CC BY
288
УДК 621.382
И.И. Артюхов, А.И. Земцов НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МУЛЬТИГЕНЕРАТОРНЫХ СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Составной частью СВЧ электротехнологической установки является система электропитания, параметры которой в значительной степени определяют техникоэкономические показатели всей установки. Предложены варианты улучшения этих показателей на примере мультигенераторной СВЧ электротехнологической установки.
Источник питания, напряжение, магнетронный генератор, силовой трансформатор
I.I. Artyukhov, A.I. Zemtsov DIRECTIONS OF PERFECTION OF MULTIGENERATING MICROWAVE ELECTROTECHNOLOGICAL DEVICES
Component of microwave electrotechnological devices is the system of power supplies which brings the essential contribution to its technical and economic indicators. Propose options for improvement of these indicators as an example microwave multigenerating devices
Power supply, voltage, magnetron generator, force transformer
В последние годы процессы, основанные на микроволновом нагреве, находят все большее промышленное применение. Основные преимущества использования микроволновой энергии в термических процессах связаны с особенностями поглощения микроволновой энергии. Микроволновая энергия преобразуется в тепло внутри вещества, что приводит к значительной экономии энергии и сокращению времени процессов. Данный фактор играет решающую роль в большинстве процессов применяемых в промышленности в настоящее время. Широкая доступность микроволновых источников и хорошие поглощательные свойства, многих материалов привели к созданию промышленных установок конвейерного типа для различных технологических процессов мощностью в сотни киловатт [1]. Однако СВЧ электротехнологическая установка представляет собой сложную систему, в процессе функционирования которой необходимо распределить СВЧ-энергию, вырабатываемую одним или несколькими магнетронами согласно заданным требованиям. Выбор способа распределения зависит от целого ряда параметров, которые определяются технологическим процессом обработки исходного изделия.
К данным СВЧ электротехнологическим установкам предъявляют ряд требований:
• высокий КПД преобразования электрической энергии в СВЧ-энергию;
• стабильное функционирование при переменной нагрузке;
• возможность регулирования выходной СВЧ-мощности в заданной точке технологической линии;
• надежная работа СВЧ-установки;
• резервирование вышедших из строя СВЧ-источников;
• оптимальное соотношение массогабаритных и стоимостных показателей.
На рис. 1 представлена схема СВЧ электротехнологической установки, в которой СВЧ-энергия вырабатываемая одним магнетронным генератором распределяется по объему камеры при помощи волноводов. В такой схеме применяются мощные промышленные магнетроны с рабочей частотой 433 и 915 МГц с мощностью от 25 до 100 кВт.
Источник СВЧ-энергии
Рабочая камера
Рис. 1. Схема СВЧ электротехнологической установки с распределением СВЧ-энергии от одного магнетронного генератора
Недостатками данной СВЧ-установки являются отсутствие резервирования, невозможность оперативного регулирования мощности в отдельной точке подачи СВЧ-энергии, наличие электромагнита и системы управления им, необходимость водяного охлаждения для мощного магнетрона, что создает неудобства в эксплуатации. Последнее обусловлено тем, что разогрев катода происходит вследствие его бомбардировки электронами.
На рис. 2 представлена схема питания СВЧ-установки с одним магнетроном. Источник анодного питания магнетрона в установке такого типа включает повышающий трансформатор Т и высоковольтный выпрямитель на диодах УБ1.. .УБ6.
Уві-Увв У01...У06 Ц
Рис. 2. Схема источника питания с тиристорным регулятором напряжения
«Минус» выпрямителя подается на катод магнетрона УЬ, «плюс» - через дроссель Ьа и прибор контроля анодного тока (на схеме не показан) подключается к заземленному корпусу магнетрона. Для регулирования генерируемой мощности первичные обмотки трансформатора Т подключаются к фазам сети 380 В/ 50 Гц через тиристорный регулятор У81...У86.Данное техническое решение отличается простотой схемы, возможностью автоматического управления мощностью генератора СВЧ энергии и достаточно высоким КПД. Вместе с тем, источник питания, построенный по такой схеме, не отвечают современным требованиям. Так, например, высокочастотный блок генератора «Хазар-50/915» мощностью 50 кВт имеет массу 240 кг и объем около 400 дм . Соответствующие показатели блока питания этого генератора - 1700 кг и 1836 дм . Еще одним существенным недостатком схемы по рисунку 2 является искажающее влияние на питающую сеть за счет работы тиристорного регулятора. Стоимость такого блока составляет порядка $90 тыс.[2].
