Konfiguration und Auswahl von Mikrowellengeneratoren
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Konfiguration und Auswahl von Mikrowellengeneratoren
Konfiguration und Auswahl von Mikrowellengeneratoren MUEGGE GMBH Hochstraße 4-6 · 64385 Reichelsheim Fon +49 (0) 6164 - 93 07 11 · Fax +49 (0) 6164 - 93 07 93 info@muegge.de · www.muegge.de Mikrowellengeneratoren Konfiguration und Auswahl von Mikrowellengeneratoren: Mikrowellengeneratoren sind Komplettlösungen, die dazu bestimmt sind Mikrowellenleistung zu generieren und zu übertragen. Zwei Konfigurationen sind gängig: n Komplett-Mikrowellengeneratoren oder n modulare Mikrowellensysteme Beispiel für einen kompletten Ein kompletter Mikrowellengenerator wird in einem Mikrowellengenerator: MG0500D-210TC einzigen Gehäuse, das alle Generatorsysteme und Subkomponenten enthält, geliefert. Im Falle eines modularen Mikrowellensystems werden einzelne Komponenten geliefert, wozu unter anderem das Netzteil, der Magnetronkopf und ein Kabelset gehört. Dieses Set kann aber noch erweitert werden. Beide Systeme folgen aber dem gleichen grundlegenden Installationsschema: Beispiel für ein modulares Mikrowellensystem: MX-Stromversorgung Anschließen des externen Hohlleiters, Anbinden an das MX2000D-112KL und ein Magnetronkopf lokale Stromnetz, Anschließen der Kühlwasserleitungen MH2000S-215BB und des Feldbus. Ein typisches Mikrowellensystem ist auf dem nachfolgenden Bild dargestellt: MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -2- © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Mikrowellenstromversorgungen: Die Stromversorgung liefert die Spannung und den Strom ans Magnetron, und in Abhängigkeit vom Design bietet sie auch die Feldbus-Schnittstelle für die Systemsteuerung oder die Einbindung in ein größeres System an. Die am häufigsten in der Mikrowellenerwärmung genutzten Netzteiltypen umfassen Schaltnetzteile, konventionelle / induktive (LC) Netzteile und Pulsnetzteile. Oftmals bestimmt die Anwendung, welcher Netzteiltyp am geeignetsten ist, aber auch die Kosten sind ein nicht unwesentliches Auswahlkriterium. n Schaltnetzteile wandeln eine eingehende Wechselspannung in einen einstellbaren Gleichstrom mit geringer Welligkeit um. Die größten Vorteile von Schaltnetzteilen sind deren kompakte Bauweise, Stabilität und Strom mit geringer Welligkeit, wodurch ein qualitativ hochwertiges Ausgabespektrum mit enger Bandbreite erzielt werden kann. [MX-Serie: Schaltnetzteile] n Konventionelle / Induktive (LC) Stromversorgungen werden in verschiedenen Varianten angeboten, sind in ihrem Aufbau aber ähnlich. Sie beinhalten Hochspannungs- und Heiztransformatoren, Kondensatoren und Dioden. Die gängigsten Typen beinhalten Einweg-, Zweiweg- oder Brückengleichrichtung. Die Vorteile der induktiven Stromversorgungen liegen in deren robuster Bauweise und den vergleichsweise niedrigen Kosten in Bezug auf Schalt- oder Pulsnetzteile. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass die Geräte auch bei verhältnismäßig schlechten Umgebungsbedingungen betrieben werden können. [MC-Serie: LC-Stromversorgung]) Beispiel für ein Schaltnetzteil: MX2000X-112KL Beispiel für eine LCMikrowellenstromversorgung MC3000B-114AA n Puls-Stromversorgungen verkörpern die neueste Technologie für Mikrowellenstromversorgungen. Wie ihr Name vermuten lässt, sind diese Geräte in der Lage ein Magnetron im Pulsmodus zu betreiben, wodurch innerhalb eines bestimmten Zeitraumes höhere Spitzenausgangsleistungen erreicht werden können. Viele Pulsstromversorgungen bieten aber auch die Möglichkeit das Magnetron nicht gepulst sondern beständig zu betreiben. [MP-Serie: Puls-Stromversorgungen] MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -3- Beispiel für eine Puls-Stromversorgung MP1003G-112UL © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Magnetronkopf: Der Magnetronkopf besteht aus einem Magnetron, einem Hohlleiter-Launcher und einem Heiztransformator. Für die Erzeugung und Übertragung von Mikrowellenenergie wird alles miteinander verbunden und vorverdrahtet. Alle Zubehörkomponenten sind so gestaltet, dass diese größtmögliche Stabilität und Systemeffizienz gewährleisten. Magnetronköpfe können, basierend auf der Anwendung und anderen Anwenderspezifikationen, mit