DE1516909B2

DE1516909B2 - Hochfrequenzerzeugungsgeraet mit einem eigenerregten Laufzeitroehrengenerator im Dauerbetrieb

Info

Publication number: DE1516909B2
Application number: DE1516909A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 2221 Quickborn Golombek; Franz Dipl.-Ing. 2000 Harksheide Timmermans
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1966-09-29
Filing date: 1966-09-29
Publication date: 1974-08-29
Also published as: DE1516909A1; SE335393B; BE704387A; NL6713058A; CH475672A; ES345501A1; US3462704A; DK118257B; AT280346B; DE1516909C3; FR1539334A; GB1202060A; JPS4939300B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenzerwärmungsgerät mit einem eigenerregten Laufzeitröhrengenerator im Dauerbetrieb, an den ein sich in der Impedanz verändernder Verbraucher angeschlossen ist, mit Mitteln zur Verhinderung der Verschiebung des Arbeitspunktes des Laufzeitröhrengenerators in das Gebiet elektronischer Instabilität bei Änderung der Verbraucherimpedanz in Richtung zunehmender Nutzleistung. Unter Dauerbetrieb soll ein Betrieb verstanden werden, in dem der Generator, abweichend von einem periodischen Impulsbetrieb, im wesentlichen eine Dauerstrichleistung abgibt, d. h., zum Dauerbetrieb ist auch ein intermittierender Betrieb mit Dauerstrichwerten und ein Betrieb mit ungesiebter Betriebsspannung oder Wechsel-Betriebsspannung zu zählen.

Von Hochfrequenzgeneratoren im Dauerbetrieb, die in Nachrichtenanlagen, z. B. als Sender oder Uberlagerer, eingesetzt sind, werden üblicherweise Eigenschaften wie gute Frequenz- und Amplitudenkonstanz, lineare Modulationskennlinie und geringes Eigenrauschen gefordert. Bei solchen Anwendungen ist man bestrebt, um äußere Rückwirkungen zu vermeiden, den Generator gut an die Belastung anzupassen bzw., wenn das nicht ohne weiteres möglich ist, eine künstliche Belastung anzuordnen, in der ein größerer oder der überwiegende Teil der Generatorausgangsleistung verbraucht wird. Dadurch wird verhindert, daß durch eine schwankende oder sich während des Betriebs ändernde Belastung die Betriebswerte des Generators, z. B. die Frequenz und die Ausgangsleistung, sich mit ändern.
Solche Bedingungen einer guten Anpassung liegen jedoch nicht bei Generatoren in Dauerbetrieb vor, die — meistens bei größerer Leistung — zur hochfrequenten Erwärmung verlustbehafteter Stoffe oder für andere Zwecke, z. B. zur Erregung von Plasmen,

3 ■ 4

verwendet werden. Je nach seiner Art, seinen physi- Generator angepaßt werden kann. In den meisten

kaiischen Eigenschaften, seiner Masse, seinen Ab- Fällen jedoch soll die Erwärmungsvorrichtung so

messungen und der Art seiner Ankopplung an den ausgebildet werden, daß ohne eine Änderung in ihr

Generator kann der Verbraucher hierbei für den Güter verschiedenartigster Form und Konsistenz

Generator eine sehr unterschiedliche Belastung dar- 5 unter Aufnahme eines möglichst großen Teiles der

stellen; weiter ist es möglich, daß die die Belastung vom Generator angebotenen Leistung erwärmt wer-

mit bestimmenden Stoffeigenschaften Verlustwinkel δ den kann.

und Dielektrizitätskonstante e_rei des zu erwärmenden Es ist eine Vielzahl von Maßnahmen bekannt, mit Stoffes während der Erwärmung nicht konstant blei- denen versucht worden ist, die zulässigen Grenzen ben, sondern sich zum Teil stark ändern. Dies ist 10 im Generatordiagramm beim Betrieb unter solchen z. B. beim Auftauen tiefgefrorener Speisen beim über- verschiedenartigen Bedingungen einzuhalten. So ist gang des Flüssigkeitsanteils vom festen in den flüs- es z. B. aus den »VALVO-Berichten«, Bd. VII, Heft 1, sigen Aggregatzustand oder bei der Plasmenanregung S. 16 und 17, bekannt, bei einem Magnetron als beim Zünden des Plasmas oder bei Änderungen des Generator den Erwärmungsraum, in den der VerGasdrucks u. a. m. der Fall. 15 braucher eingebracht wird und der häufig ein metal-

Außerdem wird oft in Erwärmungsgeräten zur lisch abgeschlossener Raum mit erheblich größeren

Vergleichmäßigung der Feldverteilung im zu erwär- Abmessungen als denen des Verbrauchers ist, sowie

menden Gut ein Feldrührer, eine Taumelscheibe oder die transformierend wirkenden Ankoppel- und Ab-

ein ähnliches Gebilde verwendet, das, um wirksam Stimmglieder zwischen dem Generator und dem

zu sein, in der Nähe der Energieeinspeisung ange- 20 Erwärmungsraum so auszubilden, daß der am Gene-

ordnet ist und die am Generator erscheinende Last ratorausgang erscheinende komplexe Lastleitwert bei

