ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
Глава 1. Методы анализа электромагнитной совместимости,
нелинейных искажений, подавления паразитных колебаний и
излучений
1.1. Методы анализа преобразования сигналов в безынерционных нелинейных цепях............................................... 24
1.2. Методы анализа преобразования сигналов в инерционных нелинейных цепях............................................... 26
1.3. Методы анализа и подавление паразитных излучений............... 30
1.4. Подавление паразитных (высших) колебаний в многомодовых резонансных камерах СВЧ нагрева................................ 31
1.5. Выводы......................................................... 31
Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование
электронагревательных установок 33
2.1. Теоретический анализ тепловых полей в стационарных режимах
электронагревательных элементов................................ 36
2.2'. Разработка методов экспериментального исследования. Основные результаты анализа стационарных и нестационарных тепловых режимов. Выбор типа электронагревательного элемента........ 41
2.2.1. Экспериментальное исследование температурных
зависимостей нагревательного блока на открытых спиралях
в стационарном и нестационарном режимах.................. 42
2.2.2. Экспериментальное исследование температурных
зависимостей нагревательного блока на ТЭНах в стационарном и нестационарном режимах и сравнение их с данными, полученными для блока нагрева на открытых спиралях................................................. 46
2.2.3. Сравнение однородности температурного поля по сечению нагреваемого воздушного потока................................ 48
2.3. Сравнение режимов остывания ТЭНов и нагревательных блоков на открытых спиралях с учетом нелинейных нестационарных тепловых процессов.................................................. 51
2.4. Постановка задачи расчета, проектирования и разработки электрона1*ревательных приборов с включенными в их электрическую схему силовыми диодами............................... 54-
2.5. Теоретический анализ уровня- паразитных колебаний, создаваемых в цепи переменного тока силовыми, полупроводниковыми диодами (СПД) в составе Э1 ГУ..................... 56
2.6; Расчет уровней ИРП< для схем с одним диодом; с исследованием» влияния; технологического разброса характеристик диодов на уровни индустриальных радиопомех................................... 59'
2.7. Определение влияния^выбора схемного решения, (способа и места включения СПД в схему сложного ЭНУ) на уровень создаваемых, радиопомех............................;............................. 64
2.8. Сравнительный анализ методов определения-уровня создаваемых радиопомех диодов. Учет нелинейных барьерной и диффузионной емкостей СПД в составе ЭНУ на уровень» создаваемых ими нелинейных искажений. Сравнение результатов расчета по модели, использующей кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ СПД с результатами расчета по модели, использующей нелинейные емкости диода........................................... 69
2.9. Экспериментальное исследование уровней ИРП, создаваемых различными отечественными и зарубежными СПД, включенными по различным схемам в цепи электронагревательных
элементов...................................................... 74
2.9.1. Оборудование и методика эксперимента.................... 75
2.9.2. Результаты измерений.................................... 76
2.10. Выводы......................................................... 78
Глава 3. Улучшение частотных характеристик реакторов помехоподавления и снижение уровня индустриальных радиопомех электротранспорта 81
3.1. Анализ конструкции и электрических параметров реакторов
помехоподавления. Постановка задачи исследований............... 83
з
3.2. Расчет индуктивности PII...................................... 86
3.3. Анализ формы импульса напряжения.............................. 93
3.4. Анализ подавления и синтез фильтра для РП..................... 94
3.5. Помехоподавление с учетом дисперсии и нелинейности............ 96
3.6. Экспериментальные исследования реактора помехоподавления 97
3.7. Выводы.................................................•....... 99
Глава 4. Моделирование и экспериментальное исследование прямоугольной резонаторной камеры СВЧ нагрева, возбуждаемой Прямоугольным ВОЛНОВОДОМ переменного сечения. С ДЛИННОЙ |02 щелью
4.1. Описание электродинамической системы для промышленного
оборудования СВЧ нагрева. Постановка задачи исследований 103
4.2. Моделирование электродинамической системы..................... 104
4.3. Результаты расчета............................................ 108
4.4. Экспериментальное исследование зависимостей коэффициента
передачи из возбуждающего волновода в резонансную камеру от геометрических размеров волновода и щели связи........... 114
4.5. Методика измерения распределения поля......................... 117
4.6. Результаты измерения распределения электромагнитного поля 121
4.7. Связь распределения электромагнитного поля внутри резонансной
камеры с уровнем излучения из нее в открытое пространство 125
4.8. Выводы........................................................ 125
Заключение 129
Литература 132
Список основных сокращений 140
4
Введение
Актуальность проблемы. Задачи обеспечения электромагнитной совместимости, в том числе минимизации побочных, (паразитных) колебаний; снижения и подавления уровня нелинейных искажений имеют непреходящее значение для < самых различных отраслей радиофизики, а также электро- и радиотехники.. Несмотря- на бурное продвижение в миллиметровый, инфракрасный, терагерцевый и оптический диапазоны,, дефицит радиочастотных и СВЧ каналов: связи не уменьшается, а растет за счет быстрого' развития* ис применения различных радиотехнических устройств.