vielen verschiedenen Optionen und in verschiedensten Konfigurationen geliefert werden. [MH-Serie: Magnetronköpfe] Magnetronkopf MH2000F-216CM, MH-Serie 2450 MHz, offene Bauweise Magnetronkopf MH2000S-215BB, Kompaktkopf, MH-Serie, 2450 MHz Magnetronkopf MH020KS-310CN Mikrowellenleistungskopf, MH-Serie, 2450 MHz Magnetronkopf MH100KS-510CF Mikrowellenleistungskopf, MH-Serie, 915 MHz MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -4- © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Hohlleiterkomponenten: Aus verschiedenen Gründen kann es notwendig werden, der Mikrowellenübertragungsstrecke verschiedene zusätzliche Hohlleiterkomponenten hinzuzufügen. Die gängigsten Hohlleiterkomponenten werden nachfolgend beschrieben und deren Position ist in der Abbildung zum Aufbau der Mikrowellenanlage illustriert (Siehe Abbildung auf Seite 1) Isolatoren / Zirkulatoren: Ein Hohlleiter-Zirkulator ist ein Gerät mit drei Anschlüssen und Ferrittechnologie (Magnete) für die gezielte Weiterleitung der Mikrowelle zu einem bestimmten Anschluss in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung der Mikrowelle. Ein Isolator ist ein Zirkulator mit einer absorbierenden Last an einem Anschluss. Ein Isolator erfüllt innerhalb eines Mikrowellenkreises zwei Hauptfunktionen: Isolator MW1006A-210EC 6 kW / 1. Er schützt das Magnetron vor reflektierter 2450 MHz / WR 340 Mikrowellenleistung. 2. Er versorgt das Magnetron mit einer abgestimmten Last für die effektive Erzeugung von Mikrowellenenergie. In der Standardkonfiguration sind die Isolatoren in unmittelbarer Nähe zum Magnetron (Magntronkopf) montiert (Siehe Abbildung auf Seite 1). Leistungskoppler: Ein Leistungskoppler ist eine Wellenleiterkomponente, die dazu dient Leistung aus dem Übertragungswellenleiter abzufragen, um Frequenzen, Leistungen oder andere Leistungsparameter des Systems zu messen. Meist werden die Gleichrichter aber dazu verwendet, um die Vorwärtsleistung und/oder die reflektierte Leistung zu messen. Sie geben ein abgeschwächtes RF-Signal aus, das auf verschiedene Art und Weise gemessen werden kann. Das typischste Verfahren ist die abgefragte Leistung mit einem Power-Meter und einem an den Messport des Leistungskopplers montierten Leistungssensors zu messen. Der Leistungssensor, der für ein bestimmtes Frequenzband und Dämpfungspegel kalibriert wurde, interpretiert das Signal am Ausgang des Kopplers und leitet diese Information an das Power-Meter weiter, wo dieses angezeigt wird. Ein anderes Verfahren ist die Verwendung einer Detektordiode, die an den Messanschluss des Kopplers montiert wird. Die Diode gibt eine, üblicherweise im mV-Bereich liegende, Spannung aus, die proportional zur aufgenommen Energie ist. Die Ausgangsleistung kann anhand eines für die Diode charakteristischen Diagramms abgelesen werden. MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -5- Zirkulator 1200197 100 kW / 915 MHz / WR 975 Leistungskoppler MW7010A-260FD 2450 MHz / WR 284 Leistungskoppler MW7018A-260CD 915 MHz / WR 975 © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Hohlleiterkomponenten: Tuner Ein Hohlleiter-Tuner wird verwendet, um die Lastimpedanz an die Quellimpedanz anzupassen, wodurch die reflektierte Leistung verringert und die Leistung, die ins Produkt (die Last) einkoppeln kann maximiert wird. Ein Tuner dient zur Impedanzanpassung, bei dem mittels Metallstiften, die unterschiedlich tief in den Hohlleiter gefahren werden können, eine Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes im Inneren des Hohlleiters vorgenommen werden kann.Einerseits gibt es „manuelle“ Tuner. Hierbei werden die Stifte von Hand in den Hohlleiter gedreht. Andererseits gibt es die „Automatiktuner“, bei denen die Stifte an einen Schrittmotor gekoppelt sind, der wiederum einem Algorithmus unterliegt und die Stifte automatisch ein- und ausfährt, um den besten Leistungstransfer zu ermöglichen 3-Stift-Tuner MW2010A-260EF 2450 MHz / WR 340 3-Stift-Tuner MW2006A-260CF 896 MHz / 915 MHz / WR 975 Autotuner MW2008H-260EC TRISTAN / 2450 MHz / WR 340 / 20 kW MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -6- Motor-Tuner MW2004J-260ED 2450 MHz / WR 340 © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Hohlleiterkomponenten: