Что является основным элементом высокочастотного генератора

Генераторы плазмы

Радиочастотные генераторы плазмы серии РПГ предназначены для создания плазмы высокой плотности в вакуумных технологических установках промышленного и научно-исследовательского назначения.

Основным элементом генератора является плоская катушка, через которую пропускается ток промышленной частоты (13,56 МГц). Генератор выполнен в алюминиевом корпусе, снабжён коаксиальным вводом, устанавливаемым в камеру на скользящем уплотнении. Рабочая поверхность защищена съёмным защитным экраном, выполненным из кварцевого стекла, что позволяет легко производить его очистку по мере загрязнения. Генератор может работать с любыми газами, не вызывающими осаждения низкоомных слоёв на поверхности защитного экрана.

Диапазон рабочих давлений 0,1..40 Па, максимальная мощность ВЧ — 5000 Вт (13,56 МГц). Максимальная концентрация плазмы (аргон): в свободном объёме — 5·10 11 см -3 , в реакторе специальной конструкции — 2,5·10 12 см -3 .

Плотность плазмы определяется балансом между вложенной в разряд мощностью и потерями плазмы на стенках разрядной камеры и поверхности технологической оснастки. Достигаемая в процессе плотность плазмы и её распределение по технологическому объёму определяется конструкцией установки. Чем меньше объём камеры, тем большую плотность плазмы можно достигнуть.

Технологическое значение имеет поток ионов на поверхность подложки или мишени, поэтому более удобно использовать в качестве количественной меры плотность ионного тока. Суммарный полный ионный ток для аргоновой плазмы приблизительно равен 20 А/кВт. Для достижения больших значений плотности тока на поверхности подложки или мишени стараются уменьшить ток на стенки камеры и элементы технологической оснаски. Для этого применяют магнитные поля различных конфигураций.

Генераторы плазмы выпукаются в двух типоразмерах: РПГ-128 и РПГ-250, различающиеся диаметром рабочей области. РПГ-250 применяется в тех случаях, когда требуется высокая равномерность скорости обработки, а РПГ-128 позволяет достигать более высоких плотностей плазмы за счёт концентрации мощности в меньшем объёме. Для примера приведены зависимости средней плотности тока на плоский электрод, размещённый на оси плазмохимического реактора, от мощности (диаметр камеры — 250 мм, диаметр рабочей поверхности электрода — 150 мм, расстояние от генератора плазмы до электрода — 160 мм, для изоляции боковых стенок применено аксиальное магнитное поле).

Для управления энергией ионов, поступающих на подложку, можно использовать смещение от дополнительног источника. В случае проводящей подложки используется постоянное или среднечастотое напряжение, диэлектрической — высокочастотное. Даже в отсутствие смещения из-за наличия у плазмы собственного потенциала, ионы поступают на подложку с некоторой энергией. Средняя энергия слабо зависит от используемого газа и состаляет порядка 40-50 эВ. Этого достаточно для большинства технологических применений, при этом не происходит распыления подложки и повреждения её структуры. На рисунке приведено характерное распределение ионов по энергиям.

ВЧ генераторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Электронные устройства, классифицируемые как ВЧ генераторы, широко применяются в различной аппаратуре, предназначенной для специальных целей. Без ВЧ модулей и соответствующих им схем сегодня не обходится ни один радиопередатчик или измерительный прибор, используемый для настройки чувствительной аппаратуры. Помимо этого такие генераторы нередко применяются при необходимости тактирования частоты и управления работой сложных импульсных устройств.

Что собой представляют ВЧ генераторы конструктивно

В состав схемы генераторного устройства входят нелинейные элементы особого типа, позволяющие получить нужную передаточную характеристику. Обеспечить незатухающие колебания высокой частоты удается за счет применения «глубокой» положительной обратной связи (ОС), охватывающей типовой усилительный каскад.

Основная конструктивная особенность генераторов – использование в цепи ОС высокодобротных LC контуров, обеспечивающих получение нужной частоты. Получить такие значения с помощью резистивно-емкостных цепочек, как правило, не удается из-за характерных для них длительных переходных процессов.

Различные генераторные конструкции нередко выполняются в виде функциональных модулей или блоков, встраиваемых непосредственно в устройства. В зависимости от своего назначения они могут иметь соответствующие габариты.

Технические характеристики высокочастотных генераторов

К основным эксплуатационным показателям, которые полностью характеризуют ВЧ генераторы в качестве задающих устройств, относят:

Диапазон генерируемых частот в герцах.
Выходную мощность в ваттах.
Показатель стабильности частоты (в процентах герца).
Коэффициент нелинейных искажений или гармоник (он выражается в процентах).

Первый из этих параметров варьируется в диапазоне от нескольких сотен килогерц до десятков ГГц. Показатель выходной мощности зависит от конкретной разновидности и предназначения генератора. Он может колебаться от тысячных долей ватта и вплоть до сотен кВт.