erheblich verändert. einem »mittleren« Verbraucher (einem Verbraucher

Die in einem großen Bereich verschiedenartige und mit mittleren Werten) einem Arbeitspunkt in der gegebenenfalls während des Betriebs sich ändernde Mitte des Generatordiagramms entspricht, der damit Last hat eine Rückwirkung auf die Betriebswerte des 25 etwa gleich weit entfernt von den beiden unzulässigen Generators. Dieser Einfluß der Belastung auf den Gebieten liegt. Aus einem Artikel in »Archiv für Elek-Generator ist aus dem Generatordiagramm zu ent- trotechnik, XXXIX. Band, Heft 9, 1950, S. 619 bis nehmen, in dem, bezogen auf einen definierten Gene- 632, ist eine systematische Übersicht über die Ausratorleitwert, in Kurvenscharen die Zusammenhänge kopplungsmöglichkeiten bekannt, woraus klar herzwischen Ausgangsleistung, Frequenz und dem korn- 30 vorgeht, daß es jedoch keine allgemein gültigen plexen Reflexionsfaktor der am Generator angeschlos- Bemessungsregetn gibt, sondern daß die günstige senen Last festgelegt sind. Der komplexe Reflexions- Anordnung in umständlichen Versuchen und Mesfaktor ist seinerseits eine Funktion des komplexen sungen — allenfalls nach Erfahrungsregeln — ermit-Lastleitwertes. telt werden muß. Hierbei ist besonders zu beachten,

Im Generatordiagramm eigenerregter Laufzeit- 35 daß in keinem der extremen Belastungsfälle der

röhrengeneratoren sind nun Gebiete vorhanden, in Arbeitspunkt den zulässigen Bereich verläßt und

denen der Generator nicht betrieben werden darf. insbesondere nicht ins Gebiet der elektronischen

Diese sind das Gebiet der elektronischen Instabilität Instabilität wandert.

(in der englischsprachigen Literatur »Sinkgebiet« Es ist jedoch nicht möglich, auf diese Weise alle genannt) und das thermische Grenzgebiet. Im Gebiet 40 Belastungsfälle einschließlich des Leerlaufes ohne der elektronischen Instabilität springt die normale einen weiteren Verbraucher als die Eigendämpfung Schwingungsform des Generators in eine oder mehrere des Erwärmungsraumes zu erfassen. Daher ist es andere Schwingungsformen bzw. Schwingungsmoden üblich, um den Generator für alle Fälle zu schützen, um bei gleichzeitiger Änderung der Frequenz. Hier- die Eigenverluste des Erwärmungsraumes ausreichend durch werden in Abhängigkeit von den verschiedenen 45 groß zu wählen, einen Zusatzverbraucher im Erwär-Belastungszuständen auch verschiedene instabile mungsraum anzuordnen, der einen gewissen Teil Arbeitspunkte des Generators erhalten, so daß sich der angebotenen Energie in Verlustwärme umsetzt, nicht nur der Wirkungsgrad des Generators ganz oder zwischen dem Erwärmungsraum und dem Geneerheblich verringert, sondern der Generator wird rator eine Einwegleitung einzusetzen, in der wenigauch überlastet, so daß er in kurzer Zeit zerstört ist. 50 stens ein Teil der infolge der Fehlanpassung zum Eine andere Möglichkeit in diesem Gebiet elektro- Generator rücklaufenden Energie absorbiert wird nische Instabilität ist die, daß die Schwingung über- (vgl. die obengenannten »VALVO-Berichte«, S. 30). haupt ganz abreißt und dann schlagartig wieder Weitere Schutzmaßnahmen für den Generator könanschwingt. Auch hierdurch kann eine Zerstörung nen im thermischen Grenzgebiet ein temperaturdes Generators erfolgen. 55 empfindlicher Schalter und im elektronischen Grenz-

Andererseits kann ein Betrieb im thermischen gebiet ein auf den komplexen Reflexionsfaktor oder

Grenzgebiet bei längerer Betriebszeit zu einer Ver- die Schwingungsart ansprechende Schaltung sein,

minderung der Lebensdauer oder infolge der Tem- üblicherweise wird als Maß für die höchste Ab-

peraturerhöhung bei dem dort vorhandenen schlech- weichung von der idealen Anpassung an Stelle des

ten Wirkungsgrad zu einem Gasausbruch oder anderen 60 Reflexionsfaktors der höchstzulässige Welligkeitsfak-

thermischen Störerscheinungen führen. tor s am Anschluß des Generators angegeben; diese

Alle möglichen Reflexionsfaktoren der Last müssen Größe ist eine Eigenschaft des jeweiligen Generator-

im Bereich zwischen diesen beiden Gebieten liegen, typs und hängt von seiner Konstruktion und seiner

wenn ein stabiler Betrieb des Generators gewähr- Betriebsweise ab. Steigende Werte des Welligkeits-

leistet sein und eine Schädigung vermieden werden 65 faktors sind im Generatordiagramm durch Kreise

soll. Es gibt zwar Anwendungsfälle, z. B. die Erwär- mit jeweils größeren Radien um den Mittelpunkt

mung von homogenen gleichförmigen Gütern im des Diagramms dargestellt.