Поэтому задача обеспечения чистоты генерируемых, усиливаемых и передаваемых сигналов; минимизации- побочных колебаний, уровня» индустриальных радиопомех (ИРИ) в промышленных электрических цепях И: паразитных электромагнитных колебаний (ПЭМК) в эфире является: задачей-непреходящей актуальности. Эти задачи минимизации паразитных колебаний, нелинейных искажений и их подавления в.настоящее-время актуальны-для? диапазона от сверхнизких частот до СВЧ и КВЧ;
В этой связи разработка^, соответствующих математических моделей,, методов экспериментальных исследований, позволяющих прогнозировать уровень генерируемых ИРП и ПЭМК в промышленных и бытовых установках, осуществлять поиск методов их снижения и подавления, представляется актуальной и практически значимой. Достаточно отметить, что помехи в низкочастотной части радиодиапазона оказывают серьезное влияние на качество радио- и телекоммуникаций, сильно влияют на здоровье людей, наносят вред работе различных электротехнических изделий (например, помехи коммутационного происхождения в контактных сетях электротранспорта могут существенно отражаться на надежности и долговечности двигателей трамваев, троллейбусов и электровозов).
С целью борьбы с этими помехами практически с первых десятилетий появления и развития электротранспорта (в частности, горэлектротранспор-
5
та) были разработаны и внедрены реакторы помсхоподавления (РП), выполняющие две функции. С одной стороны, они препятствовали попаданию спектра паразитных колебаний от двигателей подвижных средств электротранспорта в контактную сеть с возможностью излучения в эфир. Во-вторых, они затрудняли проникновение помех, возникающих за счет, коммутационных процессов в контактной сети в электрические цепи самого трамвая, троллейбуса, электровоза:
Однако эти устройства традиционно выполнялись в виде массивных катушек индуктивности, выполненных из толстой и широкой алюминиевой, а чаще - медной ленты, навиваемой в обкладке из своеобразного сердечника.-тонкой ленты из электротехнической-стали.
Поскольку РП включаются последовательно в сильноточные электрические цепи (для горэлектротранспорта - это сотни ампер, для железнодорожного транспорта - килоамперы) толщину и ширину ленты в существующих РП выбирают достаточно большой, что обусловливает большую массу и очень высокую стоимость этих устройств. Так РП для трамваев и троллейбусов имеют массу до 60 кг, причем основная-(85*90 %) ее часть приходится на дорогостоящую медную ленту. Для электропоездов масса используемых РП (также на основе медной ленты) достигает зачастую более 1 т.
В этой связи задача разработки математических моделей, позволяющих корректно рассчитывать РП, осуществлять их оптимизацию с целью снижения стоимости и габаритов, а также повышения качества, представляется-технически важной и актуальной. Не решенной здесь до конца проблемой является строгое полевое математическое моделирование соленоидов различной формы с магнитными и электромагнитными экранами, позволяющее существенно (многократно) минимизировать массу и стоимость подобных устройств, получая при этом, как минимум, не худшие характеристики подавления паразитных колебаний. Для задач фильтрации важен корректный учет распределенных межвитковых емкостей в соленоиде.
6
Актуальной проблемой является миниатюризация и улучшение качества при проектировании электронагревательных устройств (ЭНУ) среднего и высокого уровней мощности. К улучшаемым характеристикам относятся: температура поверхности нагревательного элемента при стационарном режиме, равномерность распределения теплового потока, тепловая инерционность и эффективность обогрева, увеличенная скорость выхода на рабочий режим, надежность и долговечность. Это, в частности, достигается переходом от традиционных трубчатых электронагревателей (ТЭНов)к элементам* на основе открытых спиралей, а также последующим введением в цепь нагрева силовых полупроводниковых диодов (СПД): При этом за счет снижения эффективных значений тока и мощности нагрева (при сохранении их амплитудных значений) удается примерно-вдвое снизить активное сопротивление нагревательных элементов, т.е. габариты и стоимость ЭНУ. Однако использование СПД приводит к появлению высших гармоник и ИРП в подводящих проводах и окружающем пространстве: Поэтому актуальной задачей является исследование уровней высших гармоник в зависимости' от характеристик СПД, схемотехнического решения элекгронагревательного устройства, а также определение уровня излучаемой' мощности на гармониках. В литературе эти вопросы исследованы недостаточно.