Стабильность генерируемых частот зависит от используемого схемного решения и наличия в нем специальных элементов, поддерживающих этот параметр в допустимых границах. Требования к этому показателю задаются еще на стадии разработки генерирующего модуля и также зависят от его целевого назначения.

Нелинейные искажения – важнейшая характеристика устройства, значение которой в ВЧ генераторах не должно превышать определенного предела. При нарушении этого требования генерируемый сигнал сильно искажается, а сама схема не сможет выполнять свои основные функции в полном объеме.

Классификация ВЧ генераторов

Различные исполнения генерирующих устройств отличаются следующими характерными признаками:

Полоса генерируемых частот.
Номинальная выходная мощность.
Форма колебаний.
Области применения.
Габариты модульного изделия.

Согласно первому признаку ВЧ генераторы делятся на приборы, работающие в радиовещательном диапазоне (10кГц-50МГц), а также на изделия, генерирующие метровые и ДМ волны (4-1200 МГц). Отдельную группу представляют СВЧ устройства с рабочими частотами выше 1 ГГц.

По второму признаку генераторы подразделяются на следующие виды:

Аппараты со сравнительно низкой выходной мощностью.
Изделия со средним значением этого показателя.
Мощные генерирующие модули.

По форме выходного сигнала эти приборы делятся на синусоидальные генераторы, а также на устройства, позволяющие получать прямоугольные ВЧ импульсы. Нередко в специальных целях выпускаются генераторы ВЧ колебаний сложной формы.

В соответствие со своим прямым назначением ВЧ генераторы делятся на изделия, используемые в следующих видах специальной аппаратуры:

Радиовещательные передатчики и радиоприемники.
Специальная аппаратура связи (рации).
Тактовые генерирующие устройства.
Измерительные генераторы.

Габариты устройств зависят от их мощности и занимаемого модулем места в пределах корпусной части изделия.

Где применяются ВЧ генераторы

Эти устройства широко применяются не только в радиотехнической практике в качестве измерительных генераторов, например. Их основное назначение – работа в радиопередатчиках и узлах связи, используемых в различных сферах человеческой деятельности. К последним следует отнести:

Космическую связь.
Радиолокационные системы.
Авиационные диспетчерские комплексы радиосвязи.
Оперативную военную связь и службы МЧС.
Железнодорожную, речную и морскую диспетчерскую связь.
Логистику и службы автоперевозок.
Охрану объектов от проникновения посторонних лиц.
Лечебные и профилактические мероприятия.

Кроме того, ВЧ генераторы широко применяются в лабораторных условиях с целью регулировки, настройки и контроля радиотехнических устройств. С их помощью проверяются специальные измерительные линии, антенные устройства (фидеры) и множество других видов специальной аппаратуры. При проведении электротехнических исследований эти устройства востребованы при измерении характеристик цепей с распределенными параметрами и нагрузками.

ВЧ генераторы в медицине

В медицинской практике используется свойство э/м колебаний, получаемых в ВЧ генераторах, прогревать мышечные ткани и клетки организма при длительном воздействии на них. Такая возможность связана с высокой энергетической «заряженностью» высокочастотных колебаний.

С физической точки зрения это объясняется большой скоростью перемещения частиц, из которых состоит электромагнитная волна. Меняя интенсивность и частоту генерируемых устройством волн, удается достигнуть нужного лечебного эффекта.

Свойства ВЧ колебаний, их преимущества и недостатки

Основное достоинство ВЧ колебаний, формируемых генераторными устройствами, состоит в их высоком энергетическом потенциале, позволяющем волнам распространяться на огромные расстояния. Именно эта особенность ВЧ сигналов наряду с прямолинейностью их излучения используется в радиосвязи и локации.

Еще одно уникальное свойство высокочастотных волн – тепловое воздействие, оказываемое ими на плотные по структуре вещества и тела. Указанная особенность ВЧ колебаний позволяет использовать их в медицине, в СВЧ печах и в нагревательных устройствах различного типа.

Перечисленные достоинства генераторных модулей оцениваются с учетом реальных условий эксплуатации нагревательных печей, а также особенностей работы радиопередающей и измерительной аппаратуры. Дело в том, что для получения нужного эффекта электромагнитные колебания высокой частоты должны обладать большой энергией. Это значит, что при разработке формирующего их ВЧ генератора потребуется увеличивать его мощность, что связано с большими материальными издержками.

К недостаткам радиотехнических и радиолокационных устройств относят свойство ВЧ волн поглощаться телами достаточной плотности, после чего их энергия превращается в тепловую форму. Эффективность передачи сигналов на удаленные расстояния или способность определения местонахождения движущихся объектов в этом случае резко падает.

Практические схемы задающих генераторов

Задающие ВЧ генераторы чаще всего собираются на основе простейших LC контуров или кварцевых резонаторов, относящихся к зависящим от частоты элементам. Цепочки из индуктивностей и емкостей в некоторых схемах генераторных устройств легко заменяются кварцами соответствующей резонансной частоты. Различают несколько схем ВЧ генераторов, отличающихся типом и местом установки задающего частоту контура.