Durchlaufverfahren, in denen die Last gut an den Mit den beschriebenen Maßnahmen ist zwar eine

gewisse Sicherheit zu erreichen, daß ein unzulässiger Arbeitspunkt sich nicht einstellt; sie sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß z. B. beim Zusatzverbraucher ein verhältnismäßig großer Teil der angebotenen Generator-Ausgangsleistung in dem Zusatzverbraucher umgesetzt werden muß, bei Schutzschaltungen wiederum der Betrieb unterbrochen wird. Weiter kann nicht die mögliche Ausgangsleistung ausgenutzt werden. Dies hängt damit zusammen, daß die Ausgangsleistung, wie aus dem Generatordiagramm ersichtlich ist, wegen des steigenden Wirkungsgrades in Richtung auf das Gebiet der elektronischen Instabilität zunimmt und wegen des sinkenden Wirkungsgrades in Richtung auf das thermische Grenzgebiet abnimmt, jedoch gerade der Arbeitspunkt bei einem mittleren Verbraucher etwa in der Mitte zwischen diesen beiden Gebieten liegen muß und insbesondere nicht zu nahe an das Gebiet der elektronischen Instabilität gelegt werden darf, das einen schmalen, etwa sektorförmigen Ausschnitt außerhalb desjenigen Kreises im Generatordiagramm bildet, der durch den höchstzulässigen Welligkeitsfaktor s_mux gegeben ist. Es können also gerade die Gebiete hoher Leistung und stabiler Betriebszustände außerhalb des Gebietes der elektronischen Instabilität nicht als Arbeitsgebiete erreicht werden, wenn alle möglichen Betriebszustände innerhalb des Kreises des höchstzulässigen Welligkeitsfaktors s_max liegen sollen.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Hochfrequenzerwärmungsgerät zu schaffen, wobei diese Nachteile vermieden werden, indem eine Art der Generatorbelastung angegeben wird, in der der Arbeitspunkt bei einem mittleren Verbraucher wesentlich weiter in das Gebiet größerer Generatorleistung gelegt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß er unter irgendeiner Belastung in das Gebiet der elektronischen Instabilität gelangt.

Dies wird bei einem Hochfrequenzerwärmungsgerät der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch Maßnahmen erreicht, wie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 näher angegeben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Maßnahmen ergriffen, wie in den Patentansprüchen 2 bis 7 näher beschrieben.

Dabei wird unter der mittleren Generatorschwingungsfrequenz die Frequenz verstanden, die sich einstellt, wenn der Generator mit einer rein ohmschen Last belastet ist. Unter Wellenleiter wird im vorliegenden Sinne jede Art von Leitern verstanden, die geeignet sind, eine hochfrequente elektromagnetische Welle verlustarm und strahlungsfrei zu übertragen; es kommen z. B. Koaxialleitungen oder Hohlleiter verschiedener Querschnittsformen in Frage. Die elektrische Wellenlänge der Generatorschwingung im Wellenleiter bei der mittleren Generatorfrequenz, die von der entsprechenden Wellenlänge A₀ im freien Raum abweichen kann, ist mit X_w bezeichnet.

Der Vollständigkeit halber wird daraufhingewiesen, daß aus der USA.-Patentschrift 2 485 029 und aus der Österreichischen Patentschrift 215 068 an sich Zwischenkreise zwischen einem Generator und einem Erwärmungsraum für verlustbehaftete Güter bekannt sind. Diese Zwischenkreise sind jedoch nicht in der oben angegebenen Art angekoppelt. Sie haben die Aufgabe, durch Frequenzstabilisierung den Bereich zu erweitern, innerhalb dessen der Belastungswiderstand geändert werden kann. Ein weiterer Zwischenkreis ist aus den »Telefunken Röhrenmitteilungen für die Industrie« Nr. 25 bekannt; er soll ebenfalls die Frequenzstabilität eines Magnetrons bei Spannungsschwankungen und äußerer Verstimmung erhöhen.

Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzerwärmungsgerätes, in dem der Blindleitwert des Verbrauchers über einen Schwingungskreis und einen Leitungstransformator auf den Generatorausgang transformiert wird,

F i g. 2 perspektivisch eine Ausführungsform des Hochfrequenzerwärmungsgerätes nach F i g. 1 mit Hohlleiterteilen,

F i g. 3 schematisch eine Ausführungsform mit Koaxialleitungsteilen als Koppelglieder,

F i g. 4 den Zusammenhang zwischen den Blindleitwerten der Last bzw. des Generators, bezogen auf den Generator, und der Generatorfrequenz, skalar,

F i g. 5 die übertragung des Diagramms nach F i g. 4 in die übliche bekannte Abbildung des Generatordiagramms,

F i g. 6 das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzerwärmungsgerätes, bei dem als abgestimmter Kreis ein auf die mittlere Generatorfrequenz abgestimmter Reihenresonanzkreis in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet ist,

F i g. 7 schematisch eine Ausführungsform des Hochfrequenzerwärmungsgerätes nach F i g. 6 mit einem A,_r/2-langen Hohlleiterresonator als Reihenresonanzkreis.

In dem Prinzipschaltbild nach F i g. 1 ist an die Ausgangsklemmen 1 und 2 eines Generators Gen in seiner Auskopplungsebene 3 ein Leitungstransformator Lt angeschlossen, der durch einen Wellenleiter mit der Länge λ_ιν/4 und dem Wellenwiderstand Z₀ des Generatorausganges gebildet wird. Am anderen Ende des Wellenleiters Lt ist in der Ebene 4 ein — hier schematisch mit konzentrierten Schaltelementen dargestellter — Schwingungskreis Sk veränderbar angekoppelt, der in der Belastungsebene 5 mit einem ebenfalls veränderbar angekoppelten Verbraucher V komplexen Leitwertes belastet ist.