Задачи моделирования паразитных колебаний и проведение их экспериментального исследования являются актуальными для технических приложений и проектировании ЭНУ.
Не менее актуальна и проблема снижения уровня высших колебаний в устройствах СВЧ нагрева, в которых необходимо, с одной стороны, максимально сконцентрировать достаточно равномерное электромагнитное поле в рабочей области, где происходит термообработка (сушка) объектов микроволнового воздействия, а с другой - необходимо минимизировать уровень электромагнитного поля СВЧ в областях, откуда возможно его излучение в свободное пространство. При этом уровень высших мод в многомодовых резонаторах этих установок желательно существенно снизить. Рассматривав-
мые промышленные установки СВЧ нагрева имеют открытые окна для конвейерной подачи продукта, и встает задача подавления излучения из них путем использования заграждающих фильтров.
Важной задачей является проведение экспериментальных исследований, позволяющих, с одной стороны оценить адекватность построенных моделей, а с другой проверить фактическое распределение полей в-различных вариантах построения- разрабатываемой электродинамической' системы. В этой связи* ставилась задача разработки математических моделей на основе интегральных уравнений для распределения поля в установке, а также расчет фильтров по-заданному значению интенсивности поля на апертуре окна. Модель адаптирована к прямоугольной камере СВЧ нагрева, возбуждаемой прямоугольным волноводом переменного сечения с продольной щелью.
Сформулированные выше вопросы определили актуальность проведенных в настоящей диссертационной работе исследований и позволили сформулировать общую цель диссертационно» работы: определение уровней паразитных электромагнитных колебаний и излучений в системах нагревательного и электромеханического типов, включая системы СВЧ обработки материалов, и разработка методов их подавления.
Для достижения указанной цели представлялось необходимым решить следующие основные задачи:
1. Разработать математические модели, адекватно описывающие стационарный и нестационарный режимы работы электронагревательных устройств различного типа с нелинейным полупроводниковым элементом и с учетом нелинейных тепловых процессов, т.е. излучения ПО закон}' Стефана-Больцмана, методы их экспериментального исследования, и на этой основе осуществить выбор типа электронагревательных элементов, наиболее полно удовлетворяющих современной системе требований к таким устройствам.
2. Разработать теоретические и экспериментальные методы оценки уровня напряжения радиопомех, создаваемого СПД, методы определения
корреляции уровня генерируемых радиопомех с собственными характеристиками диодов, определить влияние выбора схемного решения (способа и места включения СГТД в схему сложного электронагревательного устройства) на уровень создаваемых радиопомех.
3. Разработать математическую модель для анализа и синтеза реакторов иомехоподавления; учитывающую связь их индуктивности с конфигурацией. токопроводящей ленты,, конфигурацией и магнитной проницаемостью материала магнитного экрана, и произвести на этой основе* расчет различных конфигураций РП с магнитными экранами с учетом межвитковых и специально введенных емкостей и без них; провести экспериментальное исследование синтезированных конфигураций реакторов помехоподавления..
4. Провести моделирование и экспериментальное исследование прямоугольной камеры СВЧ нагрева с распределенным вводом мощности; исследование уровня паразитных излучений из окон подачи продукта.
Научная новизна результатов работы:
•Впервые в задаче для- цилиндрических электронагревательных элементов с несколькими концентрическими слоями получено решение уравнения теплового баланса с учетом конвекции и закона излучения Стефана-Больцмана в уравнении теплопроводности и в интегральном балансе, описывающее нестационарные процессы остывания и нагрева, динамику распределения температуры и позволившее оценить различие в поведении сравниваемых систем.
• Впервые с учетом нелинейных барьерной и диффузионной емкостей, а также влияния технологического разброса характеристик СПД в составе ЭНУ проведен расчет уровня нелинейных искажений в цепи переменного тока и создаваемых индустриальных радиопомех. Проведено экспериментальное исследование уровней ИРП ог сверхнизких частот до УВЧ, создаваемых разными отечественными и зарубежными СПД, включенными по различным схемам в цепи электронагревательных элементов.
9
•Разработанная математическая модель для анализа частотной характеристики квазипиковых значений радиопомех, построенная на основе итерационного решения нелинейного уравнения для тока, позволяет оценивать спектр радиопомех. В случае кусочно-линейной аппроксимации ВАХ СПД эта модель согласуется с аналогичными расчетами на основе функций Берга.