Индуктивная 3-х точка

Схема генератора ВЧ, выполненного по этому принципу (Рис.-1). Ее особенность состоит в наличии положительной обратной связи, образованной отводом от катушки индуктивности L1. Поддержание режима постоянной генерации ВЧ колебаний достигается за счет передачи части их энергии с выхода на вход схемы. Частота генератора задается параметрами резонансного контура L1C1.

VCH generatory 2

К недостаткам простейших схем типа «индуктивная 3-х точка» относят низкую стабильность частоты и необходимость поддержания температурного режима работы модуля.

Первый и самый важный из этих минусов объясняется эффектом шунтирования биполярным транзистором задающей частоту цепочки (колебательного контура). Избежать этого недостатка позволяет замена обычного полупроводникового прибора на элемент с высоким входным сопротивлением.

Индуктивная 3-х точка на полевом транзисторе

При использовании этого типа полупроводникового элемента его высокое сопротивление по входу ослабляет эффект шунтирования колебательного контура и его зависимость от нагрузки. Благодаря этому удается повысить стабильность частотных характеристик генераторного устройства и добиться устойчивости работы всего задающего каскада.

VCH generatory 3

Добавим к этому, что его схема (Рис.-2) полностью повторяет рассмотренный ранее вариант на биполярном транзисторе.

Емкостная 3-х точка

Задающий генератор ВЧ, собранный по схеме емкостной 3-х точки на биполярном транзисторе (Рис.-3). Здесь обратная связь образуется не за счет подключения к части обмотки катушки, как это делалось в предыдущем случае.

VCH generatory 4

В этом случае она берется с одной половинки емкостного делителя, входящего в состав колебательного контура. У данной схемы, как и в предыдущем случае, имеются те же недостатки (нестабильность частоты и зависимость режима работы от величины нагрузки). Устраняются они точно таким же образом, когда вместо обычного биполярного транзистора в схемном решении используется его полевой аналог.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Трубников В. З.

Статья посвящена проблеме разработки генераторов переменного тока повышенных частот для питания резонансных электрических систем транспортирования электроэнергии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Статья посвящена проблеме разработки генераторов переменного тока повышенных частот для питания резонансных электрических систем транспортирования электроэнергии.

Ключевые слова: генератор переменного тока, резонансная электрическая система, инвертор.

Резонансный метод передачи электроэнергии на повышенных рабочих частотах по однопроводным линиям электропередачи обладает целым рядом эксплуатационных и коммерческих преимуществ, заключающихся в повышении пропускной способности и защищенности от коротких замыканий, снижении материалоемкости и капиталовложений при строительстве, снижении электрических потерь, а также затрат на эксплуатацию [1].

Одним из основных элементов комплекта оборудования РЭС является регулируемый генератор переменного тока повышенной частоты. В настоящей работе представлены результаты выполненных разработок по созданию генератора мощностью 50 кВт, а также описаны генераторы другого назначения. В основу разработки положены результаты предшествующих работ в области резонансных способов передачи электрической энергии.

Разработанный генератор предполагается использовать в качестве экспериментального источника питания для отработки схем и исследования режимов работы резонансных электрических систем, а именно:

— разработка методов увеличения передаваемой мощности;

— экспериментальное исследование режимов работы генераторов переменного тока повышенной частоты при работе с трехфазной резонансной сетью;

— экспериментальное исследование работы генераторов переменного тока повышенной частоты при работе инвертора, нагруженного на последовательные или параллельные резонансные нагрузки;

— отработка методов конструирования инверторных мостов с точки зрения оптимизации температурных режимов;

— отработка методов и макетирование программ управления силовыми ключами генератора при синтезе систем беспроводно-ПОЛЗУНОВСКИЙВЕСТНИК№2/2 2011

го резонансного электропитания с бесконтактной коммутацией энергопотребителей;

— наработка экспериментального материала с целью формирования перечня практических рекомендаций для создания надежного, не нуждающегося в сложном регламентном обслуживании оборудования для резонансных энергосистем.

Корпус генератора выполнен из листового железа толщиной 2 мм, он конструктивно «завязан» по бокам на алюминиевые охладители с вертикальными, конвективно охлаждаемыми окружающим воздухом, ребрами.

Сзади корпус генератора по периметру крепится к прямоугольной несущей раме из стального уголка 25 х 25. Рабочее положение корпуса генератора вертикальное с допустимым отклонением от вертикали ± 150. К вертикальным несущим конструкциям генератор крепится четырьмя болтами, для чего в раме имеются технологические «косынки» с отверстиями для болтов.

Спереди корпус герметично закрывается крышкой с уплотнением, обеспечивающим защиту на уровне 1Р-20. Корпус генератора покрыт коррозионно-стойкой краской, устойчивой к поражению грибком.

