История электротехники

В СССР в период 1946–1975 гг. также преимущественно развивались импульсные магнетроны различных частотных диапазонов и уровней мощности, хотя с 60-х годов стали появляться и магнетроны непрерывного действия. Тем не менее в мировой практике уже к середине 60-х годов лидирующее положение в создании и выпуске магнетронов для технологических установок заняла Япония, в настоящее время экспортирующая на мировой рынок не только микроволновые печи, но и магнетроны различных уровней мощности (500–900 Вт) для их изготовления. Значительный рывок в 1988–1990 гг. был сделан в Южной Корее. В США и России разработан ряд типов магнетронов непрерывного действия для технологических целей на частотах 915 и 2450 МГц. Достигнуты уровни мощности 100 Вт — 100 кВт и КПД до 85%.

Современные магнетроны непрерывного действия для различных технологических установок содержат в подавляющем большинстве связочные резонаторные системы и спиральные прямонакальные катоды. Эти приборы характеризуются устойчивостью к изменениям нагрузки, что существенно, например, для таких новейших технологий, как СВЧ-накачка безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения — светильников и облучателей.

Различные типы магнетронов в зависимости от уровня мощности имеют конструкции с воздушным или жидкостным охлаждением.

В определенных технологических установках используются и другие типы СВЧ-приборов, в частности уже упоминавшийся пролетный клистрон, многолучевой клистрон, обращенный коаксиальный магнетрон.

Первые образцы пролетныхчслистронов созданы в 1938 г. американскими инженерами В. Ханом (W. Hahn) и Г. Метколфом (G. Metcalf) и независимо братьями Р. и 3. Вариан (R. and S. Varian). Базовые идеи, реализованные в клистроне, принадлежат советским физикам Д.А. Рожанскому (1932 г.), А. Арсеньевой и О. Хайлю (1935 г.). В 90-х годах клистроны непрерывного действия уже обеспечили выходную мощность от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Лучшие достижения по КПД приближаются к 80%, но, как правило, составляют 40–70% на фиксированной частоте.

На развитие клистронов оказало заметное влияние создание отражательного клистрона в СССР (Н.Д. Девятков, Е.Н. Данильцев и, независимо от них, В.Ф. Коваленко) и появление теоретических работ (Я.П. Терлецкий, 1943 г., С.Д. Гвоздовер, 1944 г.). Следует заметить, что В.Ф. Коваленко в 1940 г. первый предложил и многолучевой клистрон, который может конкурировать с современными магнетронами.

Гиротрон является одним из возможных типов мазера на циклотронном резонансе (МЦР), задуманного как мощный источник СВЧ-колебаний главным образом в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. МЦР предложен в 50-х годах А.В. Гапоновым-Греховым, В.В. Железновым (СССР), а также Р. Твиссом (R. Twiss), Австралия, и И. Шнайдером (J. Schneider), ФРГ. Термин гиротрон ввел в 1967 г. А.В. Гапонов-Грехов. К 1990 г. именно этот тип МЦР был практически реализован в СССР, и были получены импульсные мощности более 1 МВт при длинах волн 6–7 мм. В США достигнут уровень непрерывной мощности 200 кВт при длинах волн 5 мм.

В конце 90-х годов гиротроны непрерывного действия обеспечивают мощности от 22 до 340 кВт соответственно на волнах 2–10 мм при высоких рабочих напряжениях (60–80 кВ).

Ниготрон — один из самых мощных нерелятивистских генераторных СВЧ-приборов. Идея построения и первое осуществление принадлежат П.Л. Капице (1962 г.). При длинах волн 18–20 см и КПД 40–45% образцы, создававшиеся в 70-х годах опытным производством НПО «Торий», обладали непрерывной мощностью до 200 кВт.

Этот тип источника СВЧ-колебаний пока не нашел широкого применения, его возможности еще не исчерпаны.

Можно прогнозировать значительный рост использования СВЧ-энергии в технологических установках XXI в. как непосредственно в совмещенном с источником оборудовании, так и весьма удаленном, но питаемом от СВЧ-генератора посредством канализации СВЧ-энергии по волноводам или по лучу через свободное пространство.

