Генератор повышенной частоты

Генера'тор повы'шенной частоты'электромашинный, электрическая машина, преимущественно однофазная, генерирующая ток в диапазоне частот от 100 до 10000 гц(иногда выше) и применяющаяся главным образом в качестве источника питания установок индукционного нагрева металлов, ультразвуковой и транспортной аппаратуры. При частотах до 500 гци больших мощностях (500 квти более) применяют обычные явнополюсные синхронные генераторы с увеличенным числом пар полюсов. На более высокие частоты, особенно при малых мощностях, изготовляют только индукторные генераторы . По конструкции магнитной системы различают гомополярные и гетерополярные индукторные генераторы. Гомополярные машины (называются также одноимённополюсными, кольцевого типа или генераторами с продольным полем) имеют обмотку возбуждения постоянного тока в виде кольца, размещаемого между зубчатыми пакетами статора, и рабочую обмотку, заложенную в продольные пазы статора ( рис. , а). Каждый пакет статора и зубчатый венец ротора таких машин намагничены по всей окружности полярностью одного знака. Гетерополярные генераторы (называются иначе разноимённополюсными, сегментного типа или генераторами с поперечным полем) имеют обмотку возбуждения и рабочую обмотку, заложенные в продольные пазы статора ( рис. , б). Число магнитных полюсов чередующейся полярности по окружности расточки статора таких машин равно числу пазов обмотки возбуждения. Периодическая составляющая потока индуктирует переменную эдс в рабочей обмотке с частотой f = Zn/60 , где Z- число зубцов на роторе, n- частота вращения в об/мин.

  Г. п. ч. чаще всего имеют асинхронный привод. При мощности до 200 квтгенератор и двигатель, как правило, размещаются в одном корпусе на общем валу, образуя однокорпусный преобразователь частоты. Преобразователи мощностью до 100 квтчасто выполняются с вертикальным валом, что значительно уменьшает их габариты в плане. Свыше 200 квтгенератор и двигатель изготовляют отдельно и устанавливают на общей раме, образуя преобразовательный агрегат.

Лит.:Вологдин В. П. и Спицын М. А., Генераторы высокой частоты, Л. - М., 1935; Жежерин Р. П., Индукторные генераторы, М. - Л., 1961.

Схема устройства индукторных генераторов тока повышенной частоты: а - кольцевого типа; б - сегментного типа (стрелками обозначено направление линий потока возбуждения).

Генератор с посторонним возбуждением

Генера'тор с посторо'нним возбужде'нием, усилитель мощности электрических колебаний высокой частоты, создаваемых задающим генератором, в радиопередатчике .

Генератор электромашинный

Генера'тор электромаши'нный, машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию постоянного или переменного тока. Механическая энергия получается от первичного двигателя (обычно паровые, газовые или гидротурбины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.). (См. Переменного тока генератор , Постоянного тока генератор .) Иногда для вращения Г. э. используют электродвигатель. В этом случае Г. э. вместе с электродвигателем служит для преобразования рода тока, например переменного в постоянный, или для преобразования электрического тока одной частоты в ток др. частоты (см. Преобразователь частоты электромашинный, Генератор повышенной частоты ).

«Генератор-двигатель» система

«Генера'тор-дви'гатель» систе'маэлектропривода, система «Г-Д», система Леонарда, система электропривода , в которой исполнительный электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от генератора тока также независимого возбуждения. «Г.-д.» с. применяется главным образом для электроприводов, работающих в напряжённом режиме с частым включением, с широким регулированием скорости или с особыми требованиями к регулированию скорости, момента и др. характеристик электропривода. «Г.-д.» с. наиболее распространены в установках металлургической промышленности.

  Генератор Г( рис. ) вращается асинхронным или синхронным электродвигателем ДА. Машины в «Г.-д.» с. обычно возбуждаются от возбудителя В; в установках большой мощности применяют ионное возбуждение (см. Ионный электропривод ), а также тиристорные устройства. Пуск двигателя Дпроизводится постепенным повышением напряжения генератора Греостатом РГв цепи возбуждения или включением обмотки возбуждения генератора овГсразу на полное либо даже на повышенное напряжение. Реверс Дпроизводится изменением полярности Гпеременой направления тока в овГпри переключении контактов направления Ви Н. При уменьшении возбуждения Гили при отключении овГдвигатель Дпереходит в режим рекуперативного торможения, а Гв двигательный режим, при котором он уменьшает нагрузку ДАили переводит его в режим генератора с отдачей энергии в сеть. В "Г.-д." с. скорость регулируется изменением напряжения на якоре Д(вниз от основной) или ослаблением магнитного потока в Д(вверх от основной). Полный диапазон регулирования скорости достигает 1:30. Пределы эти могут быть расширены при применении средств автоматического регулирования, например, электромашинных, полупроводниковых, магнитных и др. устройств.

