Ввму „никола йонков вапцаров” факултет „инженерен”

• 
  модифициране на регулиращия елемент (РЕ) на КСНДПТ за високоволтов и нисковолтов АЕ;
  
• 
  ПРА за секциониран високоволтов АЕ;
  
• 
  външна модулация на разрядния ток чрез изменение режима на работа на РЕ на КСНДПТ;
  
• 
  подобряване енергетичните параметри на ПРА чрез въвеждане на двуконтурно управление.
  

Фиг.4. Обобщена блокова схема на ПРА с компенсационен стабилизатор от последователен тип.

Където:

• 
  Бл.1 обезпечава първоначалното възникване на разряда;
  
• 
  Бл.2 е волтодобавъчен източник обезпечаващ прехода от възникването на разряда до достигане на разрядния ток на стойности от работния диапазон;
  
• 
  Бл.3 е основният източник на напрежение, натоварен с последователно свързаните КСНДПТ и ГЕ и реализиращ работните режими – непрекъснат или импулсно – периодичен;
  
• 
  Бл.4 обезпечава възможността за плавно изменение на разрядния ток I_рminрр_max и необходимите параметри на стабилизация и пулсации на последния;
  
• 
  Бл.5 осигурява развързването на Бл.1, Бл.2 и Бл.3.
  

Управлението на лампите може да се реализира чрез използването на катоден динамичен товар, изпълнен с транзистор последователно свързан в катодната верига – фиг.5.

Фиг.5. Блокова схема на електронно вакуумна лампа

На фиг.5:

• 
  , , r_e и I_В са елементи от Т-образната заместваща схема на транзистор.
  
• 
  R_i и U_g – представят електронната лампа.
  
• 
  ,- напрежение на анода на лампата, а - на управляващата решетка.
  
• 
  , е аноден ток на лампата.
  

Заместващата схема на силовата верига на ПРА е посочена на фиг.6.

Фиг.6. Заместваща схема на ПРА с лампово-транзисторен регулиращ елемент.

За I_T0 е валидно ур.6:

(6)
Където:




Ако дефинираме нестабилност _xi – ур.7:

(7)

Където: x_i е r_в, , , , R_i, U₀, U₃₀, R_e, R_Ш, R_ТС и k.

На фиг.7 са посочени за случай на електронна лампа ГИ7Б и транзистор КТ809 и за U₃₀ = 10%, R_ТС =10%, R_i =10%,  =10%,  = 10% и I_T0 - ур.6.

Фиг.7. Нестабилност на разрядния ток във функция от изменението на захранващото напрежение, товара, параметрите на електронно вакуумната лампа и транзистора в катодната верига.

За триелектроден, двусекционен високоволтов АЕ, при което двете секции работят оптически последователно, а електрически паралелно на фиг.8 е посочена блоковата схема на ПРА. Секционирането дава възможност да се увеличи генерираната оптична мощност (пропорционална е на дължината на газоразрядния канал), да се намалят нееднородностите по дължината на плазмения шнур и да се намали напрежението приложено към РЕ на КСНДПТ.

За редица приложения е необходимо да се осигури възможност СО₂ лазерите да работят, както в непрекъснат, така и в режим на модулация (псевдоимпулсен режим). Например при спояване в микроелектрониката, маркиране на стъкло, пробиване на отвори, рязане и др. Режимът на модулация осигурява импулсна мощност по-висока от тази при работа в непрекъснат режим и време между импулсите за разсейване на изпареното вещество от въздействието на лазерното лъчение, което в непрекъснат режим в определена степен би екранирало лазерното лъчение.

На фиг.9 е показана зависимостта на средната изходна мощност от продължителността на токовите импулси при честота на повторение f=1,kHz и за различни стойности на амплитудата на тока (I_a=45,mA е оптималният ток). По вида на съответната крива може да бъде направена оценка за ефективността на топлоотвеждането, тъй като нагряването на средата е главната причина за ограничаване на влагането на енергия.

На фиг.10 са дадени резултатите от изследването на възможностите за получаване на големи импулсни мощности. Вижда се, че при къси импулси може да се осъществи ефективно влагане на енергия за получаване на мощности от порядъка на киловатове. Минималната продължителност на импулса е 0,040,ms и се определя от времето на формиране на разряда, което е 5 – 10,s.

Фиг.8. Блокова схема на ПРА за триелектроден активен елемент на СО₂ лазер според АС№44193/88.

Фиг.9. Средна оптична мощност във функция от продължителността на токовите импулси.

Фиг.10. Импулсна оптична мощност при къси импулси на разрядния ток.

