ELECTROTEHNOLOGIIAREA COMPONENTELOR PRINCIPALE ALE UNUI MAGNETRON

PROIECT

ELECTROTEHNOLOGII

TEMA PROIECT

PROIECTAREA COMPONENTELOR PRINCIPALE ALE UNUI MAGNETRON

CUPRINS

1.Notiuni teoretice

2.Proiectare catod

3.Proiectare anod

4.Calculul circuitului de iesire

5.Alegerea ghidului de unda conform standardelor. Calculul frecventei de taiere.

6.Calculul puterii necesare incalzirii materialului dielectric de la temperature initiala la cea finala.

7.Bilantul energetic la incalzirea dielectrica.

DATE INITIALE:

Frecventa de lucru f=2450 [MHz]

Puterea de iesire P_i= 1.9 [KW]

Tensiunea de filament U_f=3.45 [V]

Curentul anodic I_a=0.8 [A]

Curent filament I_f=10.25 [A]

Numarul cavitatilor rezonante N=10

Tensiune anodica U_a=4.15 [kV]

Inductie magnetica B=0.09 [T]

Temperatura initiala T_i=20 [°C]

Temperatura finala T_f=190 [°C]

Timpul de prelucrare t_p=200 [s]

Masa m=7.25 [kg]

MATERIAL DE PROCESAT

Ceramica:Alumina Al₂O₃ 99.9%

Permitivitatea relativa ε_r=9.5

Densitatea γ=3.95 [g/cm³]

Caldura specifica masica c=930 [J/kgK]

Rigiditatea dielectrica E_{max strap}=30 [kV/mm]

Tangenta unghiului de pierderi tanδ=10^-4

1.NOTIUNI TEORETICE

1.1Principii generale asupra dispozitivelor cu microunde

Energia microundelor a fost folosita in procesele industriale de foarte multi ani. Folosirea acestora in locul surselor convetionale de caldura sa produs datorita mai multor avantaje cum ar fi :

1.3 Aspecte privind proiectarea magnetronului

Principalii parametri electrici ai magnetronului sunt:

• frecventa oscilatiilor f;
• tensiunea anodica U_a;
• curentul anodic I_a;
• tensiunea de filament U_f;
• curentul de filament I_f;
• numarul de cavitati rezonante N;
• valoarea inductiei magnetice B_o.

Regimul de functionare al magnetronului este cel cu unda progresiva cu oscilatii de tip π,adica diferenta de faza adica diferenta de faza a campului electromagnetic din doua cavitati vecine este π.Sub actiunea simultana a celor doua campuri,electronii se misca dupa curbe cicloide.Pt o tensiune anodica data,daca inductia ,electronii nu mai ajung pe anod,efectuand miscari dupa o traiectorie de tip cardioida.

Regimul normal de functionare dinamica al magnetronului impune ca electronii sa se afle timp indelungat in spatiul de interactiune anod-catod ceea ce inseamna satisfacerea conditiei ,relatie care reprezinta Parabola lui Hull a regimului critic .Intr-un magnetron cu N cavitati rezonante sunt posibile N moduri de oscilatie a caror faza este .Pt (oscilatiile din doua cavitati vecine au defazaj maxim).Pt un anumit tip de oscilatii,dat in valoarea lui n,pot exista si armonici spatiale.Viteza de faza a undei fundamentale se poate calcula cu formula ,unde este distanta dintre 2 cavitati vecine iar timpul necesar undei de a parcurge distanta dintre doua cavitati vecine.

Alegerea parametrilor constructivi ai magnetronului si a marimilor U_a si B₀ este conditionata de raportul de intarziere este lungimea de unda a oscilatiilor de inalta frecventa.In aceasta relatie se constata ca valoarea maxima a vitezei de faza se obtine tot pentru ..Existenta oscilatiilor in magnetron este pusa in evidenta prin aparitia curentului anodic.Conditia de autooscilatie a magnetronului este data de relatia .

Zona de oscilatie admisibila a magnetronului este data regiunea cuprinsa intre parabola lui Hull si dreapta de sincronism a lui Hartree,curbe al caror punct de intersectie reprezinta punctul de sincronism cu coordonatele:

Tensiunea de sincronizare este tensiunea la care toti electronii se misca in apropierea anodului paralel cu suprafata acestuia si sunt in sincronism cu unda progresiva corespunzatoare modului de oscilatie.

Prin urmare,functionarea in regim dinamic a magnetronului necesita indeplinirea conditiilor :

2.PROIECTAREA CATODULUI

Determinarea curentului de emisie I_e si a puterii filamentului P_f

Determinarea eficacitatii incalzirii filamentului H_e

Calculul lungimii filamentului desfasurat L_f   

Date de catalog ale puterii specifice a wolframului

Rezistenta filamentului

Am ales diametrul filamentului 0.5 mm deci

Calculul diametrului spirei de filament infasurat pe catod d_sf si diametrul catodului d_c

Determinarea nr de spire

Calculul lungimii active a catodului

Suprafata activa a catodului S_c   

Densitatea medie a curentului de emisie J_e   

3.PROIECTAREA ANODULUI

Determinarea razei anodice interioare r_a.Pentru aceasta calculam mai intai lungimea de unda:

c₀-viteza luminii

Un astfel de sistem cu bucla inchisa,cu distanta intre 2 cavitati vecine egala cu manifesta proprietati rezonante.