  Достоинства «Г.-д.» с.: наличие хороших динамических свойств, допускающих получение разнообразных характеристик в переходных режимах; простота и экономичность управления; большой диапазон и плавность регулирования скорости. Недостатки: сравнительно низкий кпд (0,6-0,8), большая установленная мощность машин и высокая стоимость оборудования, повышенные расходы на обслуживание и ремонт.

Лит.:Сиротин А. А., Автоматическое управление электроприводами, М, - Л., 1959; Чиликин М. Г., Общий курс электропривода, 3 изд., М. - Л., 1960; Андреев В. П., Сабинин Ю. А., Основы электропривода, 2 изд., М. - Л., 1963.

Схема системы «генератор-двигатель»: Г - генератор; Д - электродвигатель; В - возбудитель; РВ, РГ, РД - реостаты; ДА - двигатель асинхронный; овВ, овГ, овД - обмотки возбуждения; срГ, срД - сопротивления регулировочные; В, Н - группы контактов направления вращения (вперёд, назад).

Генераторная лампа

Генера'торная ла'мпа, электронная лампа , предназначенная для преобразования энергии источника постоянного или переменного тока в энергию электрических колебаний (см. Генерирование электрических колебаний ). Г. л. применяют в радиопередатчиках различного назначения, в измерительных приборах, в радиоэлектронных устройствах экспериментальной физики и медицины, в установках индукционного нагрева и др. Г. л. различают: по диапазонам радиочастот, по числу электродов ( триоды , тетроды , пентоды и др.), по наибольшей мощности, рассеиваемой анодом (малой мощности - до 50 вт, средней мощности - до 5 квти большой мощности - свыше 5 квт), по роду работы (непрерывного действия и импульсные), по конструкции баллона (стеклянные, металлические, металлостеклянные и металлокерамические) и т. д.

  Г. л. имеют ряд конструктивных особенностей, связанных с генерируемой мощностью и диапазоном волн. Г. л. малой мощности работают при анодных напряжениях до 500 ви по конструкции аналогичны приёмно-усилительным лампам . Т. к. электрическая энергия, подводимая к Г. л. от источника питания, только частично (до 70%) преобразуется в полезную (колебательную), а остальная часть расходуется на нагревание анода и рассеивается им, то в Г. л. средней и особенно большой мощности, работающих при анодных напряжениях до 20 кв, применяют катод с прямым подогревом (вольфрамовый торированный, карбидированный или из чистого вольфрама); сетки и анод изготавливают из тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама); анод изготавливают также из меди (в Г. л. с принудительным воздушным или водяным охлаждением при мощностях рассеяния более 1-3 квт). При воздушном охлаждении анод выполняется как часть баллона Г. л. и снабжается радиатором, обдуваемым воздухом. Самые мощные Г. л. (от 500 до 1500 квт) выполняют разборными (с постоянной откачкой воздуха вакуумными насосами ) или полуразборными с принудительным водяным охлаждением. Г. л., применяемые в коротковолновом и УКВ диапазонах волн, имеют малые расстояния между электродами, утолщённые выводы электродов с малыми индуктивностями, изолирующие элементы выполнены из материалов с малыми диэлектрическими потерями и т. п. У Г. л. для дециметровых волн резонансная колебательная система становится уже частью конструкции лампы ( металлокерамические лампы , маячковые лампы , резнатроны , и др.). В дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн применяют специальные Г. л.: клистроны , лампы бегущей волны , лампы обратной волны , магнетроны и др.

  В 1913 нем. учёный А. Мейснер впервые применил триод для генерации колебаний высокой частоты. В первые годы Советской власти наиболее существенные разработки Г. л. были проведены под руководством советского учёного М. А. Бонч-Бруевича в Нижегородской лаборатории (г. Горький). В 1919 он впервые применил водяное охлаждение анода Г. л., доказав возможность создания мощных Г. л. В 1923 им была создана Г. л. мощностью 25 квт, а в 1924-25 - мощностью 40 квт. С 1922 под руководством советских учёных М. М. Богословского, С. А. Векшинского и С. А. Зусмановского было налажено массовое производство Г. л. В 1930 советский учёный П. А. Остряков предложил конструкции мощных Г. л. с принудительным воздушным охлаждением. В 1933-34 сов. академиком А. Л. Минцем и инженером Н. И. Огановым был разработан первый отечественный разборный триод мощностью 200 квт, а в 1956 совместно с инженером М. И. Басалаевым - разборный триод мощностью 500 квт.