На основата на теоретични и експериментални изследвания на честотните свойства на системата ПРА–АЕ, работеща в импулсно – периодичен режим е показано, че за честоти до 1kHz, представянето на АЕ само с неговото динамично съпротивление води до грешки не превишаващи 15%. При по-високи честоти е необходимо използването на пълната заместваща схема на разряда. Показано е, че при нарастването на честотата до 10kHz, дефазирането между разрядния ток и напрежение достига φ=70⁰_.

На основата на анализа на проблемите при работата на ПРА е предложено декомпозиция на управлението – въвеждане на два контура на управление, един за контролираните параметри на разряда и втори за реализация на изискваните енергетични параметри. Този подход позволява ограничаване на токовото претоварване на АЕ при преход от пусков към работен режими и увеличаване на КПД от 35% (за едноконтурно управление) до около 85% за двуконтурно.

На фиг.11 е посочен вариант на двуконтурен ПРА, където ИПН е източник на постоянно напрежение, а КС е компенсационен стабилизатор.

Фиг.11. Блок схема на двуконтурен ПРА.

На фиг.12 са представени съответно η=η(I_TO) за:

• 
  крива 1 – ИПН е управляем изправител (U_РЕ=600,V);
  
• 
  крива 2 – ИПН е дискретен регулатор на променливо напрежение ограничаващ изменението на U_РЕ-600÷2000,V;
  
• 
  крива 3 – включен е дискретен регулатор на променливо напрежение, ограничаващ ΔU₃₀/ U₃₀ в диапазона до 5%;
  
• 
  крива 4 – едноконтурен ПРА.
  

Фиг.12. КПД във функция от разрядния ток.

На основата на анализа на електрическите процеси са разработени и внедрени конкретни ПРА за конкретни възложители. Проведените експериментални изследвания с последните сочат достоверността на предложените математически модели.

Резултатите от проведените аналитични и експериментални изследвания са мултиплицирани в други области като управление на пиезо елементи, в технологията за производство на неонови лампи и др.

Този режим на работа е типичен за газови лазери, както и твърдотелни, багрилни и др. лазери с индиректно възбуждане. Принципната блокова схема на ПРА от този тип е посочена на фиг.13.

Фиг.13. Обобщена блокова схема на ПРА за импулсен газоразряден елемент.

Където:

СУЗ - схема за управление на заряда;

И - изправител;

КНЕ - капацитивен натрупващ елемент (работен кондензатор);

СТ - стабилизатор на напрежението върху работния кондензатор;

УК - управляем комутатор;

ГЕ - газоразряден елемент;

СУ - система за управление.

За ПРА работещи в импулсен режим, в структурен аспект са обособени две вериги: зарядна – фиг.14 и разрядна.

Фиг.14. Зарядна верига.

Където:

• 
  U_m, ΔU_m – амплитуда и изменението на входното напрежение;
  
• 
  α – ъгъл на проводимост на регулатора;
  
• 
  С, W_С – капацитет на кондензаторната батерия и енергия;
  
• 
  U_С0 – начално напрежение на заряд.
  

- са обособени два контура за управление на базата на регулатора за променливо напрежение и компенсационен стабилизатор (КС), включен паралелно на работната кондензаторна батерия (РКБ). Това дава възможност, за независимо вариране в широк диапазон на двата контролирани параметъра – време на заряд t_з и напрежение до което се зарежда РКБ - U_c. Предложеното решение осигурява нестабилност на големината на зарядното напрежение под 1% и намаляване натоварването на елементите в ПРА и входната захранваща мрежа;

- при разделяне времето на заряда на два периода (нарастване на напрежението на РКБ и стабилизиране на последното), е предложено схемно решение за управление на симисторния ключ, коригиращо ъгъла на проводимост на симистора в режим на стабилизация, което намалява разсейваната мощност в КС.

Важен параметър се явява времето на заряда t_з, определящо възможната честота на разрядните импулси. Времето на заряда зависи от различни фактори, а именно t_з= t_з(, L, U_m, C), където, L и C са елементи на заместващата схема, U_m – големина на напрежението на вторичната намотка на трансформатора.

На фиг.15 са показани зависимостите t_з= t_з(U_c) за изправително звено – схема Грец с капацитивно токоограничаване на входа при различни параметри на елементите от заместващата схема.

Фиг.15. Време на заряд във функция от основните параметри на зарядната верига с капацитивен токоограничаващ елемент.

Ако се използва несиметричен удвоител на напрежение, еквивалентната схема на преобразувател е посочена на фиг.16, където:

Фиг.16. Еквивалентна схема на система за капацитивно натрупване на енергия, реализирана като удвоител с ключ за управление в променливотоковата страна и паралелен стабилизатор в постояннотоковата страна.

• 
  e(t) е напрежението на вторичната страна на входния трансформатор;
  
• 
  L и R₁ са приведените индуктивност и съпротивление на вторичната намотка на трансформатора;
  
• 
  K₁ – ключ за представяне на симисторен или тиристорен ключ;
  
• 
  R₂, K₂ – паралелен стабилизатор.
  

