждением (на сетку лампы подаются колебания от маломощного генератора) и с самовозбуждением.
Независимое возбуждение используется в радиопередатчиках, в генераторах для электротехнологии обычно используют самовозбуждение (используется положительная обратная связь с колебательного контура).
Для существования колебаний необходимо, чтобы напряжение на сетке совпадало по фазе с напряжением на контуре, и, следовательно, в противофазе с напряжением на аноде (рис. 3) – это условие самовозбуждения по фазе.
Если сигнал обратной связи будет очень малым, то колебания не возникнут. Отсюда следует условие самовозбуждения по амплитуде
Ко.с > Ко.с min ,
где Кос = Ug / Ua – коэффициент обратной связи, Ug – напряжение на сетке; Ua – напряжение на аноде (рис. 3), Ко.с min – минимальное значение коэффициента обратной связи, оно получается из расчета генераторной лампы.
U |
|
|
a |
|
U |
a |
|
E |
g max |
a min |
|
Eg |
t |
|
|
|
Ug |
Рис. 3. Напряжения на электродах лампы |
|
|
Ia |
|
Ug |
|
t |
|
Eg |
|
|
t |
|
|
Рис. 4. Диаграммы анодного тока |
|
|
и сеточного напряжения |
|
В зависимости от соотношения между остаточным напряжением на аноде eа min и максимальным напряжением на сетке eg max различают три
режима работы: недонапряженный, перенапряженный и критический (граничный).
5
На рис. 4 представлены графики анодного тока и сеточного напряже- |
||||||||||||
ния. Если анодно-сеточная характеристика линейна, то импульсы сеточного |
||||||||||||
и анодного токов имеют вид отрезка синусоиды. Когда ток такой формы |
||||||||||||
протекает через колебательный контур, то в нем возникают синусоидальные |
||||||||||||
колебания, так как колебательный контур выделяет первую гармонику тока, |
||||||||||||
которая и поддерживает колебания за счет положительной обратной связи. |
||||||||||||
Для нормальной работы лампы на ее сетку необходимо подать |
||||||||||||
отрицательное смещение Eg. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Оно может быть фиксированным (от постороннего источника) или ав- |
||||||||||||
томатическим и необходимо для того, чтобы выбрать рабочую точку на |
||||||||||||
характеристике лампы (рис. 3 и 4). В генераторах для электротермии обычно |
||||||||||||
используется автоматическое смешение. Оно подается с помощью гридлика |
||||||||||||
(рис. 5). При протекании сеточного тока через элементы гридлика Rg, Lg, Cg |
||||||||||||
на сопротивлении Rg |
выделяется постоянное напряжение Еg , которое при- |
|||||||||||
|
|
|
|
кладывается |
между |
сеткой |
и |
|||||
|
|
|
|
катодом. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Элементы гридлика опреде- |
|||||||
|
|
|
|
ляются таким образом: |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Rg = –Eg / Ig0, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
где Еg – отрицательное смещение; |
||||||||
|
|
|
|
Ig0 |
– |
постоянная cоставляющая |
||||||
|
|
|
|
сеточного тока лампы, они извест- |
||||||||
|
|
|
|
ны из расчета лампы. Блокировоч- |
||||||||
|
|
|
|
ные элементы Lg, Cg |
находятся из |
|||||||
|
|
|
|
соотношений: |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
0.1Rg , |
Lg=10Rg . |
|
||||
|
|
|
|
|
ωC g |
|
|
|
|
|
||
Рис. 5. Гридлик лампового генератора |
|
При изменении Rg изменяется |
||||||||||
угол отсечки анодного тока Θ (рис. |
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
4). Оптимальным является значение |
||||||||
Θ = 70º ÷ 90º. |
При |
этом |
обеспечивается |
|
достаточно |
высокий |
КПД |
|||||
генераторной лампы по аноду и хорошее использование лампы по |
||||||||||||
мощности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Одноконтурный генератор |
|
|
|
|
|
|||||
На рис. 6 представлена принципиальная схема промышленного генератора ВЧГ1-25/0,44, имеющего один колебательный контур.
6
Индуктивностью колебательного контура является закалочный трансформатор Тр, нагруженный на индуктор Lинд. Согласование генератора с нагрузкой осуществляется путем переключения отводов на первичной стороне закалочного трансформатора Тр. Если колебательный контур настроен в резонанс, то его эквивалентное сопротивление:
Rэ 2
r Qρ,
где ρ ωL 1/ωC – характеристическое сопротивление контура; r – активное
сопротивление; С – емкость; L – индуктивность; Q – добротность. Добротность отражает способность колебательного контура
поддерживать электромагнитные колебания. Это отношение реактивной мощности Pr к активной Pa или реактивного сопротивления к активному:
Q=Pr/Pa=ρ/r.
Иногда вместо добротности используют затухание: δ=1/Q=ρ/r.
Чтобы генераторная лампа отдавала номинальную мощность, необходимо, чтобы на ней было номинальное колебательное напряжение Ua1 и
через нее шел номинальный ток первой гармоники Ia1. Отсюда вытекает, что
эквивалентное сопротивление колебательного контура, подключенного к лампе, должно быть равно эквивалентному сопротивлению лампы:
Rэ.л= Ua1 / Ia1,
где Ua1 и Ia1 определяются из расчета лампы.
Если сопротивление колебательного контура Rэ.к Rэ.л, то режим
генератора будет перенапряженным, иначе – недонапряженным.