Внешний вид генератора представлен на рисунке 1.

Внутри корпуса имеются высоконадежные продувочные вентиляторы для выравнивания температур на тепловыделяющих элементах, а так же для исключения образования «карманов» с перегретым воздухом.

На рисунке 2 представлено размещение силовых элементов внутри корпуса генератора, для чего снята передняя крышка и показан правый охладитель с ЮБТ- столбами.

Выходной силовой каскад генератора выполнен в виде трех спараллеленных по питанию инверторных мостов на столбах ЮБТ с рабочим напряжением 1200 В и до-

пустимым током в импульсе 150 А (тип 8КМ 150 СБ 123Р, 8ЕМ!КР01\1). Столбы (6 штук) установлены на предварительно отполированную поверхность алюминиевых охладителей. Посадка на поверхность охладителя осуществлена через теплопроводящую пасту.

Рисунок 1 — Внешний вид генератора повышенной частоты

Рисунок 2 — Размещение силовых элементов в генераторе

Блок-схема электрических соединений компонентов генератора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Блок-схема электрических соединений компонентов генератора

На каждом из охладителей установлено по три столба.

В звене постоянного тока применены силовые электролитические конденсаторы 3300

мкФ, 450 В фирмы PHILIPS. По постоянному току преобразователь частоты питается от выпрямительного устройства, конструктивно не входящего в состав генератора.

Управление затворами IGBT транзисторов осуществляется с помощью драйверов SKH160H 4,0 SEMIKRON, конструктивно размещенных на трех самостоятельных платах. Драйверы обеспечивают питание входных цепей IGBT, контроль длительности «мертвого времени», контроль режима насыщения коллекторного перехода, а также гальваническую «развязку» цепей затворов катодных и анодных транзисторов между собой и с цепями низковольтных устройств, формирующих управляющие сигналы. Электрическая прочность «развязки»- 4,0 кВ. В производстве плат использована технология поверхностного печатного монтажа с последующей защитой электропроводящих поверхностей и установленных на них активных и пассивных электронных и электротехнических компонентов. Платы драйверов питаются напряжением (+15В)-0-(-15В) от вторичных источников питания производства фирмы «Ирбис».

Источники питания выполнены с применением поверхностного печатного монтажа, питаются от сети 220 В, 50 Гц, имеют на выходе самовосстанавливающуюся защиту от КЗ и перегрузок. Электрическая прочность развязки между выходными и входными цепями 2,5 кВ. В генераторе используются 6 вторичных источников питания с выходной мощностью 15 Вт.

Выходные цепи силовых инверторных мостов могут быть запараллелены или разъединены, обеспечивая питанием, таким образом, электрически объединенные или разъединенные нагрузки (в том числе и разной мощности). Каждый из мостов обладает выходной мощностью 20 кВт, при электрически запараллеленном режиме обеспечивается мощность до 60 кВт. Предусматривается возможность управления ключами с фазовым сдвигом во времени на 1200. Этот режим работы предполагается использовать при исследовании особенностей работы трансформаторов Тесла в группе из трех образцов, с подачей энергии в один энергетический канал.

Проведены предварительные испытания генератора с определением следующих показателей:

— проверка работоспособности в частотном диапазоне 0-20 кГц на холостом ходу при номинальном напряжении питания;

— проверка работоспособности каждого из выходных каналов путем подключения активной нагрузки в виде ламп накаливания общей мощностью 30 кВт к каждому из выходов I, II, III. При раздельном нагружении два оставшихся канала работали в режиме холостого хода. Время работы под нагрузкой не менее 10 минут;

— проверка работоспособности при параллельном включении каналов попарно (!,М), (ММ), (II, III) путем подключения нагрузки в виде ламп накаливания к запараллеленным каналам. Оставшийся канал работал в режиме холостого хода. Время испытания не менее 10 мин.;

— проверка работоспособности при параллельном включении на одну нагрузку трех каналов путем подключения нагрузки в виде ламп накаливания к запараллеленным каналам (I, II, III). Время испытания не менее 10 минут.

Блок-схема стенда для предварительных испытаний генератора переменного тока повышенной частоты приведена на рисунке 4.

Здесь А, Б, С, N — силовая электрическая трехфазная сеть (3×380) В, 50 Гц. П — устройство для подключения испытательной станции к силовой сети. Тр — трехфазный регулируемый трансформатор. Клеммы а 2, Ь 2, с 2 предназначены для подключения к выходным обмоткам трехфазного трансформатора низкочастотного трехфазного выпрямителя Б1. Вольтметр постоянного тока V служит для контроля выпрямленного напряжения, подаваемого на вход испытуемого генератора Пч.1.

