Генераторы токов высокой частоты

В технике индукционного нагрева используются токи низкой (промышленной) частоты 50 Гц, средней частоты 150-10000 Гц и высокой частоты от 60 кГц до 100 МГц.

 

Рис. 2.10– Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для индукционного нагрева: Тр1 - трансформатор анодный; бп - выпрямитель на тиратронах; Пр - предохранитель; Lст - дроссель анодный; Л - лампа генераторная; Ср - конденсатор разделительный; Сг, Rг - конденсатор и сопротивление гридлика; С1, L1 - конденсатор и индуктивность анодного контура; L2 - катушка связи; С2 - конденсатор нагревательного контура; Тр2-высокочастотный трансформатор; И - индуктор;  Д - деталь.

 

Токи средней частоты получают при помощи машинных генераторов или статических преобразователей частоты. В диапазоне 150-500 Гц используются генераторы обычного синхронного типа, а выше (до 10 кГц) - машинные генераторы индукторного типа.

В последнее время машинные генераторы вытесняются более надежными статическими преобразователями частоты, выполняемыми на трансформаторах и тиристорах.

Токи высокой частоты от 60 кГц и выше получают исключительно при помощи ламповых генераторов. Установки с ламповыми генераторами используются для выполнения разнообразных операций термической обработки, поверхностной закалки, плавки металлов и др.

Не затрагивая теории вопроса, излагаемой в других курсах, рассмотрим лишь некоторые особенности генераторов для нагрева.

Нагревательные генераторы выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). По сравнению с генераторами независимого возбуждения они проще по устройству и имеют лучшие энергетические и экономические показатели.

Схемы ламповых генераторов для нагрева принципиально не отличаются от радиотехнических, но имеют некоторые особенности. От этих схем не требуется строгая стабильность частоты, что заметно их упрощает. Принципиальная схема простейшего генератора для индукционного нагрева приведена на рисунке 2.10.

Основным элементом схемы является генераторная лампа. В нагревательных генераторах чаще всего используются трехэлектродные лампы, которые по сравнению с тетродами и пентодами проще и обеспечивают достаточную надежность и устойчивость генерации. Нагрузкой генераторной лампы служит анодный колебательный контур, параметры которого индуктивность L и емкость С подбираются из условия работы контура в резонансе на рабочей частоте:

(2.38)

Для собственной частоты эквивалентное резонансное сопротивление контура R_а является чисто активным

(2.39)

где R -приведенное сопротивление потерь контура.

Параметры контура R, L, С определяются с учетом изменений, вносимых электрофизическими свойствами нагреваемых тел.

Питание анодных цепей генераторных ламп осуществляется постоянным током от выпрямителей, собранных на тиратронах или газотронах (рис. 3.10). Питание переменным током по экономическим соображениям применяется только для малых мощностей (до5 кВт). Вторичное напряжение силового (анодного) трансформатора, питающего выпрямитель, составляет 8 - 10 кВ, выпрямленное напряжение 10 - 13 кВ.

Незатухающие колебания в автогенераторе возникают при наличии достаточной положительной обратной связи сетки с контуром и выполнении определенных условий, связывающих параметры лампы и контура.

Коэффициент обратной сеточной связи

 

(2.40)

должен отвечать следующему аналитическому условию самовозбуждения автогенератора:

,

(2.41)

где U_с, U_к, U_а -напряжения соответственно на сетке, колебательном контуре и аноде генераторной лампы;

D -проницаемость лампы;

s_д - динамическая крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.

Обратная сеточная связь в генераторах для индукционного нагрева выполняется чаще всего по трехточечной схеме, когда сеточное напряжение берется от части индуктивности анодного или нагревательного контура. На рисунке 3.10 напряжение на сетку подается от части витков катушки связи L2, которая представляет собой элемент индуктивности нагревательного контура.

Нагревательные генераторы в отличие от радиотехнических чаще всего выполняются двухконтурными (рис. 3.10) или даже одноконтурными. Двухконтурные генераторы легче настраиваются в резонанс и более устойчивы в работе.

В генераторах возбуждаются колебания второго рода. Анодный ток протекает через лампу импульсами, только в течение части (1/2-1/3) периода. Благодаря этому снижается постоянная составляющая анодного тока, уменьшается нагрев анода и повышается к. п. д. генератора. Форму импульсов имеет и сеточный ток. Отсечка анодного тока (в пределах угла отсечки q = 70-90°) осуществляется подачей на сетку постоянного отрицательного смещения, которое создается падением напряжения на сопротивлении гридлика R_г при протекании постоянной составляющей сеточного тока.

Генераторы для нагрева имеют изменяющуюся в процессе нагрева нагрузку, вызванную изменением электрофизических свойств нагреваемых материалов. Чтобы обеспечить работу генератора в оптимальном режиме, характеризуемом наибольшими значениями отдаваемой мощности и к. п. д., установки оборудуют устройствами согласования нагрузки. Оптимальный режим достигается подбором соответствующего значения коэффициента обратной сетчатой связи k_с и выполнением условия

 

(2.42)

где R_э - эквивалентное сопротивление (оптимальная нагрузка) генераторной лампы, зависящее от типа и режима лампы, напряжения источника питания и коэффициента обратной связи k_с, определяемое по формуле

,

(2.43)

где Е_а- напряжение источника питания;

Е_с -постоянное смещение на сетке;

I_а1 -первая гармоника анодного тока.

Для согласования нагрузки в схемах предусматривается возможность регулировать резонансное сопротивление контура R_а и изменять напряжение на сетке U_с. Изменение этих величин достигается введением в контур дополнительных емкостей или индук-тивностей и переключением анодного, катодного и сеточного зажимов (щупов), соединяющих контур с лампой.