Использование в качестве энергоносителей электромагнитных СВЧ-полей ставит перед создателями новых технологий и соответствующего оборудования ряд проблем, решение которых определяет перспективы на следующее столетие. В числе таких проблем следует отметить:

повышение полного КПД установок в целом и преобразования СВЧ-энергии в облучаемом объекте;

обеспечение возможностей комбинированных воздействий на объект различными видами излучений;

предотвращение непреднамеренного излучения СВЧ-энергии в окружающее пространство и обеспечение беспомехового и экологически чистого функционирования;

обеспечение передачи СВЧ-энергии по лучу через свободное пространство сторонним потребителям.

11.3.4. МОЩНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Индукционный нагрев металлов (слитков, изделий) обусловлен выделением энергии в металле при протекании в нем токов, наведенных магнитной компонентой электромагнитного поля. Для создания поля необходим источник переменного напряжения и индуктор. Особенностью индукционного нагрева является зависимость глубины проникновения поля в металл от частоты тока и свойств металла. Поэтому при необходимости прогрева по всей толще массивных титановых изделий используются токи пониженной частоты (несколько герц — 50 Гц); для поверхностной закалки изделий (валков прокатных станов, подшипниковых колец, зубьев шестерен) используется повышенная частота (сотни герц — несколько килогерц); для обработки тонких листовых материалов требуются уже радиочастоты (сотни килогерц). Источники переменного напряжения в зависимости от массы обрабатываемого материала могут иметь мощности от нескольких ватт (распыление газопоглотителя в вакуумных лампах) до тысяч киловатт (плавка в особо чистых условиях без риска загрязнения).

Источники переменного напряжения, перекрывающие названный диапазон частот и мощностей, относятся к различным классам преобразователей.

Самые мощные установки для низкочастотного индукционного нагрева работают на частоте 50 Гц. Они наиболее просты функционально, не требуют преобразовательных устройств, так как работают от промышленной сети, и нуждаются лишь в средствах пуска, защиты и регулирования мощности.

Мощные низкочастотные преобразователи для нагрева массивных слитков и поковок работают на частотах от единиц до десятков герц. Они выполняются на основе тиристорных непосредственных преобразователей частоты по трехфазно-однофазной схеме с циклическим изменением угла регулирования и раздельным управлением группами вентилей для формирования положительной и отрицательной полуволн тока. Низкие частоты обусловливают воздействие на большие массы металла, а следовательно, требуют больших мощностей (до тысяч киловатт).

В области повышенных частот (от 500 Гц до 1–2 кГц) использовались преобразователи на игнитронах и экситронах производства ВЭИ с сеточным управлением (мощностью до 1000 кВт). Для улучшения условий работы преобразовательного оборудования практиковалось объединение нескольких преобразователей в так называемую преобразовательную станцию, которая в меньшей степени была подвержена воздействию технологической неравномерности энергии, потребляемой несколькими индукторами. После освоения промышленного выпуска тиристоров с улучшенными свойствами, в частности Таллиннского электротехнического завода, высокочастотные преобразователи выпускались на большие мощности по классическим схемам инверторов тока, а также по схемам с удвоением выходной частоты (рис. 11.10).

Преобразователи повышенной частоты разрабатывались в лаборатории высокочастотной электротехники ЛЭТИ — Ленинградского электротехнического института и во ВНИИТВЧ — Институте токов высокой частоты им. В.В. Вологдина. Мощные преобразователи выполнялись как по классическим схемам инверторов тока, так и по схемам с умножением частоты. Разработчики шли двумя путями при решении вопроса об увеличении мощности: использование параллельного и последовательного соединения вентилей для повышения параметров эквивалентного вентиля, а также разработка схем с возможностью параллельной работы преобразователей, имеющих общую нагрузку. Разработка мощных отечественных преобразователей повышенной частоты выполнена А.С. Васильевым, А.Е. Слухоцким. А.В. Донским и Г.В. Ивенским [11.31, 11.32].