•На основе экспериментальных исследований и теоретических расчетов- индуктивности с электромагнитными экранами определена дисперсия-магнитной проницаемости электротехнической стали р., а также ее влияние на частотную характеристику подавления РП для слабых токов. Для импульсов сильных токов^исследовано влияние нелинейности и насыщения р на подавление гармонических составляющих, а также исследовано помехоподав-ление вплоть до СВЧ диапазона.
•На основе интегро-дифференциальных уравнений для электрического вектор-потенциала впервые получены соотношения для определения индуктивности реакторов помехоподавления (РП). Методом последовательных приближений проведен расчет индуктивностей с учетом электромагнитных экранов для-нескольких конфигураций РП.
•Проведено экспериментальное и теоретическое исследование распределения электромагнитного поля в- прямоугольной резонансной камере, возбуждаемой через щель связи прямоугольным волноводом переменного сечения. Измерение проведено по впервые разработанной оригинальной методике, использующей косвенный подход — путем измерения излучения из боковой плоскости камеры через отверстия в металлической пластине, закрывающей соответствующую ей плоскость.
•Разработанная на основе метода поверхностных интегральных уравнений строгая модель прямоугольной резонансной камеры СВЧ нагрева с тремя диэлектрическими слоями, возбуждаемой прямоугольным волноводом переменного сечения, позволяет получить распределение квадрата амплитуды электрического поля в нагреваемом слое с перепадом не более 50% по всей длине.
10
•Расчет, проведенный но основанной на методе интегральных уравнений электромагнитного поля, строгой модели прямоугольной резонансной камеры СВЧ нагрева, возбуждаемой-прямоугольным волноводом переменного сечения, показывает, что уменьшение ширины, щели, приводит к-увеличению амплитуды высокочастотного электрического поля в обрабатываемом. СВЧ полем диэлектрическом слое, при одновременном увеличении однородности распределения поля вдоль щели, однако при этом несколько уменьшается КПД передачи энергии из возбуждающего волновода в камеру.
Достоверность научных результатов н выводов работы подтверждается- соответствием проведенных экспериментальных исследований с данными численного моделирования, применением строгих в рамках постановки задачи моделей, а в ряде случаев совпадением этих данных с аналитическими результатами.
Научно-практическая значимость результатов.
Особую научно-практическую значимость работы представляют следующие ее результаты:
1. Введение дополнительных шунтирующих емкостей катушки индуктивности реактора помехоподавления позволяет в несколько- раз уменьшить число ее витков при одновременном увеличении подавления помех, при этом влияние межвитковых емкостей в виде всплесков на частотной характеристике подавления уменьшается.. Показано, что использование дополнительных шунтирующих емкостей на порядок увеличивает номехо-подавление и позволяет, как минимум, на порядок снизить габариты и стоимость.
Используемая в стандартных реакторах лента из электротехнической стали приводит к незначительному (порядка нескольких процентов) увеличению индуктивности, тогда как внешние электромагнитные экраны позволяют увеличить ее в несколько раз.
11
2. Решение нелинейного одномерного уравнения теплового баланса с учетом излучения прямыми методами показывает возможность значительного (порядка двух раз) возрастания температуры ТЭНов в малом временном промежутке после отключения питания ЭНУ и одновременном прекращении искусственного1 теплосъема, что является одним из основных недостатков ТЭНов при сравнении их с открытыми спиралями.
Разработанные математические модели могут в. силу своей общности использоваться исследователями, и инженерами-разработчиками электротехнического и электронного оборудования рассматриваемого типа.
Полученные результаты, теоретического и экспериментального исследования- практически полностью использованы в научно-производственной фирме «Этна» при проектировании и разработке мощных электронагревательных приборов, реакторов помехоподавления для горэлектротранс1 юрта и промышленного оборудования микроволновой сушки.
Апробация работы и публикации. Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной- физики СГУ и докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе на 4-й международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2007), 9-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2010), 10-м международном семинаре “Electromagnetics of Microwaves, Sub-millimeter and Optical Waves” (Саратов, 2010).
Материалы диссертации представлены в 17 опубликованных работах. Из них 3 статьи в реферируемых изданиях, входящих в список ВАК, 2 труда конференций, 6 патентов РФ.
Личный вклад* автора. Все основные результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором. Соискателем проведены численные и натурные эксперименты, выполнен теоретический анализ упрощенных моделей.
12
- Київ+380960830922