In dem Hochfrequenzerwärmungsgerät nach F i g. 2 werden der Leitungstransformator Lt und der Schwingungskreis Sk von einem durchgehenden Hohlleiterstück Hl gebildet, das in λψ/4-Entfernung von der Auskopplungsebene 3 des Generators Gen über einen Schlitz 6 veränderbarer Abmessungen und Form mit einem Erwärmungsraum 7 gekoppelt ist, in dem das zu erwärmende, mit hochfrequenten Verlusten behaftete Gut G angeordnet ist. Die Abmessungen und physikalischen Eigenschaften des Gutes, die Größe und die Form des Raumes 7 und die Abmessungen und die Form des Schlitzes 6 sowie gegebenenfalls vorhandener anderer Anpassungs- und Abstimmglieder haben einen Einfluß auf den am Koppelschlitz 6 (entsprechend den in dieser Anordnung zusammenfallenden Ebenen 4 und 5 in F i g. 1) erscheinenden Verbraucherleitwert Y_v = G_v+jB_v. Das Netzwerk Lt ist also mit dem am Schlitz 6 erscheinenden Verbraucherleitwert Y_v in der Ebene 4 belastet.

Der Parallelschwingkreis Sk wird durch einen dem Generator Gen abgewandten Teil des Hohlleiters Hl gebildet. Er ist über einem Schlitz 8 veränderbarer Form und Abmessungen mit dem Verbraucher V (in Form des durch das Gut G belasteten Schlitzes 6)

und damit mit dem Netzwerk Lt veränderbar gekoppelt.

Der Parallelschwingkreis Sk ist mit einem in Richtung der Hohlleiterachse bewegbaren Schieber 9 auf ;_lw,/4-Resonanz abstimmbar, wobei ein eventuell durch den Erwärmungsraum 7 eingekoppelter Blindleitwert herausgestimmt werden kann.

In der Anordnung nach F i g. 3 sind das Netzwerk Lt und der Parallelschwingkreis Sk der Anordnung nach Fi g. 2 durch entsprechende Koaxialleitungsteile ersetzt. Der als Stichleitung ausgebildete Parallelschwingkreis Sk ist über eine in ihrem Abstand zum Mittelleiter des impedanzinvertierenden Netzwerkes Lt veränderbare Scheibe 10 mit diesem veränderbar gekoppelt. Der Verbraucher V ist hier schematisch als Koaxialleitungsabsorber veränderbaren komplexen Leitwertes dargestellt, der in der Ebene 11 (entsprechend der Ebenen 4 und 5 in Fig. 1) das Netzwerk Lt-Sk belastet.

Die Funktionen der Anordnungen nach den F i g. 2 und 3 sollen nun an Hand einer Rechnung sowie des Prinzipschaltbildes der F i g. 1 und der Diagramme der F i g. 4 und 5 beschrieben werden.

Ein Laufzeitröhrengenerator Gen ist ein Schwingungserzeuger, der in der Nähe seiner Resonanzfre-

Für den Generatorleitwert gilt die Gleichung

- ^Gen

Yo

j I \

quenz als LR C-Kreis in Parallelschaltung aufgefaßt werden kann (vgl. Fig. 1, L_Gen, R_Gen, C_Ge„). Dieser Generator arbeitet auf eine komplexe Last. Dabei stellt sich die Generatorfrequenz w_Ce„ so ein, daß die Summe der Imaginärteile des Generatorleitwertes und des Leitwertes der am Generatorausgang vorhandenen Last gleich Null ist:

j Be«+j B_L = 0,

(1.1)

(1.2)

Zunächst sei der Generatorleitwert betrachtet, wobei alle Größen auf den Wellenwiderstand Z₀ des Generatorausgangs transformiert sind.

Es werden bezeichnet mit:

L_Ge„, C_Gen die Induktivität und die Kapazität des Generator-Resonanzkreises, transformiert auf den Generatorausgang,

R-Gen — ~~r— der Verlustwiderstand des Gene-

"G in

rator-Resonanzkreises, transformiert auf den Generatorausgang,

Z₀ = -^r der mit dem Wellenwiderstand abgeschlossene Generatorausgang.

+ j I <"Gen^CGen

J )

en^Gen J

(2.1)

Wird die Resonanz-Kreisfrequenz

("OGen — (2.2)

eingesetzt, so ist

γ /-> I V _l_ if ( ^ω°^Gen I

¹GCn — "Gen ' ¹O > J '-'Gen \ ^MGen I >

V ("Gen /

γ - a 4- y 4- η,, c ( ^ωαβη - ^w°^Ge"\

'Gen — "Gen + ¹O tJWoOe«^LCtn 1 )·

\ °>0Gen ("Gen J

Wird weiter, wie üblich, als externe Güte

definiert, dann ergibt sich

Y_Cen =

Qe Gen ⁼

₀ Γΐ L (2.3) (2.4)

(2.5) (2.6)

Der Imaginärteil des Generatorleitwertes ist also

:d _ ;n .V f ("Gen °>0Gen \

J "Gen — JSlEGen ¹O \— ~ ~ I·

\ ("OGen ^mGen /

(2.7)

Sein Verlauf über der normierten Frequenz ist in 65 auch mit einem äußeren Verbraucher V versehen

F i g. 4 mit der Kurve II dargestellt. Wird der Gene- ist, die beide in Ry zusammengefaßt werden können,

rator nun mit einem Parallelschwingungskreis Sk so ergibt sich für den Schwingungskreis Sk eine

belastet, der nicht nur Eigenverluste hat, sondern Kurve mit demselben prinzipiellen Verlauf. Stellt

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der äußere Verbraucher einen komplexen Leitwert dar, so ändert sich dadurch die Resonanzfrequenz des Kreises. Da für die Last gemäß der Gleichung (1.2) der Imaginärteil —jB_L aufgetragen werden muß, geht diese Kurve aus der in F i g. 4 mit II bezeichneten durch Spiegelung an der Abszisse hervor (der Übersichtlichkeit halber wurde diese Kurve in der Figur weggelassen). Gleichgültig wie nun w_OGe„ des Generators und u)_QSk des Schwingungskreises liegen und wie steil die beiden Kurven verlaufen, sie ergeben immer nur einen Schnittpunkt, der den Arbeitspunkt des Generators darstellt. Dieser Arbeitspunkt kann jedoch im Gebiet der elektronischen Instabilität des Generators liegen. Bei gleichen Frequenzen (o>_OGe„ — W_0Sk) läuft der Schnittpunkt in der Darstellung der F i g. 4 durch den Nullpunkt des Achsenkreuzes; unterschiedliche Frequenzen würden eine gegenseitige Verschiebung der beiden Kurven in der Abszisse bedeuten.