Рисунок 4 — Блок-схема соединений узлов при проведении испытаний генератора

Л1 ^ Л30- лампы накаливания, выполняющие роль активной нагрузки, мощность каждой 1,0 кВт, напряжение 220 В. Пч. 2- SVO37 Н-4и

RUS -русифицированная версия преобразователя частоты (Южная Корея) с высокочастотным выпрямителем на входе для преобразования электрической энергии повышенной частоты до 20 кГц в промышленный стандарт (3×380) В, 50 Гц для питания трехфазного асинхронного двигателя ДВ. Мощность преобразователя Пч.2 — 5,5 кВт, мощность двигателя 2,2 кВт. Тр.2, Тр3- резонансные трансформаторы мощностью 20 кВт. С1, С2 — электрические конденсаторы для организации резонансного режима работы передающего Тр.2 и принимающего Тр.3 резонансных трансформаторов. Du, Dl — датчики напряжения и тока, служат для наблюдения формы напряжения и тока. Коэффициент преобразования датчика напряжения 0,01 В/В, номинальное напряжение на выходе датчика — 10 В. Диапазон рабочих частот 0 ^ 200 кГц. Тип датчика LP-20. Коэффициент преобразования датчика тока 0,1 В/А, номинальное напряжение на выходе датчика -10 В. Диапазон рабочих частот 0^ 250 кГц. Тип датчика LEM-100. Прочность электрической «развязки» между испытуемыми цепями и выходами датчиков 2,5 кВ, питание от двупо-лярных источников постоянного напряжения ± 15 В, типа «Ирбис» (на блок-схеме не указаны). PСS -500 — цифровой двухканальный осциллограф, управляемый от ноутбука. PCG-10 — цифровой генератор управляющих Пч.1 сигналов. PСG-10 управляется ноутбуком. Rovemook- управляющий осциллографом и генератором ноутбук. PСS-500, PСG-10 и Rovemook питаются от сети переменного тока 220 В, 50 Гц через автономные адаптеры (на блок-схеме не указаны). Фирма-производитель PCS-500, PCG-10 и программного обеспечения к ним — Welleman.

Для подключения к внешним устройствам генератор переменного тока Пч.1 снабжен входными клеммами питания, а также выходными клеммами для вывода мощности по трем идентичным каналам I, II, III, (маркировка клемм 1.1, 1.2; 2.1, 2.2; 3.1, 3.2.). Управляющий сигнал переменной частоты 0-20 кГц подается в генератор через разъем «Г». Для питания вентилятора и внутренних вторичных источников питания в генератор Пч.1 подается питание промышленного формата 220 В, 50 Гц. Корпус генератора заземляется с помощью приваренного болта заземления «З» (M8x30) на контур защитного заземления лабораторного корпуса голым, гибким, многожильным проводом, сечением 16 мм2.

Во время испытаний генератора определены основные электроэнергетические параметры. Динамические характеристики будут исследоваться в последующих экспериментах.

Коротко результаты испытаний могут быть представлены следующим образом. Параметры выходного тока:

— форма напряжения — меандр;

— форма тока при нагружении на резонансную нагрузку — синус;

— напряжение на выходе преобразователя при номинальной нагрузке по амплитуде меандра — не менее 480 В;

— частотный диапазон выходного тока 0,5 Гц ^ 20 кГц.

Секционирование энергии на выходе генератора:

— три автономных выхода с индивидуальными энергетическими возможностями не менее 19 кВт;

— общая выходная мощность не ниже 50 кВт;

— коэффициент полезного действия не хуже 0,97.

Указанный КПД достигнут за счет того, что коммутация силовых ключей производится при переходе выходного тока через нуль.

— защита от сквозных токов в ключах ин-верторных мостов;

— защита от неполного открывания ключей;

— защиты от КЗ по выходам мостов;

— обеспечивается «мягкий» пуск при автономном режиме работы генератора.

— управляющие импульсы генерируются персональным компьютером.

Защита от воздействия окружающей среды: уровень защиты не хуже !Р-20.

Конструкция корпуса защищена патентом РФ на полезную модель N 42728 «Устройство защиты от внешних воздействий и стабилизации температуры электрической схемы» [2].

С целью обеспечения возможности натурного макетирования испытаний и корректировки при изготовлении силовых узлов преобразователя был разработан и изготовлен испытательный стенд — резонансная электрическая система мощностью 30 кВт [3], [4], [5]. Стенд включает в себя все элементы типовой резонансной системы для передачи электрической энергии, а именно, на передающей стороне: управляемый по частоте

генератор переменного тока; повышающий резонансный трансформатор; передающую линию длиной 0,475 км; на приёмной стороне: понижающий резонансный трансформатор; нагрузочный модуль, содержащий 30 электрических однокиловаттных ламп накаливания. Лампы объединены в группы с возможностью регулирования величины нагрузки.

Входной генератор переменного тока выполнен на твёрдотельных силовых 1вБТ-ключах с номинальными значениями допустимого тока 150 А и допустимого напряжения 1200 В. Тип ключей: БКМ 150 вБ 122 й, Бв-ткгоп.

