11-4. Повышенные частоты
Когда в конце прошлого века стала развиваться техника переменных токов, то термин токи высокой частоты применялся, чтобы отличить токи с частотой 50 и 60 Гц от токов с частотой 16 и 25 Гц. С развитием техники стали получать практическое применение токи все более и более высоких частот. В соответствии с этим менялась и терминология. В настоящее время установились следующие наименования: токи с частотой от нескольких сотен или тысяч герц — это повышенные частоты. Частоты, применяемые для радиосвязи, начиная от десятков тысяч герц, — называются высокие частоты. Для частот свыше ста миллионов герц применяется термин сверхвысокие частоты (СВЧ).
Нет резко выраженной границы между повышенными и высокими частотами. И на карте повышенных частот (рис. 11-3) помещены некоторые объекты, которые можно было бы отнести и к высокочастотной технике.
Надо отметить, что область повышенных частот развита относительно меньше остальных областей электротехники.
Токи повышенных частот получают от машинных генераторов, приводимых во вращение двигателями промышленной частоты или двигателями постоянного тока. Применяются также преобразователи тока с электронными или ионными приборами. Последнее время для получения небольших мощностей тока повышенной частоты применяют преобразователи с управляемыми полупроводниковыми вентилями. Токи с частотой в несколько сотен герц применяются в промышленности для питания быстроходных электродвигателей. Такие двигатели работают в вибраторах для бетона, вращают прядильные веретена в производстве искусственного волокна, приводят в действие быстроходные электропилы, полировальные станки и т. д.
Токи повышенных частот применяются как промежуточное звено в устройствах для превращения постоянного тока одного напряжения в другое. «Трансформаторы постоянного тока» такого типа применяются, например, для питания ламповых радиоустройств от низковольтных батарей. Непосредственно от батарей питают цепи накала, а чтобы получить высокое напряжение для питания анодных цепей, поступают следующим образом: превращают постоянный ток в переменный, повышают переменное напряжение трансформатором, а затем переменный ток высокого напряжения выпрямляют. Для такого преобразования применяют механические вибраторы, действующие подобно электрическому звонку. В последнее время для такого преобразования применяют полупроводниковые устройства.
Рис. 11-3.
Токи повышенной частоты широко применяются для создания механических колебаний. Механические колебания с частотой от сотен герц до десяти килогерц (колебания звуковых частот) можно получить посредством взаимодействия токов и магнитных полей. В телефоне, например, электромагнит, питаемый переменным током, притягивает к себе мембрану в такт изменениям тока. В так называемых электродинамических громкоговорителях колебания конуса-излучателя (диффузора) создаются катушкой, обтекаемой током звуковой частоты, приделанной к диффузору. Эта катушка находится в кольцевом зазоре между полюсами сильного постоянного магнита или электромагнита. Токи в катушке направлены перпендикулярно магнитным линиям. В зависимости от того, в какую сторону идет ток в катушке, она стремится переместиться (вытолкнуться из магнитного поля) в ту или иную сторону.
Устройства для получения звуковых колебаний обычно имеют небольшую мощность. Телефон работает при мощностях в тысячные доли ватта. Комнатные громкоговорители имеют мощность 3—5 вт. Самые мощные громкоговорители, которые слышно на расстоянии нескольких километров, имеют мощность меньше киловатта.
Для создания механических колебаний, более быстрых, чем звуковые, неприменимы магнитодинамические системы, используемые в громкоговорителях. Для получения ультразвуковых механических колебаний используется свойство некоторых материалов менять свои геометрические размеры в электрических и магнитных полях. Например, никель в магнитном поле укорачивается тем больше, чем сильнее поле. Это явление называется магнитострикцией. Никелевый стержень, помещенный в переменное электромагнитное поле, будет вибрировать — попеременно укорачиваться и удлиняться — в соответствии с изменениями поля. Еще интенсивнее, чем никель, изменяют свои размеры в магнитном поле некоторые ферромагнитные сплавы, специально применяемые в магнитострикционных вибраторах. Эти вибраторы и превращают переменный ток ультразвуковой частоты в механические колебания этой же частоты.
Магнитострикционные вибраторы строятся на частоту от 20 до 100 кГц (верхний предел — это уже собственно не повышенные, а высокие частоты) на мощности до нескольких десятков киловатт. Коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в механическую в магнитострикционных вибраторах достигает 50%, а интенсивность потока механических колебаний — до нескольких ватт на один квадратный сантиметр.
Кристаллы кварца, сегнетовой соли и еще некоторых других веществ изменяют свои размеры в электрическом поле. Это свойство называется пьезоэлектрическим эффектом. Пластинка кварца, помещенная между металлическими обкладками, к которым подведено высокое переменное напряжение, будет вибрировать в такт изменениям напряжения. Так можно получать механические колебания еще более высоких частот, чем дают магнитострикционные вибраторы.