Wird jedoch, wie in der Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 1 bis 3, zwischen den Generator und den Verbraucher ein Netzwerk Lt in Form eines A^/4-langen Wellenleiters mit dem Wellenwiderstand Z₀ des Generatorausgangs und einer Länge, die λ_ψ/4 oder ein ungerades Vielfaches davon beträgt, geschaltet, ergeben sich völlig andere Verhältnisse. Das Netzwerk Lt mit der Länge ?._w/4 transformiert den Verbraucherleitwert Y_v zum Generatorausgang, so daß der Lastleitwert

V²

Yv

beträgt oder wenn Y_v eingesetzt wird

ν²

V ⁽"OSk ">Gen I

(3-D

(3.2)

oder mit anderen Bezeichnungen

^Ζ0

<^UGcn

(3.3)

Der Imaginärteil jB_L des Lastleitwertes Y_L ist dann mit Öek = ("osk Csk Z₀ . (3.4)

_n ( ^MGen ">OSk \ ~ ViEVl ~ I
; ρ ; \ ("OSk "'Gen ' /-> c\

J^bl=J j=-^2 τ T2=r (3-5)

⁰ "d2 ■" ^CEV I )

L^KK \ "Ost '"cot / J

und hat damit prinzipiell den in den Kennlinien I₁, I₂ ... dargestellten Verlauf über der normierten Frequenz.

Dabei ist bereits berücksichtigt, daß —jB_L aufgetragen werden muß, da gemäß der Gleichung (1.2) für die sich erregende Schwingung m_Gcn der Blindleitwert jB_Gc„ gleiche —1 mal den Blindleitwert jB_L, d. h. gleich —jB_L, sein muß. Die Resonanzfrequenz u)_osk des Parallelschwingkreises Sk ist in Fig. 4 gleich der Resonanzfrequenz ω₀ _Gcn (der mittleren Frequenz) des Generators.

Parameter der Kennlinien I₁ bis I₆ ist der Quotient RyIZ₀, das ist das Verhältnis des Realanteils des Verbraucherwiderstandes V zum Wellenwiderstand Z₀

des impedanzinvertierenden Netzwerkes Lt. Mit stei gendem Verhältnis dieser beiden Größen nimmt so wohl der Maximalwert des Blindanteils als auch du Steilheit der Kennlinie in ihrem Wendepunkt zu, de: bei gleicher Frequenz mit dem Nullpunkt des Achsen kreuzes zusammenfällt.

Die Steilheit der Kennlinie II ist wiederum abhängig von den Daten des Generators und eine Konstante des betreffenden Generators.

Ein stabiler Arbeitspunkt ist in den Schnittpunkter der Kennlinien I und II vorhanden, in denen der Differentialquotient der Imaginärleitwertkennlinien I₁ bis I₆ der Last gleich oder kleiner als der Differentialquotient der Imaginärleitwertkennlinie II des Generators ist. Dies ist in den Punkten 12 und 13 der Kennlinie für I₁ und 14 und 15 der Kennlinie •für I₂ der Fall, nicht jedoch in den durch den Nullpunkt des Achsenkreuzes laufenden Schnittpunkten dieser Kennlinien.

Für die Kurven I₃ bis I₆ ist die obengenannte Bedingung für einen stabilen Arbeitspunkt im Achsenschnittpunkt erfüllt.

Sollte durch eine Änderung der Verbraucherwerte momentan ein Punkt auf dem steilen, durch den Nullpunkt des Achsenkreuzes gehenden Ast der jeweiligen Imaginärleitwertkurve der Last erreicht werden, der zwischen der Imaginärleitwertkurve II des Generators und der Ordinatenachse liegt, so wird der mittlere, im Nullpunkt des Achsenkreuzes liegende Schnittpunkt übersprungen, und es stellt sich dann der im entgegengesetzten Quadranten liegende stabile Arbeitspunkt ein; ein stabiler Arbeitspunkt im Gebiet der elektronischen Instabilität kann sich nicht einstellen.

Die Grenze, bei der der Arbeitspunkt nicht springt, ist mit der Kurve I₃ dargestellt, deren Steigung im Wendepunkt gleich der Steigung der Kurve II ist. In diesem Wendepunkt, der bei gleicher Frequenz iu_0Cm = ω_05λ mit dem Wendepunkt der Kurve II zusammenfällt, fallen die Tangenten an beiden Kurven miteinander zusammen. Dieser Punkt ist dann der einzig mögliche und zugleich stabile Schnittpunkt der beiden Kurven. Die Kurven I₄, I₅ und I₆, deren Parameterwert RyIZ₀ kleiner ist als der der Grenzkurve I₃, haben ebenfalls jeweils nur einen stabilen, außerhalb des Gebietes der elektronischen Instabilität liegenden Schnittpunkt.