Генератор работает с изменяемым напряжением в звене постоянного тока. С этой целью во входном модуле стенда кроме генератора переменного тока имеются два устройства, обеспечивающие возможность задания в звене постоянного тока генератора любого напряжения в диапазоне (0 -г- 520) В.

При исследованиях узлов маломощных резонансных систем передачи электрической энергии используется трёхфазный трансформаторный регулируемый вход и выпрямляющий мост Ларионова в структуре генератора (для систем с мощностью не выше 20 кВт). При исследованиях узлов резонансных систем мощностью до 35 кВт используется автономный, регулируемый по углу открывания, тиристорный двухполупериодный трёхфазный мост. Выпрямленное напряжение при этом подаётся непосредственно на конденсаторную батарею звена постоянного тока генератора стенда, минуя нерегулируемый выпрямляющий мост на его силовом входе.

Повышающий резонансный трансформатор выполнен в виде многослойной катушки с внешним диаметром 900 мм, намотан медным проводом сечением 1 мм2 , тип ПВВ-1, в полиэтиленовой изоляции с внешним диаметром по изоляции 8 мм. Поверх повышающей обмотки намотана катушка накачки. Сечение провода катушки накачки 25 мм2 . Катушка накачки подключается к выходу питающего генератора переменного тока с управляемой частотой через разделительный конденсатор 1,5 мкФ. Конденсатор не только защищает выход генератора от нештатной ситуации (короткое замыкание) при прекращении переключения напряжения на ключах, но и обеспечивает резонансный режим накачки трансформатора.

Передающая линия выполнена тем же проводом, что и высоковольтная обмотка повышающего трансформатора (ПВВ-1).

Понижающий трансформатор на приёмной стороне выполнен аналогично передающему, обеспечивая при этом симметричность преобразования напряжения вдоль канала передачи энергии. Концы высоковольтных обмоток передающего (повышающего) и принимающего (понижающего) трансформаторов, прилежащие к низковольтным обмоткам, заземлены. Высоковольтные (внутренние) выводы резонансных трансформаторов соединены с передающей линией. В местах выхода линии из испытательного зала использованы проходные керамические изоляторы.

Блок-схемы передающего и принимающего модулей стенда резонансной системы передачи электрической энергии приведены на рисунке 5 и рисунке 6.

Рисунок 5 — Блок-схема резонансной системы передачи электрической энергии (передающий модуль стенда)

Рисунок 6. — Блок-схема резонансной системы передачи электрической энергии (принимающий модуль стенда)

Здесь: I, II, III — варианты подачи трёхфазного питающего напряжения на резонансную систему, РТр — регулируемый трёхфазный трансформатор, ГН — генератор переменного тока с управлением по частоте, ВЗПТ — вольтметр в звене постоянного тока генератора, РВ — ре-

гулируемый тиристорный выпрямитель, ЗГ -задающий генератор звуковой частоты, С1, С2 — конденсаторы в цепях накачки и слива, ДТ1, ДТ2 — датчики тока в цепях накачки и слива, 1н, 1сл — катушки накачки и слива, Ц 1

— высоковольтная передающая катушка, В.В. ЛИНИЯ — резонансная высоковольтная линия, Ц 2 — высоковольтная принимающая катушка, кВ1, кВ2 — киловольтметры на передающей и принимающей сторонах, йШ, йи2

— датчики напряжения накачки и слива, Р1 + Р30 — рубильники нагрузочного модуля, Л1 + Л30 — киловаттные лампы, В — высокочастотный выпрямитель, ПЧ — преобразователь частоты, АД — асинхронный двигатель, ЦО -двухканальный цифровой осциллограф.

Для измерения напряжения в линии использовались киловольтметры типа С196 с пределами 7,5 кВ, 15 кВ, 30 кВ. Напряжение на звене постоянного тока генератора измерялось вольтметром типа М42301 с номиналом измеряемого напряжения 600 В.

При экспериментах фиксировались величины токов накачки и нагрузки, напряжений в высоковольтной линии и в звене постоянного тока питающего генератора переменного тока с изменяемой частотой при различных величинах нагрузки на выходе стенда и различных питающих напряжениях со стороны силового входа резонансной сети.

Перед началом экспериментов система передачи энергии путём изменения частоты на задающем генераторе настраивалась в резонанс. При резонансе форма тока накачки принимала синусоидальную форму. На рисунке 7 приведён пример снятых на стенде зависимостей напряжения на высоковольтной линии от величины питающего напряжения переменного тока при различных величинах нагрузки.

Резонансная частота составляла 4,7 кГц.

Входное напряжение питания, В

—Нагрузка 10 ламп й Нагрузка 20 ламп 9 Нагрузка 30 л;

Рисунок 7. — Зависимость напряжения на высоковольтной линии от напряжения питания

Внешний вид входного модуля с генератором переменного тока представлен на рисунке 8. На рисунке 9 представлен повышающий трансформатор. Понижающий трансформатор внешне ничем не отличается.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рисунок 8 — Входной модуль стенда

При испытаниях и настройке стенда промоделирован режим совместной работы на активную нагрузку (лампы накаливания) и на промышленные инверторы — преобразователи для управляемого привода на базе асинхронных двигателей.

