Подавление паразитных радиочастотных колебаний в системах нагревательного и электромеханического типов

Актуальность проблемы: Задачи обеспечения электромагнитной совместимостив* том числе минимизациишобочных-(паразитных) колебанийснижениям и подавления уровня?- нелинейных искажений имеют непреходящее значение для? самых различных отраслей радиофизикиа также электрои радиотехники. Несмотряна бурное продвижение в миллиметровыйинфракрасный, терагерцевый и оптический диапазоны, дефицит радиочастотных и СВЧ каналов снязи не уменьшается, а растет за счет быстрого развития" и применения различных радиотехнических устройств.

Поэтому задачах обеспечения чистоты генерируемых, усиливаемых и передаваемых сигналовминимизации? побочных колебанийуровня индустриальных радиопомех (ИРП) в промышленных электрических цепях И: паразитных электромагнитных колебаний (ИЭМК) в эфире является задачей' непреходящей актуальности. Этизадачи минимизации паразитных колебаний, нелинейных искажений" и их подавленияв настоящее время" актуальны" для' диапазона от сверхнизких частот до &euro-ВЧ и КВЧ.

В' этой связиразработка^ соответствующих математических моделей, методов экспериментальных исследованийпозволяющих 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 радиои 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 частностигорэлектротранспорта) были разработаны и внедрены реакторы помехоподавления (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.

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 (СГТД): 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 пространствеПоэтому актуальной задачей является исследование уровней высших гармоник в зависимостиот характеристик СПД, схемотехнического решения электронагревательного 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. Рассматривавмые 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 построенияразрабатываемой электродинамическойсистемы. В этой связиставилась 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 диссертационной 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 закону 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 8 корреляции уровня генерируемых радиопомех с собственными характеристиками диодов, определить влияние выбора схемного решения (способа и места включения СПД в схему сложного электронагревательного устройства) на уровень создаваемых радиопомех.

3. Разработать математическую модель для анализа и синтеза реакторов помехоподавленияучитывающую связь их индуктивности с конфигурацией. токопроводящей ленты, конфигурацией и магнитной проницаемостью материала магнитного экранаи произвести на этой основе-расчет различных конфигураций РП с магнитными экранами с учетом межвитковых и специально введенных емкостей и без нихпровести экспериментальное исследование синтезированных конфигураций реакторов помехоподавления.

4. Провести моделирование и экспериментальное исследование прямоугольной камеры СВЧ нагрева с распределенным вводом мощностиисследование 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 от сверхнизких частот до УВЧ, создаваемых разными отечественными и зарубежными СПД, включенными по различным схемам в цепи электронагревательных элементов.

•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 расчетовиндуктивности с электромагнитными экранами определена дисперсия^ магнитной проницаемости электротехнической стали х, а также ее влияние на частотную характеристику подавления РП для слабых токов. Для импульсов сильных токовшсследовано1 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.

•Расчет, проведенный по основанной на методе интегральных уравнений электромагнитного поля, строгой модели прямоугольной резонансной камеры СВЧ нагрева, возбуждаемойпрямоугольным 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 уменыпа-ется КПД передачи энергии из возбуждающего волновода в камеру.

Достоверность научных результатов и 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 помехо-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.

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 искусственного' теплосъема, что является одним из основных недостатков ТЭНов при сравнении их с открытыми спиралями.

Разработанные математические моделимогут в, силу своей общности использоваться^ исследователями, и инженерами-разработчиками электротехнического и электронного оборудования рассматриваемого типа.

Полученные результаты, теоретического и экспериментального исследования1 практически полностью использованы в научно-производственной фирме «Этна» при проектировании и разработке мощных электронагревательных приборов, реакторов помехоподавления для горэлектротранспорта и-промышленного оборудования микроволновой сушки.

Апробация, работы и публикации. Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах кафедры прикладнойфизики 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, Submillimeter 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.

Содержание работы.

Материалы диссертации изложены на 140 страницах, содержат 43 рисунка и список цитированной литературы из 107 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков цитированной литературы и собственных работ автора.

