Введение к работе
диссертационного совета Ю.Б. Томашевский
Актуальность темы. Технологические процессы, основанные на взаимодействии СВЧ-энергии с диэлектриками, имеют широкий спектр применений. Благодаря тому, что СВЧ-энергия преобразуется в тепло внутри вещества, достигается значительная экономия энергии и сокращается длительность технологических процессов.
В качестве источников СВЧ-энергии при построении электротехнологических установок широко применяются генераторы на магнетронах малой мощности (до 1000 Вт), которые серийно выпускаются рядом фирм и имеют низкую стоимость. Экономически целесообразным является применение магнетронных генераторов (МГ) малой мощности в электротехнологических установках с распределенным подводом СВЧ-энергии, например, установках конвейерного типа.
Однако, несмотря на широкое применение МГ малой мощности, в настоящее время известно ограниченное число работ, посвященных исследованию МГ как электротехнической системы. В основном, в работах рассматриваются статические режимы. Вместе с тем в условиях, когда основным способом регулирования выходной мощности МГ малой мощности является широтно-импульсная модуляция сетевого напряжения, при разработке мультигенераторных СВЧ-установок необходима информация о динамических режимах МГ. Для создания нового поколения МГ необходима модель, с помощью которой можно проводить исследования статических и динамических режимов в существующих и вновь создаваемых схемах источников питания.
Целью диссертационного исследования являются построение математической модели магнетрона как элемента электротехнической системы и исследование динамических процессов в источнике питания магнетронного генератора малой мощности, получение результатов физического и компьютерного моделирования и создание на их основе рекомендаций по совершенствованию источников питания для магнетронных генераторов малой мощности.
Задачи исследования.
-
Предложить подход к построению математической модели магнетрона, позволяющей проводить исследования электромагнитных процессов в различных схемах источников питания, как в статических, так и динамических режимах.
-
Провести экспериментальные исследования магнетронов малой мощности в статических и динамических режимах для получения информации, позволяющей уточнить сведения о магнетроне как элементе электротехнической системы.
-
Реализовать математическую модель магнетрона в виде электрической цепи в современной среде программирования, интерфейс которой позволяет оперативно состыковать модель магнетрона с компонентами источника питания.
-
Разработать математические модели магнетронных генераторов малой мощности с различными схемами источников питания и провести на их основе исследования электромагнитных процессов в статических и динамических режимах.
-
Разработать рекомендации по проектированию источников питания магнетронных генераторов малой мощности с учетом динамических режимов.
Объектом исследования являются источники питания МГ малой мощности.
Предметом исследования являются динамические процессы в источниках питания МГ малой мощности.
Методы и средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем МГ и источников электропитания с применением программного комплекса MATLAB+Simulink, методики приборного анализа процессов в магнетронных генераторах.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электронных приборов и устройств, апробированных методов компьютерного моделирования, а также использованием аттестованных средств измерения при проведении экспериментальных исследований источников электропитания.
На защиту выносятся:
-
Подход к построению модели МГ малой мощности как электрической нагрузки в виде двух взаимно влияющих двухполюсников, один из которых представляет анодную цепь в виде последовательно соединенных противоЭДС, диода и резистора, с сопротивлением, зависящим от температуры катода, второй цепь накала, представленную нелинейным резистором.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволившие установить закономерности изменения параметров схем замещения двухполюсников, моделирующих магнетрон как элемент электротехнической системы, в динамических режимах.
-
Разработанные имитационные математические модели МГ малой мощности с различными схемами источников питания.
-
Результаты исследования динамических процессов для различных схем источников питания МГ малой мощности и полученные на их основе рекомендации по расчету схем источников питания.
Научная новизна:
-
Впервые получены результаты экспериментального исследования динамических режимов работы магнетрона как элемента электротехнической системы.
-
Предложена и подтверждена гипотеза о зависимости анодного сопротивления магнетрона в схеме замещения как элемента электротехнической системы от температуры катода.
-
Разработаны имитационные математические модели МГ малой мощности с различными схемами источников питания в программном комплексе MATLAB+Simulink.
-
На основе предложенных моделей получены результаты, отражающие особенности динамических процессов, для различных схем источников питания.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны практические рекомендации по учету свойств магнетрона как элемента электротехнической системы при построении источников питания.
2. Разработанные имитационные модели МГ позволяют путем изменения различных параметров элементов и топологии схемы источника питания проводить различные исследования без трудоемкого и дорогостоящего физического моделирования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
- в проектно-конструкторской деятельности «Инжиниринговый учебно-исследовательский центр инновационных технологий в области электроэнергетики и электротехники Камышинского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» при разработке источников питания СВЧ электротехнологических установок различного назначения;
- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-306 «Разработка конструкций, методов расчета и технологических процессов с высокотемпературными фазовыми переходами нового класса СВЧ электротехнологического оборудования для получения наноматериалов и монокристаллов», выполняемой в рамках научной школы НШ–9553-2006.8 при финансовой поддержке гранта Президента РФ МК2512.2010.8, при создании и расчете источников питания для мультигенераторных СВЧ-установок;
- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-18 «Оптимизация структуры, параметров и режимов распределенных систем электроснабжения на основе традиционных и возобновляемых источников энергии, эксплуатируемых в сложных климатических условиях», выполняемой в рамках одного из основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А. 06В «Научные основы создания высокоэффективных, энергосберегающих систем по производству, транспортировке, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии», при разработке системы электропитания группы магнетронных генераторов;
- в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Электроснабжение и электрооборудование электротехнологических установок» студентам специальности 140605.65 «Электротехнологические установки и системы».
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» (Саратов, 2008), V, VI, VII Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008, 2009, 2010), Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энерго-безопасность производственных процессов» (Тольятти, 2009), III Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2010), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2011), ХХIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011), Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых (Новочеркасск, 2011), Всероссийском конкурсе научных работ студентов, магистрантов и аспирантов «Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике» (Тольятти, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 140 наименований и приложений. Общий объем составляет 133 страницы, в том числе 1 таблица и 70 иллюстраций.