Рисунок 9 — Повышающий трансформатор

Рисунок 10 — Модуль преобразователей частоты

На инверторах-преобразователях (см. рисунок 10) заданы вентиляторные силовые

характеристики. Один инвертор используется для питания 400-герцовых АД, другой — для АД на 50 Гц. На выход 50-герцового инвертора подключён АД с генератором постоянного тока на валу. Мощность мотор-генераторного агрегата — 2,2 кВт. Номинальная мощность питающего инвертора-преобразователя — 5,5 кВт. Для питания инверторов-преобразователей напряжение, снимаемое со сливной обмотки резонансного понижающего трансформатора, выпрямлялось и подавалось непосредственно на конденсаторные батареи инверторов.

Для питания экспериментальной резонансной системы снабжения электрической энергией мобильных агрегатов на базе полученных в ВИЭСХ теоретических и экспериментальных результатов в области резонансных методов передачи электрической энергии разработан высоко-частотный резонансный генератор (далее ВРГ-25).

Генератор ВРГ-25 представляет собой специализированный статический инвертор с изменяемой частотой выходного тока, блок-схема представлена на рисунке 11.

Генератор ВРГ-25 в своем составе имеет:

— на входе, выпрямитель трехфазный, на оптоуправляемых тиристорах ТО- 80 — 12;

— на выходе, трехканальный силовой инвертор на базе ЮБТ столбов, управляемый от местного автономного контроллера;

— систему внутреннего мониторинга и диагностики режимов работы генератора и состояния выходных силовых характеристик электрической энергии;

— систему защиты выходного инвер-торного модуля от нештатных отраженных энерготранспортирующим устройством энергетических импульсов;

— устройство защиты силовых ключей от сквозного тока;

— устройство приема и обработки сигналов обратной связи для защиты силовых ключей от превышения выходного тока;

— устройство токового ограничения на входе генератора в режиме пуска.

Драйвер и внутренние потребители электрической энергии питаются от АС-ДС преобразователей с выходными напряжениями + 15В и -15 В. АС-ДС преобразователи имеют самовосстанавливающуюся защиту от КЗ и длительной перегрузки.

Электрическая прочность развязки между входными и выходными цепями АС-ДС преобразователей 2, 5 кВ, выходная мощность 15 Вт.

Технические характеристики ВРГ-25

Выходная мощность, кВт. 25;

Напряжение питания. 3 фазы 380 (50 Гц)

Частота выходного тока, Гц. 100-15000

Напряжение на выходе, В. 380

Габариты, мм. 450Х170Х220

Рисунок 11 — Блок-схема генератора электропитания

Здесь: Х1 — клеммная колодка для подключения ВРГ-25 к питающей электросети переменного тока (380*220) В, 50 Гц;

Х2 — клеммная колодка для подключения резонансных трансформаторов сети мобильных потребителей;

Е1 — трёхфазный выпрямляющий мост на оптоуправляемых тиристорах;

Е2 — конденсаторный накопитель в звене постоянного тока. Показан один столб С1 -С2 с выравнивающим резисторным делителем Я1 — Я2;

Е3 — устройство аварийного слива отражённой от потребителя электрической энергии. ОУй — оптроуправляемый от датчика перенапряжения тиристор. ЯП -поглощающая нагрузка;

Е4 — управляющий микропроцессорный контроллер;

Е5 — панель управления генератором;

Е6 — вторичные преобразователи напряжения АС — йС для питания электроэнергией внутренних потребителей генератора;

йи — датчик напряжения (перенапряжения) в звене постоянного тока;

й1 — датчик тока для защиты от длительных перегрузок (времятоковая защита);

йг.1, йг.2, йг.3 — драйверы для управления затворами силовых ключей;

УТ1, УТ2, УТ3, УТ4, УГ5, УГ6 — ЮБТ -ключи выходного инверторного моста;

Уй1 + Уй6 — обратные скоростные диоды силовых ключей.

«З» — клемма защитного заземления генератора электропитания ВРГ-25.

Подключение энерготранспортирующего устройства к ВРГ-25 производится через резонансные трансформаторы к выходной силовой клеммной колодке «ВЫХОД» в соответствии со схемой на рисунке 12.

У’оштс т/шгя’ ожшм-

Рисунок 12 — Структурная схема подключения ВРГ-25

Здесь: О — автомат для подключения стенда к питающей сети 3 фазы 380 В, 50 Гц;

А1 — энерготранспортирующее устройство;

РТр1, РТр2, РТр3 — резонансные трансформаторы;

УРЧ-15 — устройство с регулируемой частотой выходного тока (ВРГ-25), верхняя частота 15 кГц.

Генератор размещается в вертикальном положении на расстоянии не более 30 м от резонансных трансформаторов сети мобильных потребителей. Корпус ВРГ-25 подлежит обязательному заземлению.