Wird der Parallelschwingungskreis Sk mit einem komplexen Verbraucher belastet bzw. ist der Schwingungskreis nicht genau auf die Resonanzkreisfrequenz des Generators o_OCe„ abgestimmt, so ergibt sich eine Parallelverschiebung der Kurven, was grundsätzlich an dem Verhalten nichts ändert.

Die Steigerung der Kurve des Imaginärleitwertes JB_Gen erhält man durch Differentiation der Gleichung (2.7) nach der Frequenz

d(B_aJ

/ '»Gen \
\ ^wOG«i /

Qli C cn

Z₀

1 +

f ^a>0Gen Ν ²
V (»Gen )

(4.1)

Im Punkte u>_0Gl,_n = u>_Gen beträgt die Steigung dieser Kurve

d(B_c„.„)

2Q_I;

( «'Gen \ \ «Ό Gen J

: Gen

(4.2)

O'OGen = '"Gen

11 12

Die Steigung der Kurve des Imaginärleitwertes —jB_L der Last ergibt sich durch Differentiation der Gleichung (3.5) nach der Frequenz

d(-B_L)

\% - QIv

LRy

Q,:y Π + (-^SL) 1

L V ^ωΟ«ι J J

«>osk J

wobei sich als Steigung im Punkt «>_0Sk = ti>_Gen ergibt:

d(-B_L)_ ₌ 2Q,_VR_V

^mOSk = <°Gen

\ UlOSk J

(5.2)

Als Bedingung für das überspringen des Gebietes der elektronischen Instabilität in Anordnungen nach den F i g. 1 bis 4 ergibt sich daher:

-Qi:

:ν

(6-2)

oder unter Wiedereinführung der Definitionen der Gleichungen (2.5) und (3.4) mit ru_OCl„, =

n ^-Gen ^o < G'_0GenC_stZ₀

C_Ge

(6.4)

Im Generatordiagramm der F i g. 5 hat die Schar der Kreise I₁ bis I₅ dieselben Parameterwerte wie die Schar der Kennlinien I₁ bis I₅ in Fig. 4; sie sind die geometrischen Orte für Betriebszustände mit jeweils gleichem Wert von RyIZ₀ (der Kreis für RyIZ₀ = 0,5 wurde in F i g. 5 der besseren Übersicht halber weggelassen). Die Linien U₀ bis Q₉ bzw. \/Ω₉ sind die geometrischen Orte der Punkte mit jeweils gleicher Frequenz a>_Ge„; sie sind in Fig. 4 mit den entsprechenden Abszissenwerten wiedergegeben. (Da das Generatordiagramm auf die Lastebene 3 bezogen ist und Leitwerte darstellt, haben die Kreise I₁ bis I₅ eigentlich den Parameter Z₀/R_L. Wenn jedoch, wie in Fig. 1 dargestellt, der Verbraucher V und das λ^/4-Netzwerk Lt gleich fest an den Parallelschwingkreis Sk angekoppelt sind, wird der normierte Verbraucherwiderstand RyIZ₀ nicht von der Ebene 5 in die Ebene 4 transformiert, und RyIZ₀ erscheint in der Lastebene 3, über das λψ/4-lange Netzwerk Lt invertiert als Lastleitwert Z₀/R_L. Es kann daher unter der genannten Bedingung Ry)Z₀ im Diagramm der Fig. 5 mit Z₀IR₁ gleichgesetzt werden.)

Die Schnittpunkte der Kennlinie II der Fig. 4 mit den Kennlinien I sind in F i g. 5 als Kennlinie II dargestellt, die ein tropfenförmiges Gebiet einschließt, das übersprungen wird und in dem das Gebiet der elektrischen Instabilität III des Generators Gen liegt.

Die Punkte 12 bis 15 sind identisch mit denen der

^wGen ^M0Sk

⁰¹OSk

^L)7

■n / J

(5.1)

Fig. 4 und geben die dort dargestellten stabilen Arbeitspunkte wieder.

Die strichpunktierten Kennlinien P₁ bis P₆ sind die geometrischen Orte der Punkte gleicher Leistung. Dabei entsprechen P₁ einer niedrigen und P₆ einer großen Leistung.

Aus dem Diagramm der F i g. 5 ist ersichtlich, daß der mittlere Arbeitspunkt in das Gebiet großer Generatorleistung gelegt werden kann, ohne daß eine Gefahr besteht, daß sich ein stabiler Arbeitspunkt im Gebiet der elektronischen Instabilität einstellt (ein solcher Betriebszustand könnte, wie eingangs ausgeführt, zu einer schnellen Zerstörung des Generators führen).
Die Darstellung der F i g. 1 bis 5 bezieht sich hinsichtlich der Auskopplungsebene 3 auf die »ohmsche« Auskopplungsebene des Generators und nicht auf eine zufällige Ausführung der Auskopplung, die in den meisten Fällen aus mechanischen Gründen über ein dazwischengeschaltetes Leitungsstück erst in einem bestimmten Abstand von der ohmschen Generatorauskopplungsebene liegt. Ist in den technischen Daten