4.8. Выводы.

Таким образом, в настоящей главе выполнено моделирование и экспериментальное исследование прямоугольной камеры СВЧ нагрева с.

125 распределенным вводом мощностиисследование уровня, паразитных излучений из окон подачи продукта.

В результате проведенного теоретического и экспериментального анализа* установлен ряд закономерностей, принципиально важных для проектирования электродинамических систем такого типа:

1. С уменьшением ширины щели амплитуда^ высокочастотного? электрического поля! в обрабатываемом диэлектрическом слое увеличивается. Увеличение диэлектрической' нагрузки также приводит к росту амплитуды-поля*.

2. Принципиального различиям в распределении поля для случаев однонаправленного1 и противоположно направленного распространения* мощностив- соседних возбуждающих волноводах ненаблюдаетсяоднако-развязка между волноводами’в последнем-случае лучше.

3- В случае малых щелей имеется большая локализация-поля вблизи щелейоднако равномерность распределенияполя вдоль щели значительно' возрастает.

В результате проведенных в настоящей главе исследований:

— впервые на основе строгой модели-, основанной на методе поверхностных интегральных уравнений-для электрического’поля проведено моделирование электродинамической? системы установок СВЧ нагрева диэлектрических материалов в виде прямоугольной резонанснойкамеры, возбуждаемой прямоугольным волноводом переменного сечения через щель связи, ширина которой изменяется по длине волновода. проведено экспериментальное исследование распределения электромагнитного поля в прямоугольной резонансной камере, возбуждаемой через щель связи прямоугольным волноводом переменного сечения. Измерение проведено по впервые разработанной методике, использующей косвенный подход — путем измерения излучения из боковой плоскости камеры через отверстия в металлической пластине, закрывающей эту 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. Расчет, проведенный по такой, модели для прямоугольной резонансной камеры СВЧ нагрева, возбуждаемой прямоугольным волноводом переменного сечения, показывает, что уменьшение ширины-щели (в диапазоне значений до 3 мм) 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.

Окна связи с резонаторными камерами обычно имеют фильтры в виде отрезков прямоугольного волновода большого сечения (по сечению окна), на стенках которого выполнены металлические ребра (диафрагмы) и расположен поглотитель в виде специального сорта поглощающей’резины. Таким образом, указанная секция представляет собой диссипативный фильтр мод. Снижение уровня" излучений достигается увеличением длины-секции и числа диафрагм. Поскольку указанная секция1 существенно многомодовая с числом возможных распространяющихся мод до десятка, ее синтез осуществлялся-по разработанной программе расчета одномодового фильтра, позволяющей работать на любом из типов волн Нпт и Епт. Программа основана на формулах длинных линий с потерями с учетом вносимых реактивных проводимостей диафрагм, связанных с возбуждаемых на них высших реактивных типах волн. Соответствующие реактивности определялись приближенно по вариационному методу Швингера. Также использовалось приближение, что типы волн Нпт и Епт не связаны друг с другом, хотя в системах с потерями такая связь имеется. Синтез фильтра осуществлялся численно по нескольким типам волн, включая и волны разной.

127 поляризации, например, Ню и Ноь Если на окне задано распределение электрического поля, его можно разложить по модам [107], а затем для каждой из них пересчитать его в плоскость выхода фильтра, т. е. на границу с внешним пространством. Для всех распространяющихся мод отношение указанных величин при длине секции около метра составляло порядка 100 дБ, что вполне обеспечивает требуемый уровень ЭМС по норме 10 мкВт/ см2.

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 мощного промышленного оборудования микроволновой сушки.

Заключение

.

В настоящей диссертации" исследуются электромагнитные колебания и волны, являющиеся побочными (паразитными) в системах СВЧ нагрева, электронагревательных приборах, электротранспорте. В итоге выполненных исследований получены следующие теоретические положениями результаты прикладного характера:

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование различных типов нагревательных элементов в стационарном и нестационарном, режимах работы, на основании которого по большинству параметров, предпочтение отдается’открытым спиралям.