Альтернативным решением при построении СВЧ-установки с распределенным подводом СВЧ-энергии является применение группы генераторов магнетронного типа, энергия которых распределяется по рабочей камере (конвейерной линии) согласно требованиям технологического процесса.
Схема мультигенераторной СВЧ-установки показана на рисунке 3. При ее построении могут быть использованы магнетроны относительно небольшой мощности 0,6—1,5 кВт. Важное преимущество данной компоновки СВЧ электротехнологической установки, по сравнению со схемой на рис. 1, состоит в возможности точно и оперативно регулировать выходную мощность в заданной точке камеры. Кроме того, легко и быстро осуществляется восстановление рабочего режима при выходе одного из магнетронов из строя. Понятно, что для обеспечения надежной эксплуатации установки гораздо лучше иметь на складе несколько магнетронов небольшой мощности, чем один мощный магнетрон. Те же рассуждения справедливы и для источников питания.
Источник СВЧ-энергии
і------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Рис. 3. Схема мультигенераторной СВЧ электротехнологической установки
Для построения мультигенераторной СВЧ-установки в настоящее время имеется широкая гамма магнетронов различных производителей, для которых разработаны и выпускаются серийно источники питания. В частности, могут быть применены магнетроны от бытовых СВЧ печей, серийный выпуск которых освоен рядом фирм. При этом складывается ситуация, что стоимость одного магнетрона большой мощности оказывается существенно
больше стоимости группы магнетронов той же суммарной мощности. Однако существует определенная проблема. Она состоит в том, что из-за применения типовых решений при построении источников питания магнетронных генераторов их массогабаритные и стоимостные показатели сводят к минимуму преимущества мультигенераторных СВЧ-установок.
В большинстве случаев источники питания для магнетронных генераторов мощностью до 1 кВт выполняют по схеме, которая показана на рисунке 4. Основу этой схемы составляет силовой трансформатор Т с двумя вторичными обмотками (накала и анодного питания), высоковольтный конденсатор С и высоковольтный диод Д. Первичная обмотка трансформатора подключается к сети через фильтр электромагнитной совместимости (ЭМС) и коммутационное устройство (КУ), которое управляется блоком управления (БУ).
Из-за того, что силовой трансформатор и другие электромагнитные узлы схемы рисунка 4 работают на промышленной частоте 50 Г ц, суммарная масса компонентов источника достигает 10 кг. Это при том, что источники питания бытовых печей СВЧ-нагрева рассчитаны на работу в повторно-кратковременном режиме. По этой причине технические решения, разработанные для бытовых СВЧ-печей, не могут быть транслированы для установок СВЧ-нагрева промышленного назначения. Для обеспечения работы в непрерывном режиме установленная мощность трансформатора и других силовых элементов, и соответственно материалоемкость источника питания возрастают многократно. Так, например, суммарная масса источника СВЧ-энергии мощностью 0,6 - 1,5 кВт, рассчитанного на промышленную эксплуатацию, составляет 85 кг, из которых 15 кг - это высокочастотный блок, а 70 кг - блок питания. Стоимость такого источника СВЧ-энергии составляет порядка $3 тыс. Несложно подсчитать, что при традиционном подходе к построению системы электропитания мультигене-раторной СВЧ-установки ее стоимость окажется в несколько раз выше, чем стоимость установки той же мощности, но с одним генератором. Сравнение массогабаритных показателей установок по схемам рисунки 1 и 3 окажется так же не в пользу второй.
Один из вариантов построения схемы электропитания мультигенераторной СВЧ элек-тротехнологической установки, которая соответствует современным требованиям, показан на рисунке 5. Для уменьшения массогабаритных показателей системы применен принцип промежуточного преобразования частоты. Переменное напряжение сети сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на группу инверторов. Одна группа инверторов ИВ1...ИВК формирует переменные напряжения высокой частоты, которые трансформируются до заданной величины и после выпрямления используются для получения анодного напряжения. Кроме того, с понижающих обмоток трансформаторов напряжения подаются для питания накала. Другие инверторы ИН1...ИН8 формируют напряжения с регулируемой частотой и служат для управления электродвигателями вспомогательных механизмов.