Лит.:Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960; Тягунов Г. А., Электровакуумные и полупроводниковые приборы, М. - Л., 1962; Царев Б. М., Расчет и конструирование электронных ламп, 3 изд., М., 1967.

  Ю. Б. Любченко.

Генераторные лампы: а - пентод ГУ-80 (мощность 450 вт, наибольший диаметр 110 мм, высота 285 мм); б - триод ГУ-91 с принудительным воздушным охлаждением (мощность 5 квт, наибольший диаметр 240 мм, высота 500 мм); в - триод ГК-1А с водяным охлаждением (мощность 200 квт, наибольший диаметр 205 мм, высота 880 мм).

Генераторный газ

Генера'торный газ, вид газообразного топлива, получаемый газификацией угля, торфа и др. в газогенераторах . Подробнее см. Газификация топлив .

Генератриса

Генератри'са(матем.), то же, что производящая функция .

Генерация

Генера'ция(от лат. generatio - рождение, размножение), поколение, группа организмов в популяции, одинаково отдалённых в родственном отношении от общих предков. Например, у человека - родители, дети и внуки - 3 последовательные Г.

Генерация минералов

Генера'ция минера'лов, термин, применяемый для обозначения и различия временной последовательности образования отдельных минералов или их групп при процессе формирования минеральной ассоциации, горной породы, рудного тела и т. д. См. Минерал .

Генерирование электрических колебаний

Генери'рование электри'ческих колеба'ний, процесс преобразования различных видов электрической энергии в энергию электрических (электромагнитных) колебаний. Термин «Г. э. к.» применяется обычно к колебаниям в диапазоне радиочастот, возбуждаемым в устройствах (системах) с сосредоточенными параметрами (ёмкостью С, индуктивностью L, сопротивлением R), где электрические и магнитные поля пространственно разделены. При переходе к более высоким частотам (СВЧ и оптический диапазон) для возбуждения колебаний необходимы системы с распределёнными параметрами. В этом случае говорят об электромагнитных колебаниях. Термин «Г. э. к.», как правило, не применяется, когда речь идет о получении переменных токов промышленных частот, получаемых с помощью электрических машин (см. Генератор электромашинный , Переменного тока генератор ).

  Г. э. к. осуществляется обычно либо путём преобразования энергии источников постоянного напряжения при помощи электронных приборов (вакуумных, газоразрядных и твердотельных), либо путём преобразования первичных электрических колебаний в колебания требуемой частоты и формы (параметрический генератор, квантовый генератор).

  В зависимости от типа электронных приборов различают: ламповые генераторы (с электронными лампами), полупроводниковые генераторы (с полупроводниковыми триодами, туннельными диодами и др.), генераторы с газоразрядными приборами (тиратронами и др.). По форме колебаний, частоте, мощности и назначению различают: генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний, генераторы колебаний специальной формы, генераторы сверхвысоких частот и т. д.

  Необходимые элементы генератора: источник энергии, цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания (пассивные цепи) и активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний. Активным элементом обычно являются электронные приборы, часто в сочетании с управляющими ими дополнительными цепями (цепями обратной связи).

  Если энергия, подводимая в пассивные цепи, превосходит потери энергии в этих цепях, то любой возникший в них колебательный процесс будет нарастать. Если поступление меньше потерь, колебания затухают. Энергетическое равновесие, соответствующее стационарному режиму Г. э. к., осуществимо лишь при наличии нелинейных свойств у элементов системы. При их отсутствии в системе возможен либо нарастающий, либо затухающий колебательный процесс, а генерация стационарных электрических колебаний невозможна (см. ниже).

  Если цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебательные процессы, сами по себе обладают колебательными свойствами (например, колебательный контур или объёмный резонатор ), то частота и форма генерируемых колебаний в основном определяются частотой и формой их собственных колебаний. Роль активного элемента в этом случае сводится лишь к подкачке энергии в цепи для компенсации потерь в них (включая отбор энергии потребителем).

  Генераторы почти гармонических колебаний. Если в генераторе с колебательными цепями потери в контуре или резонаторе малы (высокая добротность колебательной системы ), то форма колебаний в них близка к синусоидальной и их называют генераторами почти гармонических колебаний или томсоновскими генераторами.