Веригата от фиг.16 може да бъде анализирана по метода с променливите на състоянието.

Във временната област могат да се формират няколко интервала:

• 
  Ι-ви интервал - начало на зарядния процес – проводим е диода D₁ - фиг.16 и се зарежда кондензаторът С₁.
  

• 
  ΙΙ-ри интервал – – проводим е диода D₂ и се зарежда кондензаторът С₂ - фиг.16.
  

• 
  n-ти интервал . През този интервал в момент t_е () кондензатора С₂ се зарежда до предварително зададеното напрежение, ключът К₂ - фиг.16 се затваря и започва разряд на С₂ през R₂ и К₂, с което се компенсира презареждането на С₂ за времето .
  

Фиг.16а. Заряден процес на удвоител във временната област.

Ι-ви интервал: ; К₁ – затворен, К₂ – отворен. Схемата от фиг.16 добива вида – фиг.16б.

Фиг.16б. Еквивалентна схема за Ι-ви интервал.

От еквивалентната схема на фиг.16б следват ур.9:

(9)

Началните условия за еквивалентните схеми от фиг.16 и 16б са следните:

(10)

(11)

, Където: ; ;

(11а)

(12)

Фиг.16в. Еквивалентна схема за ΙΙ-ри интервал.

За схемата от фиг.16в е валидно ур.13:

,

(13)

където решението е от вида:

, където: ; ;

(13а)

(14)

.

(15)

(16)

(17)

Фиг.16г. Еквивалентна схема за n-ти интервал.

За схемата от фиг.16г и тук е валидно ур.18:

(18)

Решението му е от вида:

, Където: ; ;

(18а)

Решението също е съгласно уравнението на Коши.

Така за нелинейната верига на преобразувателя, включваща нетрадиционно изправително звено с капацитивен баласт, е предложен математически модел, представляващ система от линейни диференциални уравнения. Предложена е и програма за решаването и в интегрираната среда MATLAB, както и възможност за компютърна визуализация на процеса на капацитивно натрупване на енергия и стабилизация на зарядното напрежение – фиг.17.

При това:

- в следствие отчитането на особеностите на зарядната верига по-точно се определят контролираните параметри: време на заряд, зарядно напрежение и неговата нестабилност, а също така по-точно се определят изискванията към елементите във веригата на преобразувателя;

- предложеният модел и програмата за решаването му и визуализация, могат да се считат и като методика за проектиране.

На базата на разработения подход са проектирани няколко конкретни ПРА за импулсен режим на работа.

Фиг.17. Първите два и последните два периода от зарядния процес от системата, представена със заместващата схема от фиг.16.

Съответствието между аналитичните и експериментално получени данни е критерий за достоверността на предложения математичен модел.

За разрядната верига от фиг.18 при допущане, че ИЛ се представя със съпротивление R_Λ е валидно ур.19:

Фиг.18. Разрядна верига с импулсна лампа

(19)

След преобразуване ур.19 добива вида:

(20)

Където:

R^*- отчита съпротивлението на свързващите проводници и паразитното за кондензатора С съпротивление;

L – отчита паразитните индуктивности на свързващите проводници и кондензатора С.

В действителност обаче R_= R_(t).

За за веригата от фиг.18 е валидно ур.21:

(21)

Ур.21 може да се представи и във вида – ур.22:

(22)

(23)

Численото решение на ур.23 е реализирано на базата на директния метод на Ойлер при използване на MATLAB.

Резултатите от численото решение на ур.19 и 23 са посочени на фиг.19.

Фиг.19. U_C=10,kV; C=1,F; ИЛ-ИСПТ-6000 (=840); L=0,1,H линейна верига - R=0,7,; нелинейна - R=0,5+ R_(t)

Резултатите от сравняването на аналитичното и експериментално изследване са основание да се препоръча използването на предложения нелинеен модел.

Експериментално е оценено и влиянието на предварителната подготовка на газоразрядната среда за получаване повторяемост на параметрите на разрядните импулси:

- за нисковолтова разрядна верига с импулсна ксенонова лампа ИФП – 800 е използван режим :дежурна дъга” при ток 0,7А;

- за високоволтова разрядна верига с импулсна ксенонова лампа ИСПТ – 6000 е използван режим двоен импулс (предразряд), когато след импулс с малка мощност в определен момент (след закъснение), към него се добавя основният импулс. Енергията на допълнителната кондензаторна батерия представлява до 10% от енергията на основната батерия.

И в двата случая нестабилността на максималния разряден ток е намалена от 25% без система за предварителна подготовка на разрядната среда, до 10% със система за предварителна подготовка, при нестабилност на разрядното напрежение до 1%.