Реализация представленной схемы предполагает решение ряда задач, первичной из которых является выбор частоты выходного напряжения инверторов ИВ1...ИВК, осуществ-
т
Сеть 50 Гц, 220 I
БУ
Рис. 4. Схема источника питания магнетронного генератора
ляющих питание магнетронных генераторов. От величины указанной частоты зависит выбор схемы построения каждого из блоков источника питания, тип применяемых силовых полупроводниковых приборов, выбор материалов для изготовления повышающего трансформатора и сглаживающих фильтров [4]. Несмотря на большое количество работ в области построения источников питания с промежуточным преобразованием частоты, в настоящее время нет четких рекомендаций по выбору оптимального значения частоты инвертирования для высоковольтных систем электропитания. Это обусловлено, в частности, проблемами проектирования повышающих трансформаторов, работающих на ультразвуковых частотах.
Предварительные расчеты показали, что при существующей элементной базе частота преобразования может находиться в диапазоне от 20 до 100 кГц. Ожидается, что в результате оптимизации этой частоты, а также соответствующего выбора схемы и параметров узлов предлагаемой системы электропитания массогабаритные показатели улучшатся в 4 - 5 раз при снижении стоимости в 2-3 раза по сравнению с типовыми решениями.
Рис. 5. Схема электропитания мультигенераторной СВЧ электротехнологической установки
Другой задачей является разработка системы управления, обеспечивающей оперативное регулирование выходной мощности всей мультигенераторной СВЧ электротехнологической установки в заданном диапазоне и подстройку каждого магнетронного генератора в отдельности. При этом выбор способа регулирования мощности должен учитывать динамику процессов в магнетронном генераторе при его коммутациях [5]. Это обусловлено тем, что в каждом модуле схемы рисунка 5 один и тот же трансформатор используется для формирования анодного напряжения и питания накала. Возможен также вариант схемы, при котором питание накала осуществляется от отдельного трансформатора. Однако применение дополнительного элемента приводит к усложнению схемы и соответствующему удорожанию устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архангельский Ю.С. СВЧ-электротермия/Ю.С. Архангельский. Саратов, СГТУ, 1998. 408с.
2. Царев В. А. Оценка современного состояния мощных электровакуумных СВЧ-приборов для применения в электроэнергетике / В. А. Царев, И.Б. Яковлева, Д. А. Сальникова и др. //
Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. №4 (19). Вып. 4. С. 72-84.
3. Артюхов И.И. Экспериментальное исследование характеристик СВЧ-генератора магнетронного типа / И.И. Артюхов, А.И. Земцов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С.130-137.
4. Степанов С.Ф. Анализ элементной базы для построения высоковольтных источников питания с промежуточным звеном повышенной частоты типа / С.Ф. Степанов, В.В. Тютьма-нова, В.В. Курдя // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4 (19). Вып. 4. С. 6-16.
З. Артюхов И.И. Переходные процессы при включении источника питания магнетронного генератора / И.И. Артюхов, А.И. Земцов, А.Г. Сошинов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (47). С. З9-61.
BIBLIOGRAPHY
1. Arkhangelskiy Y.S. Microwave elektrothermy / Y.S. Arkhangelskiy. Saratov, SSTU, 1998. 408p.
2. Tzarev V.A. Estimation of the modern condition of powerful electrovacuum UHF devices for using in power engineering / V.A. Tzarev, I.B. Yakovleva, D.A. Salnikova, R.Yu. Kuznetsov // Vestnik Saratov State Technical University. 2006. №4 (19). P. 72-84.
3. Artjukhov I.I. Experimental research of characteristics of the magnetron / I.I. Artjukhov, A.I. Zemtsov // Electric power industry problems: collection of proceedings Saratov: SSTU, 2009. P.130-137.
4. Stepanov S.F. The analysis of element base for construction of high-voltage power supplies with an intermediate link of the high frequency / S.F. Stepanov, V.V. Tyitmanova, V.V. Kurdya // Vestnik Saratov State Technical University. 2006. № 4 (19). P. 6-16.
З. Artjukhov I.I. Transitional processes in power supply of magnetron generator / I.I. Artjukhov, A.I.Zemtsov, A.G.Soshinov // Vestnik Saratov State Technical University. 2010. № 3(47). P^^l.
Артюхов Иван Иванович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Земцов Артем Иванович -аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Artyukhov Ivan Ivanovich -
Doctor of technical Science, Professor, Head of the Departament of «Electrosupply of Indastrial enterprises» of Saratov State Technical Univesity Zemtsov Artem Ivanovich -Post-graduate Student of the Departament of «Electrosupply of Indastrial enterprises» of Saratov State Technical Univesity