  Ламповый генератор. Простейший ламповый генератор почти гармонических колебаний состоит из колебательного контура и электронной лампы (например, триода ) с питанием и управляющей цепью ( рис. 1 ). В контуре под влиянием случайных электрических колебаний возникают собственные колебания тока и напряжения. Однако из-за потерь энергии в контуре колебания должны затухать. Чтобы колебания не затухали, необходимо пополнять запас колебательной энергии в контуре, например воздействуя на него пульсирующим током с той же частотой и с определённой фазой. Это осуществляется с помощью триода. Переменное напряжение, подводимое от контура к сетке триода, вызывает изменение его анодного тока. В результате в анодном токе появляются пульсации, которые при правильном подборе фазы напряжения, подаваемого на сетку лампы (цепь обратной связи ), будут пополнять колебательную энергию контура.

  Если усилительные свойства лампы таковы, что пополнения колебательной энергии превосходят потери колебательной энергии за то же время в самом контуре, то амплитуда начальных колебаний, возникших в контуре, будет нарастать. По мере роста амплитуды колебаний усиление лампы уменьшается за счёт нелинейности вольтамперной характеристики триода и в системе установится стационарная амплитуда генерируемых колебаний. Подобные системы, генерирующие стационарные колебания, частота и форма которых определяются свойствами самой системы, называют автоколебательными системами или автогенераторами, а генерируемые ими колебания - автоколебаниями .

  Мощность, подводимая от источника питания, расходуется не только на поддержание колебаний в контуре, но и на разогрев анода лампы электронами, бомбардирующими его при протекании анодного тока. Это обстоятельство ограничивает кпд ламповых генераторов, который может всё же достигать 70-75%.

  Управление электронной лампой с помощью цепи обратной связи может осуществляться различными способами. Наряду с индуктивной обратной связью ( рис. 1 ) возможна также ёмкостная обратная связь ( рис. 2 , а) или автотрансформаторная обратная связь ( рис. 2 , б).

  В схемах ламповых генераторов часто применяются т. н. параллельное питание анодной цепи ( рис. 2 , а, б) и автоматическое смещение сетки, создаваемое сеточным током i _c. Ток i _cсоздаёт постоянное напряжение на управляющей сетке лампы, смещающее рабочую точку анодно-сеточной характеристики в область отрицательных значений, что необходимо для получения высокого кпд ( рис. 3 ).

  Мощность ламповых генераторов - от долей вт(в измерительных и калибровочных устройствах) до десятков и сотен квт; область генерируемых частот - от десятков кгцдо Ггц. Верхняя частотная граница связана, во-первых, с наличием у ламп «паразитных» ёмкостей (сетка - анод и др.), с конечным временем пролёта электронов от катода к аноду, а также с некоторыми др. факторами (см. Электронная лампа ). Нижняя частотная граница обусловлена малой добротностью колебательных контуров с низкими собственными частотами.

  Транзисторный генератор. Другим примером генератора почти гармонических колебаний является генератор на полупроводниковом триоде (транзисторный генератор). Здесь, так же как и в ламповом генераторе, имеется источник питания, добротный колебательный контур, а активный элемент представляет собой сочетание полупроводникового триода и цепь обратной связи. В полупроводниковых триодах (транзисторах) имеет место усиление мощности колебаний, подводимых к управляющему электроду (например, к базе), и это позволяет, так же как и в случае электронных ламп, с помощью цепи обратной связи осуществить подкачку колебательной энергии в контур для его возбуждения и поддержания режима стационарных (незатухающих) колебаний. Существуют различные схемы транзисторных генераторов. Три варианта полупроводниковых генераторов, использующих включение транзистора по схеме с общим эмиттером, показаны на рис. 4, а, б, в.

  Транзисторные генераторы генерируют колебания с частотой от нескольких кгцдо 10 ¹⁰ Ггцс мощностями от десятых долей мвтдо сотен вт. Как и в ламповом генераторе, здесь при высокой добротности контура форма колебаний близка к гармонической, а частота определяется собственной частотой колебаний контура с учётом «паразитных» ёмкостей транзистора.