В последнее время в качестве пьезоэлектрических вибраторов — излучателей применяется керамика из титаната бария. Ультразвуковые колебания распространяются в газах, жидкостях и твердых телах с такой же скоростью, как и звук. В воздухе, например, их скорость равна 332 м/сек. Длина волны равна скорости распространения колебаний, деленной на частоту. Длина волн звуковых колебаний находится в пределах от 20 м (наиболее низкая слышимая частота — 16 Гц) примерно до 1,7 см (наиболее высокая слышимая частота — 20 кГц). Длины волн ультразвуковых колебаний значительно меньше, например 0,66 см при частоте 50 кГц. Благодаря малой длине волны ультразвуковые колебания легко можно собрать в направленный поток — луч. Такие ультразвуковые лучи используются для гидролокации — измерения глубин и обнаружения подводных лодок, косяков рыбы, а также для выявления дефектов в изделиях из металла, пластмасс, резины.
Интенсивные ультразвуковые колебания оказывают специфическое действие на состояние веществ, течение химических реакций и физико-химических процессов. При помощи ультразвука можно создавать и разрушать эмульсии, ускорять течение диффузионных процессов, например при обработке фотоматериалов. Ультразвуком можно экономично производить мойку и очистку мелких деталей. Существуют аппараты для механической обработки (сверления, долбления) при помощи ультразвуковых колебаний. Построены сварочные ультразвуковые аппараты: поглощение ультразвуковых колебаний в месте контакта двух деталей вызывает разогрев, достаточный для произведения сварки.
Для токов повышенных частот применяются такие же, как и для токов низкой частоты, трансформаторы, состоящие из двух катушек, связанных общим переменным магнитным потоком. Чтобы избежать потерь на вихревые токи в сердечнике-магнитопроводе трансформатора повышенной частоты, приходится делать этот сердечник из листов или проволок, более тонких, чем при низкой частоте. Иногда оказывается выгодным вовсе отказаться от ферромагнитного сердечника — замыкать магнитный поток через воздух. Такие трансформаторы называются воздушными.
На карте повышенных частот помещены установки высокочастотного транспорта. С точки зрения электротехники, это трансформатор: первичная обмотка растянута вдоль дороги, вторичная помещена на машине, энергия от первичной обмотки ко вторичной передается переменным магнитным потоком.
Опыты с высокочастотным транспортом были проведены впервые в Советском Союзе еще в годы Отечественной войны. В Донбассе на шахте Кантарная построена первая промышленная линия высокочастотного транспорта. Под кровлей выработки протянута двухпроводная линия (петля), по которой идет ток с частотой 2 500 Гц и силой несколько десятков ампер. На крыше электровоза помещен приемный контур из шести витков кабеля. Чтобы лучше связать магнитным потоком бесконтактную сеть с приемным контуром, в этой установке применен в приемном контуре ферромагнитный сердечник из тонких стальных листов.
Бесконтактное питание может быть применено и для городского транспорта: бесконтактная тяговая сеть укладывается под покрытие дороги, а приемный контур образует виток вокруг машины. Энергия переменного тока от приемного контура через вентили поступает к тяговому двигателю.
Оптимальная частота тока для питания высокочастотного транспорта выбирается из следующих соображений: чем ниже частота тока, тем больше должна быть его сила в тяговой сети, чтобы передать требуемую мощность приемному контуру. Соответственно, чем ниже частота тока, тем больше потери энергии в проводниках бесконтактной сети. С повышением же частоты можно уменьшить силу тока в проводниках, но с повышением частоты увеличиваются потери на вихревые токи в окружении бесконтактной сети (в грунте, в различных находящихся поблизости металлических объектах, например трубах). Существует частота, при которой суммарные потери минимальны и бесконтактная передача энергии происходит с наивысшим к. п. д. Этой оптимальной частотой является, по-видимому, частота несколько выше звуковой — порядка 20 тыс. Гц.
Бесконтактная передача энергии всегда связана с циркуляцией реактивной мощности. При высокочастотном транспорте полная мощность значительно превышает активную мощность, передаваемую от бесконтактной сети к приемным контурам на машинах. Для обеспечения циркуляции реактивной мощности включаются конденсаторы как в приемный виток, так и в провода бесконтактной сети.
Токи повышенных частот широко применяются в электронагревательных устройствах. Из медной трубки, охлаждаемой проточной водой, изготовляют цилиндрическую спираль — нагревательный индуктор. Этот индуктор можно рассматривать как первичную обмотку воздушного трансформатора. Короткозамкнутой вторичной обмоткой является нагреваемый объект, помещаемый внутрь медной спирали. Под действием переменного магнитного потока первичной обмотки в нагреваемом объекте возникают вихревые токи, которые и нагревают объект до требуемой температуры.
Можно поместить внутрь индуктора тигель, в котором производится плавка. Если тигель выполнить из электропроводного материала — например, графита, платины, то вихревые токи возникают в самом тигле и в нем можно плавить и неэлектропроводные материалы. Если же тигель из материалов, которые сами ток не проводят, — например, из кварца, то в таком тигле можно плавить только электропроводные материалы.
Иногда индуктор и тигель помещают в бак, из которого тщательно удаляют газы — создают вакуум. И плавка, и отливка производятся в вакууме.
Вакуумная плавка дороже обычной, но зато позволяет получать особо чистые металлы и сплавы.
Для индукционных печей характерно, что их полная мощность в несколько раз больше активной. Для циркуляции реактивной мощности к индукционным нагревателям подключаются конденсаторные батареи.
Нагреватели повышенной частоты питаются от машинных генераторов или от преобразователей с электровакуумными приборами.
Современные нагреватели строятся на мощность от единиц до тысячи киловатт.