1. Разработан и изготовлен экспериментальный образец трёхканального генератора переменного тока повышенной частоты (до 20 кГц) с общей выходной мощностью 50 кВт. Генератор способен питать от одной до трёх резонансных систем передачи электрической энергии, позволит опытным путём проверить

теоретические наработки по созданию резонансных сетей с фазностью более одной.

2. Для экспериментальной проверки функционирования вновь разрабатываемых узлов резонансных электрических сетей изготовлен стенд — резонансная система передачи электрической энергии мощностью 30 кВт, позволивший в опытном режиме эксплуатации довести силовые узлы генератора мощностью 50 кВт, экспериментально подтвердить и уточнить возможность 3-х кратного умножения частоты выходного тока.

3. Разработан инвертор-преобразователь питания экспериментального резонансного магнитоиндукционного энерготранспор-тирующего устройства для мобильных энергопотребителей.

1. Стребков, Д.С., Резонансные методы передачи и применения электрической энергии/ Д.С. Стребков, А.И. Некрасов- М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. -352 с.

2. Патент на полезную модель РФ № 42728. Устройство защиты от внешних воздействий и стабилизации температуры электрической схемы./

Трубников В.З., Константиниди В.К. // Б.И. 2004. — № 34.

3. Некрасов А.И., «Резонансная система передачи электрической энергии мощностью 30 кВт.» III Конференция / А.И. Некрасов, Д.С. Стребков, В.З. Трубников- 2008 «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование». Доклад П-4.09. ТРАВЭК. ВЭИ, (2829) май, 2008, Московская обл. Россия.

4. Трубников, В.З. «Полуволновые линии передачи электроэнергии на резонансных трансформаторах»./ В.З. Трубников / Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 6 — С. 39-41.

5. Стребков Д.С. Некрасов А.И., Трубников В.З. Резонансная система передачи электрической энергии / Д.С. Стребков, А.И. Некрасов, В.З. Трубников Материалы Всеросс. научно-техн. конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования». — Томск, ТПУ, 2010. — С. 205-207.

Трубников В.З., научный сотрудник отдела электроснабжения, Ггосударственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ), тел.:8 (495) 171-19-20, 8 (495) 171-02-74, E-mail: viesh@dol.ru

Генератор сигналов высокочастотный Г4-158

Для диагностики и настройки аппаратуры передающей и приемной используют генератор сигналов высокочастотный Г4-158. Так же прибор можно применять в качестве источника некалиброванного и немодулированного сигнала.

Применение генератора Г4-158

Генератор Г4-158 актуален в лабораторных подразделениях предприятий, в цехах, в информационно-измерительных отделах, в ремонтно-проверочных отделениях и на автоматизированных рабочих местах. Устройство работает с оборудованием, функционирующим в частотных и амплитудных модуляциях, и не модулируемых колебаниях.

Устройство и принцип действия генератора Г4-158

Генератор Г4-158 представляет собой металлический прямоугольный модуль. Рабочие компоненты (индикационные приборы и элементы управления) расположены на лицевой панели устройства. Основным рабочим органом устройства является генератор управляемый напряжением. Он формирует синусоидальный сигнал. ГУН управляется автоподстройкой. Сигнал проходит делитель частоты и НЧ-фильтры, а далее передается на усилитель, где создается полный диапазон. Затем сигнал отправляется на регулятор, где он стабилизируется и регулируется. Сигнал в устройстве может модулироваться, как от внешнего низкочастотного источника, так и от внутреннего низкочастотного генератора. Управление прибором осуществляется микропроцессором, которым можно управлять либо с передней панели, либо дистанционно.

Характеристики

по истечении времени установления рабочего режима;
после самопрогрева в течение одного часа;
нестабильность частоты.

Пределы измерения выходного напряжения

От 0,1*10 -6 до 2 В

Основная погрешность установки:

опорного уровня выходного напряжения;
ослабления аттенюатора;
нестабильность выходного напряжения.

Не более от +/-0,5 до+/-1,0 Дб

Не более от +/-0,5 до+/-1,5 Дб

Уровень гармоник несущей частоты

Девиация паразитной частотной модуляции в полосе частот от 0,03 до 20 кГц, (f н – несущая частота)

не более 0,5·10 -6 f н +5 Гц

Коэффициент паразитной АМ в полосе частот от 0,03 до 20 кГц

Предел устанавливаемой девиации частоты

От 0,1 до 600 кГц

Диапазон частот модулирующего сигнала:

от 1 до 4 МГц;
от 4 до 130 МГц.

От 0,03 до 20 кГц

От 0,03 до 60 кГц

Коэффициент гармоник огибающей ЧМ сигнала

Не более от 1 до 3%

Коэффициент паразитной АМ

Пределы изменения коэффициента АМ с дискретностью 1 %

Основная погрешность установки коэффициента АМ

Диапазон частот модулирующего сигнала