  Отрицательное дифференциальное сопротивление. Возникновение в контуре незатухающих колебаний можно рассматривать как результат внесения в него некоторого «отрицательного» сопротивления, компенсирующего положительное активное сопротивление. В ламповом генераторе это отрицательное сопротивление создаётся лампой в сочетании с цепью обратной связи и источником питания. В отрицательного сопротивлении увеличение тока должно соответствовать уменьшению падения напряжения:

  (в обычных сопротивлениях

  Эффект появления отрицательного дифференциального сопротивления возникает лишь при использовании усилительных свойств лампы или транзистора за счёт положительной обратной связи.

  Однако существуют приборы, в которых вольтамперная характеристика при определённых условиях имеет падающий участок. Это соответствует тому, что в некоторой области значений U и I имеет место отрицательное дифференциальное сопротивление

( рис. 5 ), позволяющее использовать подобные приборы для Г. э. к. Например, в пентодах зависимость тока экранирующей сетки i _эот напряжения на антидинатронной сетке U _эимеет падающий участок ( рис. 6 , а). Возникновение отрицательного сопротивления позволяет создать генератор, называют транзитронным ( рис. 6 , б). В транзитронном генераторе колебания в контуре LC поддерживаются также за счёт отрицательного сопротивления, вносимого в контур действием тока экранирующей сетки лампы, управляемого напряжением на третьей антидинатронной сетке.

  Для создания отрицательного сопротивления можно использовать электрический разряд в газах, вольтамперная характеристика которого имеет падающий участок. Например, в определённых режимах дугового разряда с увеличением тока I возрастает температура дуги, увеличивается количество ионов в разрядном промежутке и за счёт этого сопротивление промежутка падает, что приводит к уменьшению падения напряжения между электродами U. Это свойство дугового разряда использовалось в дуговых генераторах высокой частоты, применявшихся до появления ламповых генераторов ( рис. 7 , а, б).

  Подобным же образом может быть использована падающая характеристика туннельного диода ТД( рис. 8 , а). Если рабочая точка на характеристике диода находится на падающем участке его характеристики, то это соответствует введению в колебат. контур отрицательного сопротивления.

  Если колебательный контур обладает высокой добротностью, то генерируемые колебания по форме близки к гармоническим и их частота определяется собственной частотой контура с учётом дополнительной ёмкости диода (подключенного параллельно основной ёмкости С, рис. 8 ).

  Амплитуда установившихся колебаний будет определяться условием, чтобы средний наклон рабочего участка характеристики (с учётом захода колебаний за пределы наиболее крутого участка падающей характеристики) обеспечивал бы полную компенсацию потерь на активном сопротивлении контура, включая и полную нагрузку генератора R _полн. При этом R _{oтрицат .}= R _полн.

  Генераторы с ТДмогут генерировать колебания вплоть до частот 100 Ггц, но с весьма малой мощностью - порядка долей мквт. На дециметровых и сантиметровых волнах мощность таких генераторов может достигать нескольких мвт. Они, будучи чрезвычайно компактными и экономичными, наиболее успешно применяются в качестве гетеродинов в радиоприёмниках СВЧ диапазона. Полупроводниковые генераторы (как и ламповые) не могут генерировать очень высокие частоты (в области сантиметровых и более коротких волн). В этой области частот используются, как правило, устройства с объёмными резонаторами (вместо контуров).

  Большинство приведённых ранее понятий (активный элемент, пассивные цепи, отрицательное сопротивление и др.) в полной мере применимо лишь к устройствам, состоящим из сосредоточенных элементов (лампа, сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности и т. д.), размеры которых много меньше длины волны l. Продвижение в область СВЧ привело к созданию генераторов, представляющих собой системы с распределёнными параметрами. В этих устройствах для Г. э. к. используются различные явления, возникающие в электронных потоках в вакууме, в плазме или при прохождении тока через некоторые твёрдые тела, например полупроводники. В этих случаях не всегда применимо само понятие электрической цепи и невозможно выделять раздельно пассивные цепи и активный элемент.

  Магнетронный генератор. В магнетронном генераторе колебания СВЧ возбуждаются в системе объёмных резонаторов (полости с проводящими стенками). Резонаторы расположены по окружностям массивного анода и их собственная частота (определяется диаметром полости и шириной щели, соединяющей каждую полость с общим пространством, в центре которого расположен катод ( рис. 9 ). Магнитное поле, искривляя траектории электронов, движущихся от катода Кк аноду А, формирует общий электронный поток, пролетающий последовательно вдоль щелей резонаторов. Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по траекториям, почти касающимся щелей. Т. к. в резонаторах за счёт случайных токов неизбежно возникают слабые электрические колебания, то около щелей существуют слабые переменные электрические поля Е.