Общие принципы работы лампового генератора

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Ламповые генераторы в качестве источников питания электротермических установок используются на частотах от 60 кГц до 80 МГц. Для того, чтобы они не мешали радиосвязи, 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, конструктивного расчета 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) электроны приобретают большую энергию и отдают ее аноду.

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 выше недостатков, но более сложна. Пути переменной и постоянной составляющих анодного тока разделяются с помощью анодного разделительного конденсатора C a.р и блокировочного дросселя L а.б. Таким образом, постоянная составляющая анодного тока проходит через выпрямитель, лампу и анодный блокировочный дроссель L а.б.

 

Рис. 1. Схемы последовательного питания по аноду

Переменная составляющая идет через лампу, колебательный контур и анодный разделительный конденсатор С а.р. Назначение этого конденсатора – не пропускать постоянную составляющую анодного тока и иметь достаточно малое сопротивление для переменной. Значение С а.р выбирается из условия:

,

где R э – эквивалентное сопротивление колебательного контура.

Назначение L _а.б– не пропускать переменную составляющую анодного тока в выпрямитель. Его выбирают из соотношения:

Рис.2. Схема параллельного питания по аноду

Для дальнейшего уменьшения величины переменной составляющей выпрямитель шунтируется конденсатором C _б (см. рис. 2).

Сеточная цепь

Генераторы могут быть 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).

 

Рис. 3. Напряжения на электродах лампы

Для существования колебаний необходимо, чтобы напряжение на сетке было в 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.

К _ос > К _{ос min} ,

где К _ос = Ug / Ua – коэффициент обратной связи, Ug – напряжение на сетке; Ua –напряжение на аноде (cм. рис. 3), К _{ос min} – минимальное значение коэффициента обратной связи, оно получается из расчета генераторной лампы.

В зависимости от соотношения между остаточным напряжением на аноде eа min максимальным напряжением на сетке eg max различают три режима работы: недонапряженный, перенапряженный и критический (граничный).

На рис. 4 представлены графики анодного тока и сеточного напряжения. 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 (рис. 4).

 

Рис. 4. Диаграммы анодного тока и сеточного напряжения

Рис.5.

Рис.5. Гридлик лампового генератора

Оно может быть фиксированным (от постороннего источника) или автоматическим 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 прикладывается между сеткой и катодом. Элементы гридлика определяются таким образом: Rg = - E_g / I_{g о}, где Е_g – отрицательное смещение; I_{g о} – постоянная cоставляющая сеточного тока лампы, они известны из расчета лампы. Блокировочные элементы Lg, Cg находятся из соотношений:

, w Lg= 10 Rg

Рис. 5. Гридлик лампового генератора

При изменении Rg изменяется угол отсечки анодного тока (см. 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. Индуктивностью колебательного контора является закалочный трансформатор Тр, нагруженный на индуктор ИЗ. Согласование генератора с нагрузкой осуществляется путем переключения отводов на первичной стороне закалочного трансформатора Тр. Если колебательный контур настроен в резонанс, то его эквивалентное сопротивление

,

где – 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:

 

Иногда вместо добротности используют затухание:

Чтобы генераторная лампа отдавала номинальную мощность, необходимо, чтобы на ней было номинальное колебательное напряжение Ua 1 и через нее шел номинальный ток первой гармоники Ia 1. Отсюда вытекает, что эквивалентное сопротивление колебательного контура, подключенного к лампе, должно быть равно эквивалентному сопротивлению лампы:

R_ЭЛ = Ua1 / Ia1,

где Ua1 и Ia1 определяются из расчета лампы.

Если сопротивление колебательного контура R _ЭК > R _ЭЛ то режим генератора будет перенапряженным, иначе – недонапряженным.

Процесс согласования генератора с нагрузкой заключается в том, чтобы выполнить условие:

R эк = R эк.

Если это условие не выполняется, то включают не всю первичную обмотку трансформатора, а ее часть, используя отводы. При этом уменьшается коэффициент анодной связи p = U_a / U_k (см. рис. 6), а также эквивалентное сопротивление, приведенное к лампе:

R _эк = p ² R _эк

При R эк < R эл следует взять другой индуктор, с большим числом витков.

Как известно, генерация в схемах с самовозбуждением происходит благодаря положительной обратной связи. Она осуществляется делителем С о ’, С о’’ и звеном обратной связи С о, L о (см. рис. 6).