Процесс согласования генератора с нагрузкой заключается в том, чтобы выполнить условие:
Rэ.к = Rэ.л.
Если это условие не выполняется, то включают не всю первичную обмотку трансформатора, а ее часть, используя отводы. При этом уменьшается коэффициент анодной связи p = Ua / Uk (рис. 6), а также эквивалентное
сопротивление, приведенное к лампе:
Rэ.л = p2Rэ.к.
При Rэ.к Rэ.л следует взять другой индуктор, с большим числом
витков.
Как известно, генерация в схемах с самовозбуждением происходит благодаря положительной обратной связи. Она осуществляется делителем
Со', и Со''звеном обратной связи Со , Lо (рис. 6).
7
Рис. 6. Принципиальная электрическая схема генератора ВЧИ1-25/0,44
Особенностью данной схемы является возможность бесконтактного изменения коэффициента обратной связи. Это очень важно, так как позволяет не прерывать технологический процесс. Перемещением катушки Lк.з внутри Lо изменяется индуктивность Lо и, следовательно, величина коэффициента обратной связи Kо.с = Ug / Uа .
Рассмотрим подробнее влияние положения короткозамкнутой катушки Lк.з на индуктивность соленоида Lo (рис. 6).
Известно определение индуктивности соленоида: Lo = wΦ/I, где w, Ф, I – число витков, поток и ток соответственно.
При введении внутрь соленоида Lо короткозамкнутой катушки в ней наводится ток, магнитное поле которого уменьшает поток Ф, что приводит к уменьшению индуктивности Lо.
При расчете цепи обратной связи следует помнить, что напряжения на индуктивности и емкости находятся в противофазе.
Путем описанных регулировок генератор настраивается на критический или слабо перенапряженный режим, что обеспечивает высокий КПД по аноду.
Критический режим характеризуется отношением Iaо/Igо = 5 ÷ 7. Это
соотношение обычно используется при настройке, так как все промышленные генераторы имеют приборы, измеряющие постоянные составляющие анодного и сеточного токов.
8
Многоконтурные схемы ламповых генераторов для электротермии
Эти схемы (рис. 7) являются основными для целой серии высокочастотных установок на частоты до 5,28 МГц. Их преимущества – гибкость регулировок и возможность изменения режима без отключения генератора.
Рис. 7. Принципиальная схема трехконтурного генератора для электротермии
Недостатки по сравнению с одноконтурной схемой: сложность схемы, большие габариты и стоимость. Подробные описания схем и методы их расчета имеются в [2]. Отличительной особенностью этих схем является наличие анодного регулятора L1. Этот регулятор позволяет изменять напряжение на нагрузочном контуре без выключения генератора.
Короткозамкнутая катушка Lк.з перемещается внутри L1, не выходя за ее пределы. Этим обеспечивается постоянное значение индуктивности L1 и, следовательно, постоянство рабочей частоты генератора. Катушка L1
разделена на две части (рис. 7). Когда Lк.з находится в верхней части L1, то магнитный поток в этом месте уменьшается, следовательно, уменьшается индуктивность этой части катушки. В результате на нагрузочном контуре будет максимальное напряжение. При перемещении Lк.з в нижнюю часть L1 картина будет обратной. Таким образом можно изменить напряжение на нагрузочном контуре в 2–3 раза, что позволяет компенсировать изменения параметров нагрузки в процессе нагрева без выключения генератора.
По этой схеме выпускается большинство промышленных генераторов.
9
ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА |
|
||||||||
Многоконтурная схема может генерировать колебания на нескольких |
|||||||||
частотах. Чтобы убедиться в том, что генератор будет устойчиво работать на |
|||||||||
заданной частоте, выполняется частотный анализ. Для этого составляется |
|||||||||
|
эквивалентная схема генератора. В |
||||||||
|
этой |
схеме |
обычно |
пренебрегают |
|||||
|
теми элементами, которые дают резо- |
||||||||
|
нансные частоты, сильно отлича- |
||||||||
|
ющиеся от рабочей. Если анализ |
||||||||
|
выполняется |
графическим |
методом, |
||||||
|
то пренебрегают |
также активными |
|||||||
|
сопротивлениями. |
|
При |
анализе |
|||||
|
частотных |
характеристик |
на |
ЭВМ |
|||||
|
этого можно не делать. На рис. 8 пред- |
||||||||
|
ставлена схема, эквивалентная рис. 7. |
||||||||
|
В ней пренебрегается Lа.б и Ср, а |
||||||||
|
также цепями постоянных состав- |
||||||||
Рис. 8. Эквивалентная схема |
ляющих анодного и сеточного токов. |
||||||||
|
При курсовом проектировании |
||||||||
трехконтурного генератора |
|
||||||||
анализ проводится на компьютере по |
|||||||||
|
|||||||||
программе PALEC, которая имеется в вычислительной лаборатории |
|||||||||
кафедры ЭТПТ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На эквивалентной схеме необходимо предварительно обозначить номера узлов и ветвей. При этом анодный узел ввода должен иметь номер 1, катодный – 0, сеточный – 2, остальные нумеруются произвольно. После этого следует ввести исходные данные аналогично образцу, имеющемуся в вычислительной лаборатории кафедры ЭТПТ.
КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА
Конструктивный расчет высокочастотных (ВЧ) дросселей и контурных индуктивностей
Расчет выполняется на основе методики, изложенной в [5]. Известна формула для индуктивности цилиндрического соленоида:
L 4 2R2w210 7 k ,
a
10