* eines Generators, wie dies meistens der Fall ist, das Generatordiagramm auf die mechanische Anschlußebene bezogen, so muß durch entsprechendes Zwischenschalter einer Leitung mit dem Wellenwiderstand Z₀ des Generatorausgangs die ohmsche Auskopplungsebene in einem Abstand von λβ oder einer geraden Vielfachen davon transformiert werden. Hierdurch wird die Frequenzlinie Ω_ο und damit auch das Gebiet der elektronischen Instabilität im Generatordiagramm in die Richtung der reellen Achse des Diagramms gedreht, wodurch die Verhältnisse, wie sie in F i g. 5 dargestellt sind, zustande kommen.
Die Zahlenwerte der Fig. 4 und 5 beziehen sich auf ein ausgeführtes Beispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzerzeugungsgerätes, dessen Laufzeitröhrengenerator ein Dauerstrichmagnetron mit einer Frequenz ω₀ _Ge„ von 2450 MHz, mit einer mittleren Leistung von 2 kW und einem in Richtung auf das Gebiet der elektronischen Instabilität höchstzulässigen Welligkeitsfaktor s_max von 2,75 ist. Dieser Wert liegt in einem genügenden Sicherheitsabstand vom Gebiet der elektronischen Instabilität, das erst bei s = 3,5 beginnt. Der Wellenwiderstand des koaxialen Generatoranschlusses ist 50 Ω, und die (nicht von außen beeinflußbare) Kopplung zwischen Magnetron und diesem Anschluß ist so festgelegt, daß die externe Güte Q_EGen gleich 380 ist.

Wie bereits erwähnt, ist der Imaginärteil jB_Gc„ des Generatorleitwertes Y_Gcn mit der Kennlinie II dar-. gestellt. Die Kennlinien I₁ bis I₆ gelten für verschiedene Verbraucherwiderstände R_v. Da nun in der reellen Achse des Generatordiagramms, in deren Richtung das Gebiet der elektronischen Instabilität liegt, der Welligkeitsfaktor s identisch mit dem Parameterwert RyIZ₀ ist, muß der Parallelschwingkreis Sk derart an den Verbraucher V und das Netzwerk Lt angekoppelt sein, daß sich RyIZ₀ = s„_mx = 2,75 als

13 14

Parameterwert der Grenzkennlinie I₃ ergibt. Gemäß führt. Dieser Raster ist für die verschiedenen Schwinder Gleichung (6.2) ist gungsmodi räumlich verschieden. Kommt daher durch

/D \2 die ständige Frequenzänderung in einem breiten

Qev > 0.EGe_n '· (~y) Bereich eine Vielzahl von Schwingungsmodi zu-

^ ⁰^ 5 stände, so wird der Energieraster im Gut ständig

räumlich verändert und die Energieverteilung ver-

_n gleichmäßigt.

^s ' Dieser Effekt läßt sich darüber hinaus noch verstärken, indem der Generator mit nicht gesiebtem Durch diese Wahl von Q_EV, die sich durch Messen io Betriebsstrom gespeist wird, wodurch in bekannter bestimmen läßt, ist in jedem Betriebsfalle gewähr- Weise eine zusätzliche Frequenzmodulation entsteht, leistet, daß das elektronisch instabile Gebiet über- Die in F i g. 6 im Prinzip dargestellte Schaltung Sprüngen wird. enthält als Netzwerk einen in Reihe mit dem Ver-Wird der mittlere Arbeitspunkt in das Gebiet braucher V geschalteten Reihenresonanzkreis Rk, der großer Leistung gelegt, so liegt die gesamte Orts- 15 die duale Schaltung zu einem Parallelschwingkreis kurve in diesem Gebiet und wandert nicht stark in (Sk) mit einem vorgeschalteten invertierenden Glied das Gebiet geringerer Leistung aus. Die Frequenz (Lt) darstellt. Der Reihenresonanzkreis Rk kann, wie ändert sich jedoch, wie aus dem Diagramm ersichtlich in Fig. 6 dargestellt, entweder unmittelbar an der ist, sehr stark. Dies wirkt sich sehr günstig in einem Lastebene 3 des Generators Gen oder in einer Ent-Mikrowellenherd bekannter Bauart aus, in dem das 20 fernung von η · X_wß in der Ebene 4 angeschlossen Gut in einem Erwärmungsraum behandelt wird, des- werden (durch ein η · A^/2-langes Wellenleiterstück sen Abmessungen groß zur Wellenlänge sind. Ein wird bekanntlich der Widerstand nicht invertiert), derartiger Erwärmungsraum weist nämlich um so Ein η · A^/2-langes Wellenleiterstück kann ebenfalls mehr Schwingungsmodi auf, je größer sein Betriebs- zwischen die Verbraucherebene 5 und den Verbraufrequenzbereich ist. Wenn nur ein oder wenige Schwin- 25 eher V eingefügt werden. Als Bedingung für das gungsmodi vorhanden sind, so besteht die Gefahr, überspringen des Gebietes der elektronischen Instadaß ein Energieraster sich im behandelten Gut aus- bilität ergibt sich nach der analogen Rechnung zur bildet, der zu einer ungleichmäßigen Erwärmung Rechnung für die Kombination Lt-Sk, daß

Q_ERk . (ΆΫ = * . (^)

\RyJ ü>ORkC_RkZ_o \R_VJ

sein muß, oder, in Worten ausgedrückt, der Verbrau- der einen Breitseite des Hohlleiters 12 ein v/2-langes cherwiderstand V muß derart gewählt oder an den 35 Hohlleiterstück angekoppelt, das den Reihenresonanz-Reihenresonanzkreis Rk angekoppelt werden, daß kreis Rk bildet. Form und Abmessungen des Schlitzes dessen externe Güte Q_ERk, multipliziert mit dem Qua- bestimmen dabei den Kopplungsfaktor,
drat (Z₀/R_v)² des reziproken normierten Verbrau- In einer weiteren Entfernung von l_wß von der cherwiderstandes größer als die externe Güte Q_EGe„ Ebene 4 ist, ebenfalls über einen Schlitz 14 einstelldes Generators ist. 40 barer Form und Abmessungen, als Verbraucher der In F i g. 7 ist eine Ausführungsform des Hoch- mit dem Gut G belastete Erwärmungsraum 7 angefrequenzerzeugungsgerätes nach F i g. 6 gezeigt. Die koppelt.