2. На основе решения" нелинейного уравнения теплового баланса, а также экспериментального исследования показано, что ТЭНам в отличие от открытых спиралей свойственно значительное повышение температуры поверхности при прекращении искусственного теплосъема.

3. На основании' теоретических расчетов и ряда экспериментов показано, что независимо от типа диода, при последовательном включении в цепь питания нагревательного элемента в последней образуются высшие гармонические составляющие тока, создающие соответствующий уровень индустриальных радиопомех, основное влияние на который оказывают электрические параметры диода — крутизна и угол отсечки, определяющие вид его вольт-амперной характеристики, а также диффузионная и барьерная емкости.

4. Проведен сравнительный анализ методик оценки уровней индустриальных радиопомех, создаваемых силовыми полупроводниковыми диодами в составе электронагревательных устройств среднего и высокого уровней мощности. Построена модель, учитывающая нелинейные емкости перехода диода.

5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований выполнен сравнительный анализ двух типов диодов, различающихся по своей структуре и, как следствие, имеющих различный разброс ветвей В АХ. Показано-, что быстро-восстанавливающиеся ЕшСоп диоды имеют значительные преимущества перед: диодами типшДЛ-1Т2−25*.

6- Исследовано влияние разброса ветвей ВАХ на уровни ИРП. Рассмотрено несколько-' вариантов, включения5 диодов?¦¦•в? цепиЭНУ. Наоснове: теоретического5 обоснования и последующего? экспериментального подтверждения сделан вывод о существенном влиянииместаи способа включения диодов в схеме ЭНУ.

7. Проведено исследование частотных зависимостей индустриальных радиопомех, генерируемых нагревательными схемами, содержащими8 встречно направленные диоды, расположенные в параллельных нагревательных линиях. Также исследовано подавление уровней ИРП, создаваемых схемами типа «звезда» и «треугольник».

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований выполнен сравнительный анализ стандартной ш синтезированной конструкций реакторов помехоподавления;

9: Применительно к проблеме: расчета индуктивностирадиореактора: помехоподавлениян рассмотрены интегро-дифференциальные уравнения магнитостатики г относительно электрического вектор-потенциала" и магнитного поля. Методом: последовательных приближенийнайдены соотношения для индуктивности при наличии электромагнитных экрановПоказаночто обычно налагаемое условие калибровки потенциала в виде его соленоидальности следует как результат метода последовательных приближений.

Ю.Проведено исследование частотной характеристики РП. Учет межвитковых емкостей при расчете коэффициентов передачи приводит к появлению осцилляций на частотной характеристике подавления.

Введение

 же шунтирующих емкостей позволяет эти осцилляции сгладить и улучшить помехопо дав л ение.

1 Г. Исследовано влияние нелинейности намагничивания и" частотной дисперсии, магнитнойпроницаемости на1 помехоподавление. Оценен, спектрвыделяемого на* двигателе высокочастотного напряжения и исследовано его подавление РП, включая учет входящих в него-межвитковых емкостей и дополнительных шунтирующих емкостей.

12.Проведено моделирование и-экспериментальное исследование двух типов-электродинамических систем — прямоугольной резонансной" камеры, возбуждаемой, волноводами переменного * сечения и желобкового волновода. Разработана методика экспериментального исследование таких систем: исследование распределения полей СВЧ проводилось косвенным методом — путем измерения излучения из боковой плоскости камер через отверстия в металлических пластинах, закрывающих камеры. Проведен сравнительный анализ электродинамических характеристик этих систем. Полученные результаты^ позволяют говорить о. принципиальной применимости системы на основе прямоугольной резонансной камеры для использования в установках микроволнового воздействия.

13.В работе приведены рекомендации по выбору типа используемых элементов рассматриваемых систем, методик расчета и измерений, а так же основных направлений снижения паразитных радиочастотных колебаний без значительного ухудшения качества работы систем.