Особенностью данной схемы является возможность бесконтактного изменения величины индуктивности обратной связи L о_. Перемещением катушки L кз внутри L о изменяется индуктивность L о и, следовательно, величина коэффициента обратной связи K ос = Ug / Ua

Рассмотрим подробнее влияние положения короткозамкнутой катушки L кз на индуктивность соленоида L ₀ (см. рис. 6)

Известно определение индуктивности соленоида: L 0 = w Φ / I, где w, Ф ,I – число витков, поток и ток соответственно.

При введении внутрь соленоида L о короткозамкнутой катушки в ней наводится ток, магнитное поле которого уменьшает потокФ, что приводит к уменьшению индуктивности L о.

Путем описанных регулировок генератор настраивается на критический или слабо перенапряженный режим, что обеспечивает высокий КПД по аноду.

 

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема

генератора ВЧИ1-25/0,44

Критический режим характеризуется отношением Ia о /Ig о = 5¸7. Это соотношение обычно используется при настройке, так как все промышленные генераторы имеют приборы, измеряющие постоянные составляющие анодного и сеточного токов.

Для электротермии

Эти схемы (см. рис. 7) являются основными для целой серии высокочастотных установок на частоты до 5,28 МГц. Их преимуществом является: гибкость регулировок, возможность изменения режима без отключения генератора, универсальность, 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 L 1. Этот регулятор позволяет изменять напряжение на нагрузочном контуре без выключения генератора.

Короткозамкнутая катушка L КЗ перемещается внутри L 1 не выходя за ее пределы.

Рис. 7. Принципиальная схема трехконтурного генератора

для электротермии

Этим обеспечивается постоянное значение индуктивности L 1 и, следовательно, постоянство рабочей частоты генератора. Катушка L 1 разделена на две части (см. рис. 7). Когда L КЗ находится а верхней части L 1, то магнитный поток в этом месте уменьшается, следовательно, уменьшается индуктивность этой части катушки. В результате на нагрузочном контуре будет максимальное напряжение. При перемещении L кз в нижнюю часть L 1 картина будет обратной.

ГЕНЕРАТОРА

И контурных индуктивностей

Расчет выполняется на основе методики, изложенной в [5]. Известна формула для индуктивности цилиндрическогосоленоида:

,

где k = k(а/2R) – коэффициент Нагаока; R – радиус соленоида; a - его длина; w- число витков. Выразим L, через длину провода l:

l = 2p Rw,

длина катушки a = wh, где h – шаг намотки; тогда число витков:

,

где . Следовательно:

 

.

Обозначив ,

получим: .

Эта формула дает возможность найти длину провода, необходимого для изготовления катушки:

(1)

Обычно для высокочастот­ных дросселей 2R/a = 0,3¸0,5.

Поэтому можно принять:

F = 1,03…1,13 (см. рис. 9).

Кроме индуктивности, дроссель имеет также емкость, которая может играть значительную роль на высоких частотах. Для ее уменьшения многослойные обмотки выполняются с транспозицией (рис. 10). Этот тип намотки используется и на низких частотах для уменьшения межвиткового напряжения (сравнить максимальные напряжения между соседними витками катушек на рис. 10, а и б).

Порядок расчета блокировочного дросселя

1. Выбор диаметра провода по току дросселя. По дросселю протекает постоянная составляющая анодного тока Ia о и переменныйток, который примерно равен: I = U a / (w L а.б). Плотность тока можно принять 3 А/мм³.

2. Выбор шага намотки h и отношения 2 R/a.

3. Длина провода определяется по формуле (1).

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Ламповые генераторы в качестве источников питания электротермических установок используются на частотах от 60 кГц до 80 МГц. Для того, чтобы они не мешали радиосвязи, 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, конструктивного расчета 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) электроны приобретают большую энергию и отдают ее аноду.

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 выше недостатков, но более сложна. Пути переменной и постоянной составляющих анодного тока разделяются с помощью анодного разделительного конденсатора C a.р и блокировочного дросселя L а.б. Таким образом, постоянная составляющая анодного тока проходит через выпрямитель, лампу и анодный блокировочный дроссель L а.б.

 

Рис. 1. Схемы последовательного питания по аноду

Переменная составляющая идет через лампу, колебательный контур и анодный разделительный конденсатор С а.р. Назначение этого конденсатора – не пропускать постоянную составляющую анодного тока и иметь достаточно малое сопротивление для переменной. Значение С а.р выбирается из условия:

,

где R э – эквивалентное сопротивление колебательного контура.