Energie des Generators Gen wird über einen Kop- Die Ankopplung des Reihenresonanzkreises Rk pelstift in einen Hohlleiter 12 eingekoppelt, der an über die nicht den Widerstand invertierenden a_w/2-seinem dem Erwärmungsraum 7 abgewandten Ende 45 langen Hohlleiterstücke wurde gewählt, um eine in einer Entfernung von X_w/A gut leitend abgeschlos- gegenseitige Störung über die nicht an den Kopplungssen ist. In einer Entfernung von l_wß von der Last- stellen homogenen Felder im Hohlleiter zu verebene 3 des Generators ist über einen Schlitz 13 in meiden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzerwärmungsgerät mit einem eigenerregten Laufzeitröhrengenerator im Dauerbetrieb, an den ein sich in der Impedanz verändernder Verbraucher angeschlossen ist, mit Mitteln zur Verhinderung der Verschiebung des Arbeitspunktes des Laufzeitröhrengenerators in das Gebiet elektronischer Instabilität bei Änderung der Verbraucherimpedanz in · Richtung zunehmender Nutzleistung, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Laufzeitröhrengenerators (Gen) bei seiner mittleren Frequenz (ω_{0 Gc},„) in dem Bereich hoher Nutzleistung und hohen Wirkungsgrades in der Nähe des Gebietes elektronischer Instabilität eingestellt ist und zwischen den Laufzeitröhrengenerator (Gen) und den Verbraucher (V) ein Netzwerk (Lt-Sk bzw. Lt-Rk) eingeschaltet ist, das ein impedanzinvertierendes Netzwerk (Lt) und einen abgestimmten Kreis (Sk bzw. Rk) mit einer Abstimmfrequenz etwa gleich der mittleren Generatorfrequenz (ω_{0 Gc}„) und mit einem externen Gütefaktor, der multipliziert mit einem vom normierten Belastungswiderstand abhängigen Faktor größer gewählt ist als die externe Güte des Generators (Gen), aufweist und das derart auf den Laufzeitröhrengenerator (Gen) einwirkt, daß die Generatorfrequenz (i»_Gc„) für vorgegebene Werte der Verbraucherimpedanz in Richtung zunehmender Nutzleistung über das Gebiet elektronischer Instabilität springt.

2. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte Kreis aus einem wenigstens annähernd auf die mittlere Schwingungsfrequenz (a>₀ _Cen) des Generators (Gen) abgestimmten, an den Verbraucher V) angekoppelten Parallelresonanzkreis (Sk) besteht, dessen externe Güte (Q_EV = ω_05κ C_Sk Z₀) multipliziert mit dem Quadrat (R_v/Z₀)² des normierten ohmschen Verbraucherwiderstandes im Frequenzbereich des Generators (Gen) größer als die externe Güte (Q_EGi.„ = <"_0Ccn C_Cc„ Z₀) des Generators (Gen) ist, und daß das an den Parallelresonanzkreis (Sk) angekoppelte impedanzinvertierende Netzwerk (Li) aus einem Wellenleiter besteht, der den komplexen Leitwert (Ebene 4) des Verbrauchers (V) mit angekoppeltem Parallelresonanzkreis (Sk) in die Lastebene (3) invertiert.

3. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das invertierende Netzwerk (Lt) eine Wellenleiter mit dem Wellenwiderstand (Z₀) des Generatorausganges (Lastebene 3) und der Länge (2n-\)X_w/A ist (n = ganze, positive Zahl).

4. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter durch ein Hohlleiterstück (Hl) gebildet wird, das in seinem ersten an die Lastebene (3) anschließenden Teil (Lt) in einem Abstand von /.,,,/4 vom Generator (Gen) über eine veränderbare Kopplung (6) mit dem Verbraucher (V) belastet ist und dessen zweiter Teil (Sk) an seinem dem Generator abgewandten Ende (9) kurzgeschlossen auf A^/4-Resonanz abgestimmt und über eine veränderbare Kopplung (8) mit dem ersten Teil (Lt) gekoppelt ist.

5. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach den An-

Sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (Li) durch ein A^/4-langes Koaxialleitungsstück gebildet wird, an das an seinem dem Generator (Gen) abgewandten Ende der Verbraucher (V) angekoppelt ist und an das als abgestimmter Kreis (Sk) ein an seinem äußeren Ende kurzgeschlossenes und auf /ί^/4-Resonanz abgestimmtes Koaxialleitungsstück (10) veränderbar angekoppelt ist.

6. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte Kreis aus einem wenigstens annähernd auf die mittlere Schwingungsfrequenz ω₀ _Gen des Generators (Ge«) abgestimmten, an den Verbraucher (V) angekoppelten Reihenresonanzkreis (Rk) besteht, dessen externe Güte (Q_{E Rk} = 1/a^ _Rk C_Rk Z₀) multipliziert mit dem Quadrat (Z₀IRy)¹ des reziproken normierten ohmschen Verbraucherwiderstandes größer als die externe Güte (Q_tG(,_n = M_0Ge„ C_Ge„ Z₀) des Generators (Gen) ist.

7. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (V) so gewählt oder so an das Netzwerk (Lt-Sk, Rk) angekoppelt ist, daß der Generator (Gen) überwiegend im Gebiet hohen Wirkungsgrades arbeitet.