Резултатите от теоретичните и експериментални изследвания извън лазерната техника са мултиплицирани за формиране на високоволтов разряден импулс в течна среда с различни технологични приложения.

Проведено е изследване на характера и параметрите на високоволтовия разряд във функция от напрежението до което е заредена кондензаторна батерия (КБ) и капацитета на последната при отчитане на спецификата на двете последователно свързани разрядни междини (РМ).

<sub>Последното е проведено за два случая – КБ натоварена само с управляем разрядник (УР) и КБ натоварена с последователно свързаните УР и РМ на водата. Експерименталното изследване обхваща дискретни големини на напрежението U, до което е заредена КБ – 9,5; 10; 10,5;11 и 11,5 kV и капацитет на КБ – 0,5;1;1,5 и 2 µF.

Характерът на разрядния процес – фиг.20 е периодичен затихващ, като времето за нарастване на концентрацията на токоносителите след подаване на високоволтовите високочестотни импулси почти не се променя (зависи от геометрията на УР и параметрите на пакета високоволтови високочестотни импулси).</sub>
C=1,5µF, U=10kV

Фиг.20. Характер на разрядния процес.

Фиг.21. Обвивни криви на затихващия периодичен процес.

I_р = I_р (t), C=1,5μF


Фиг.22. Обвивни криви на затихващия периодичен процес.

На фиг.21 и фиг.22 са посочени обвивните криви на затихващия периодичен процес за диапазона 20÷100 µs, където Ip е разрядният ток през двете последователно свързани УР и РМ във водата.

При използване на две последователно свързани разрядни междини (едната е ключ за управление на процесите във втората), са определени параметрите на генерирания в течната среда високоволтов импулс, със затихващ периодичен характер, във функция от капацитета на РКБ и напрежението до което тя се зарежда. Получените резултати могат да се използват за оценяване на въздействието, съобразно конкретното приложение и оразмеряване на ПРА.

В четвърта глава е проведено изследване на работата на високочестотни ПРА (честота 2MHz), за CO₂ лазер с напречен разряд, и е предложено схемно решение базирано на едноконтурен лампов генератор с автоматично преднапрежение и „меко” самовъзбуждане, като за съгласуване с характеристиките на АЕ анодният кръг на последния е свързан с ГЕ през индуктивно – капацитивен преобразувател.

Последният преобразува високочестотното изходно напрежение на анодния кръг във високочестотен ток, независещ от параметрите на ГЕ и обезпечава пусковия и работен режими.

Показано е, че при използване на постояннотоков надлъжен разряд са присъщи редица недостатъци и към използването на високочестотен напречен разряд за възбуждане на активната среда, понастоящем е налице засилен практически интерес.

Разгледани са условията за самовъзбуждане и устойчив установен режим на високочестотни ПРА. Приемайки, че АЕ представлява RC товар, при това капацитетът C е конструктивен параметър, а активното съпротивление R=R(I_T), където I_T е разрядният ток през активния елемент, условието за самовъжбуждане има вида:

(24)

Където:

δ^* е затихване на системата;

, е вътрешно съпротивление на лампата при =const;

L, C и r са параметри от заместващата схема.

Критерият за устойчивост на фазата е получен от векторните уравнения на характеристиките на лампата във вида , където ω е честотата на генерираните колебания.

Схемното решение на високочестотния ПРА е посочено на фиг.23.

Фиг.23. ПРА за възбуждане на напречен високочестотен разряд.

Захранването на генератора е осъществено чрез регулатор и стабилизатор от страна на променливото напрежение. По този начин са решени въпросите за обезпечаване на пусков режим, плавно регулиране на разрядния ток в широк диапазон и ограничаване влиянието на нестабилността на входната захранваща мрежа върху нестабилността на разрядния ток.

За разчет на високочестотни ПРА и обезпечаване режимите на работа на АЕ е предложен модел на анализ на системата ПРА–АЕ, отчитащ спецификата на реализация на приетото унифицирано схемно решение, при което:

- е проведен анализ за условието на самовъзбуждане в едноконтурен генератор, при широк диапазон на изменение на анодното напрежение (разрядния ток), и обоснован избор на режима „меко самовъзбуждане” при автоматично решетъчно преднапрежение, обезпечаващ генерация и при малко анодно напрежение (малък разряден ток);

- проведен е анализ на взаимното влияние на Г – образен индуктивно – капацитивен преобразувател с индуктивна връзка с анодния трептящ кръг на генератора при изменение режима на работа на АЕ, позволяващ по-точно определяне на нестабилността на разрядния ток;

- проведен е анализ за устойчивостта в установен режим и са определени изискванията към елементи и възли на схемното решение;

- на базата на образец на CO₂ лазер с оптична мощност 37,W са проведени експериментални изследвания и е констатирано добро съвпадение между експерименталните и аналитични резултати за различни режими.