Назначение L _а.б– не пропускать переменную составляющую анодного тока в выпрямитель. Его выбирают из соотношения:

Рис.2. Схема параллельного питания по аноду

Для дальнейшего уменьшения величины переменной составляющей выпрямитель шунтируется конденсатором C _б (см. рис. 2).

Сеточная цепь

Генераторы могут быть 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).

 

Рис. 3. Напряжения на электродах лампы

Для существования колебаний необходимо, чтобы напряжение на сетке было в 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.

К _ос > К _{ос min} ,

где К _ос = Ug / Ua – коэффициент обратной связи, Ug – напряжение на сетке; Ua –напряжение на аноде (cм. рис. 3), К _{ос min} – минимальное значение коэффициента обратной связи, оно получается из расчета генераторной лампы.

В зависимости от соотношения между остаточным напряжением на аноде eа min максимальным напряжением на сетке eg max различают три режима работы: недонапряженный, перенапряженный и критический (граничный).

На рис. 4 представлены графики анодного тока и сеточного напряжения. 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 (рис. 4).

 

Рис. 4. Диаграммы анодного тока и сеточного напряжения

Рис.5.

Рис.5. Гридлик лампового генератора

Оно может быть фиксированным (от постороннего источника) или автоматическим 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 прикладывается между сеткой и катодом. Элементы гридлика определяются таким образом: Rg = - E_g / I_{g о}, где Е_g – отрицательное смещение; I_{g о} – постоянная cоставляющая сеточного тока лампы, они известны из расчета лампы. Блокировочные элементы Lg, Cg находятся из соотношений:

, w Lg= 10 Rg

Рис. 5. Гридлик лампового генератора

При изменении Rg изменяется угол отсечки анодного тока (см. 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. Индуктивностью колебательного контора является закалочный трансформатор Тр, нагруженный на индуктор ИЗ. Согласование генератора с нагрузкой осуществляется путем переключения отводов на первичной стороне закалочного трансформатора Тр. Если колебательный контур настроен в резонанс, то его эквивалентное сопротивление

,

где – 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:

 

Иногда вместо добротности используют затухание:

Чтобы генераторная лампа отдавала номинальную мощность, необходимо, чтобы на ней было номинальное колебательное напряжение Ua 1 и через нее шел номинальный ток первой гармоники Ia 1. Отсюда вытекает, что эквивалентное сопротивление колебательного контура, подключенного к лампе, должно быть равно эквивалентному сопротивлению лампы:

R_ЭЛ = Ua1 / Ia1,

где Ua1 и Ia1 определяются из расчета лампы.

Если сопротивление колебательного контура R _ЭК > R _ЭЛ то режим генератора будет перенапряженным, иначе – недонапряженным.

Процесс согласования генератора с нагрузкой заключается в том, чтобы выполнить условие:

R эк = R эк.

Если это условие не выполняется, то включают не всю первичную обмотку трансформатора, а ее часть, используя отводы. При этом уменьшается коэффициент анодной связи p = U_a / U_k (см. рис. 6), а также эквивалентное сопротивление, приведенное к лампе:

R _эк = p ² R _эк

При R эк < R эл следует взять другой индуктор, с большим числом витков.

Как известно, генерация в схемах с самовозбуждением происходит благодаря положительной обратной связи. Она осуществляется делителем С о ’, С о’’ и звеном обратной связи С о, L о (см. рис. 6).

Особенностью данной схемы является возможность бесконтактного изменения величины индуктивности обратной связи L о_. Перемещением катушки L кз внутри L о изменяется индуктивность L о и, следовательно, величина коэффициента обратной связи K ос = Ug / Ua

Рассмотрим подробнее влияние положения короткозамкнутой катушки L кз на индуктивность соленоида L ₀ (см. рис. 6)

Известно определение индуктивности соленоида: L 0 = w Φ / I, где w, Ф ,I – число витков, поток и ток соответственно.

При введении внутрь соленоида L о короткозамкнутой катушки в ней наводится ток, магнитное поле которого уменьшает потокФ, что приводит к уменьшению индуктивности L о.

Путем описанных регулировок генератор настраивается на критический или слабо перенапряженный режим, что обеспечивает высокий КПД по аноду.

 

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема

генератора ВЧИ1-25/0,44

Критический режим характеризуется отношением Ia о /Ig о = 5¸7. Это соотношение обычно используется при настройке, так как все промышленные генераторы имеют приборы, измеряющие постоянные составляющие анодного и сеточного токов.