Hohlleiter: De Griöße des Hohlleiters hängt von der Betriebsfrequenz, der Nennleistung und den Kosten ab. In Tabelle 1 sind die in industriellen Mikrowellensystemen genutzten gängigen Hohlleitergrößen aufgeführt. Die ISM (Industriellen, Wissenschaftlichen und Medizinischen) Frequenzen sind die gängigsten für die Mikrowellenerwärmung, einschließlich 2450 MHz (S-Band), 915 / 896 / 922 MHz (L-Band) und 5,8 GHz (C-Band). Frequenzband Frequenzbereich L S 1 - 2 GHZ 2 - 4 GHz C 4 - 8 GHz Hohlleitergröße EIA (USA) IEC (Europa) WR975 WR430 WR340 WR284 WR159 R9 R22 R26 R32 R58 Tabelle 1: Zwar gibt es keine veröffentlichte Standard-Hohlleitergröße, für ein 2450 MHz-System, werden WR284 und WR340 am häufigsten für die Leistungsklasse bis 10 kW und WR340 für die Leistungsstufen zwischen 15 kW bis 30 kW eingesetzt. Zu jeder gängigen Hohlleitergröße gibt es den passenden Flansch, für Anwendungen in der industriellen Erwärmung nutzt man üblicherweise den flachen Kontaktflansch und der Drosselflansch ist gängiger für Kommunikationsanwendungen. Hohlleitermaterial: Ein Hohlleiter wird meist aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl hergestellt, wobei Aluminium, auf Grund seiner Leistungsparameter und der geringen Kosten, am häufigsten zum Einsatz kommt. Kupfer wird für spezielle Anwendungen, bei denen Leitfähigkeit und Wärmeverlust von besonderer Bedeutung sind, benötigt. Edelstahl wird sehr oft in der Lebensmittelverarbeitung genutzt oder auch für pharmazeutische Anwendungen, bei denen in besonderem Maße auf Hygiene geachtet werden muss. MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -7- © 2013 Muegge GmbH Komponenten von Mikrowellengeneratoren Mikrowellensystementwurf: Der Entwurf des Mikrowellensystems beginnt mit der Bestimmung der beiden Hauptkomponenten, der Mikrowellenquelle und der Last / dem Prozessraum. Betrachtungen zur Mikrowellenquelle: 1 Frequenz 2 Ausgabeleistung 3 Frequenzstabilität / Welligkeit am Ausgang 4 Form 5 Steuerung 6 Kosten Betrachtungen zur Last bzw. dem Prozessraum: 1 Art des Prozessraums a. Multi-Mode b. Resonanz 2 Art des Applikators Es sollte hierbei in Erwägung gezogen werden, dass eine Vielzahl von Faktoren in Abhängigkeit zur Art der geplanten Verwendung den Entwurf und geeigneten Mikrowellengenerator beeinflussen. Die MUEGGE GmbH verfügt über einen reichhaltigen Erfahrungsschatz in Bezug auf den Entwurf, die Integration und Fertigung kompletter Mikrowellengeneratorsysteme, Magnetronköpfe, Stromversorgungen, Hohlleiterkomponenten und Applikatoren. Unsere Mikrowelleningenieure, Plasmaphysiker, Verfahrenstechniker und Systemexperten stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, so dass Sie für Ihre jeweilige Anwendung das beste Mikrowellensystem und die dazu passenden Komponenten erhalten MUEGGE GMBH info@muegge.de · www.muegge.de -8- © 2013 Muegge GmbH Über die MUEGGE GmbH: Die MUEGGE GmbH ist ein weltweit führender Hersteller und Anbieter für industrielle Plasmasysteme, Mikrowellensysteme für die industrielle Erwärmung und alle zugehörigen Komponenten. Seit über 25 Jahren werden bei MUEGGE qualitativ hochwertige CW- und Pulslösungen für Anwendungen mit einem Leistungsbedarf zwischen 300 W bis zu 100 kW und Frequenzen von 915 MHz, 2.450 MHz und 5.800 MHz entwickelt, produziert und geliefert. MUEGGE entwickelt auch weiterhin führende Lösungen für den industriellen Einsatz von Mikrowellen und bindet diese in neueste Technologien ein. Die MUEGGE GmbH kann mit ihren durchdachten Systemen, Anlagen und Verfahren auch den höchsten Ansprüchen gerecht werden und bietet ein umfassendes Spektrum basierend auf unserer wissenschaftlichen und technischen Erfahrung. Das Angebotsspektrum der MUEGGE GmbH reicht von der Beratung bei der Verfahrenstechnik über das Entwerfen von Anlagensystemen bis hin zu deren Konstruktion, Montage und Inbetriebnahme. Das Produktportfolio umfasst sowohl Komponenten als auch Plasmaquellen auf Basis von Mikrowellenplasma, wie die Hochleistungs-RPS zur Erzeugung von Radikalen (Rapid Reactive Radicals Technology, R3T®) für die Verwendung in der Halbleiterindustrie. MUEGGE GMBH Hochstraße 4-6 · 64385 Reichelsheim Fon +49 (0) 6164 - 93 07 11 · Fax +49 (0) 6164 - 93 07 93 info@muegge.de · www.muegge.de