Deoarece suprafetele cavitatilor rezonante prezinta rugozitati si lamelele cavitatilor au lungime finita,in calcule se introduce un coeficient de scurtare .Am ales

Lungimea cercului de raza anodica l

Daca grosimea unei lamele este de 2 mm,distanta intre 2 lamele este de 1 mm,rezultand ca distanta intre 2 cavitati vecine

Distanta de interactiune dintre anod si catod:

Determinarea inductiei magnetice critice B_ocr   

deci Se verifica

In aceasta situatie cand conditia se verifica,electronii nu mai cad direct pe anod,efectuand miscari ciclice intre anod si catod,traiectoriile avand forma de cardioida,care este o particularitate dorita a functionarii magnetronului.

Calculam valoarea tensiunii anodice critice U_acr - parabola regimului critic static al lui Hull.

deci Se verifica

In plus fata de datele initiale sau calculate,am folosit:

4.CALCULUL CIRCUITULUI DE IESIRE

Regimul dinamic - modul π de oscilatie.Conditia de sincronism

Cuplarea tensiunii anodice Ua determina aparitia unui regim tranzitoriu caracterizat printr-un flux de electroni variabil in timp,care induce pe supreafata cavitatilor panze de curent variabile,avand ca efect excitarea acestora si deci,generarea unui camp de microunde.

Determinarea pasului dintre doua cavitati succesive:

Defazajul intre doua rezonatoare:

unde n este nr de lungimi de unda ce iau nastere in blocul anodic

Astfel

Am vazut ca nu exista decat N/2 moduri fundamentale (k=0) pt N cavitati.De aceea,modul ,numit si modul N/2,adica modul maximal cu un k fixat pe ca-l putem obtine intr-un magnetron,corespunde unui defazaj de radiani si nu de 2.

Pulsatia de rezonanta:

Viteza unghiulara a electronilor:

Pentru magnetronul cu modul de oscilatie,conditia de sincronism impune ca viteza electronilor in zborul lor circular sa fie egala cu viteza undelor electromagnetice si durata de zbor de la o fanta la alta sa fie egala cu o jumatate de perioada de oscilatie de inalta frecventa.

Viteza tangentiala a electronilor:

unde v_o viteza tangentiala

Rezulta ca viteza unghiulara a electronilor este egala cu:

valoare identica cu cea calculata putin mai sus

Hartree a demonstrat ca sincronismul este mentinut dincolo de conditia de taiere,adica in zona functionarii magnetronului,partea inferioara a domeniului delimitat prin parabola Hull pe grafic.

Calculul tensiunii la sincronism

p=0

Inductia magnetica de sincronism

Calculul tensiunii de prag

Calculul lungimii conductorului care constituie circuitul de iesire l_c0

Calculul randamentului magnetronului

5.ALEGEREA GHIDULUI DE UNDA CONFORM STANDARDELOR.CALCULUL FRECVENTEI DE TAIERE

Conditia esentiala in alegerea sectiunii unui ghid dreptunghiular este ca factorul de forma al ghidului ,iar frecventa de taiere sa fie mai mica decat frecventa generatorului.

Am ales ghidul de unda propus de Comisia Electrotehnica Internationala CEI-22 cu banda de trecere cu dimensiunile si grosimea peretelui

Numarul de unda critic:

Frecventa critica in ghidul de unda:

6.CALCULUL PUTERII NECESARE INCALZIRII MATERIALULUI DIELECTRIC DE LA TEMPERATURA INITIALA LA CEA FINALA

Caracteristicile de material la Ceramica Al₂O₃ 99.9%

• Permitivitatea relativa ε_r=9.5
• Densitatea γ=3.95 [g/cm³]
• Caldura specifica masica c=930 [J/kgK]
• Rigiditatea dielectrica E_{max strap}=30 [kV/mm]
• Tangenta unghiului de pierderi tanδ=10
• Timpul de procesare t=200[s]
• Masa materialului md=7.25[kg]
• Temperatura initiala T_i=20[˚C]
• Temperatura finala T_f=190[˚C]

Volumul de material dielectric supus uscarii

Se determina valorile pierderilor dezvoltate in materialul dielectric:

tanδ=

ε_r=

Se calculeaza puterea necesara incalzirii ceramicii de la T_i la T_f:   

Puterea necesara pentru incalzirea apei din materialul dielectric se calculeaza considerand un continut de umiditate de 2%:

Se calculeaza puterea necesara pentru schimbarea starii de faza:

Calculul valorii pierderilor termice:

7.BILANTUL ENERGETIC LA INCALZIREA DIELECTRICULUI

Bilantul termic total:

Puterea la suprafata dielectricului:

Calculul puterii instalate:

Recalcularea timpului de uscare: