Ввму „никола йонков вапцаров” факултет „инженерен”

Блоковата схема на ДРПН е посочена на фиг.24.

Фиг.24. Блокова схема на дискретен регулатор на променливо напрежение (ДРПН).

Показано е, че дискретните регулатори на променливо напрежение в структурата на ПРА се използват:

- в качеството на специализиран модул (параметричен стабилизатор на големината на входното захранващо напрежение), включен преди специализирания модул за управление на контролираните параметри;

- като елемент от специализирания модул за управление на контролираните параметри в двуконтурните ПРА, функционално определящ енергетичните параметри.

На базата на анализ на предимствата и недостатъците на схемните решения на ДРПН е предложен вариант на комутация на изводите на трансформатор (автотрансформатор) с полупроводникови тиристорни ключове, при което не възниква скокообразно изменение на индуктивния ток, независимо от фазата на комутация, големината и характера на товара, т.е. отсъстват комутационни пренапрежения, представляващи проблем както за активния елемент, така и за електропреносната мрежа.

Предложен е математически модел на процеса на комутация на полупроводниковите ключове, представляващ система диференциални уравнения, описващи различните етапи на осъществяване на процеса на комутация с отчитане спецификата на схемното решение, изменението параметрите на автотрансформатора във функция от режима на работа, големината и характера на товара, фазите на начало на комутация и изменението на големината на входното захранващо напрежение.

На фиг.25 са показани еквивалентните схеми на ДРПН за комутационен процес – превключване от ключ K₂ към ключ K₃, реализирано последователно, както следва:

• 
  проводим ключ K₂;
  
• 
  преустановяване подаването на управляващи импулси към тиристорите от K₂, и подаване управляващи импулси към тиристорите от K₃;
  
• 
  проводим K₃, тиристорите от K₂ – запушени.
  

Описанието на електрическото равновесие на регулатора на напрежение е направено чрез метода на контурните токове, понеже той води до минимални по размерност системи от диференциални уравнения. Изследването е направено за R, R-L или R-C товар.

Системите диференциални уравнения 25, 26 и 27 описват електрическите и магнитните процеси в изследваните интервали от време. Решаването на уравненията се извършва, като първата система ур.25 се решава по метода на Гаус-Джордан в комплексната честотна област. Втората и третата системи ур.26 и 27 се решават по метода на Ойлер за числено решаване на система диференциални уравнения. Използван е програмният продукт MATLAB, който позволява компютърна визуализация на процесите.

Фиг.25. Еквивалентни схеми на комутационния процес (три интервала).

1. 
   Установен режим при E=165,V (първи интервал) – К₂ – затворен, останалите ключове отворени.
   

2. 
   Първи преходен процес след затварянето на ключ К₃ (втори интервал) - К₂, К₃ – затворени, останалите ключове отворени.
   
3. 
   

   (26)

   Трети интервал - след отварянето на ключ К₂ (трети интервал) - К₃, – затворен, останалите ключове отворени.
   

(27)

Проведен е многофакторен анализ – фиг.26 и са получени количествени оценки при различни конкретни ситуации за:

• 
  продължителността на комутационния процес;
  
• 
  електрическото натоварване на отделните вериги и елементи от тях.
  

Фиг.26. Диаграма на аргументите и функциите при анализ на преходните процеси.

На фиг.27 са показани графиките на токовете през отделните ключове при комутация от втори към трети ключ и активен товар с параметри (R=3,38Ω, φ=45⁰).

На базата на изработени образци на ДРПН е проведено експериментално изследване на параметрите на комутационния процес. Отклоненията между експерименталните и аналитични резултати не превишават 25-30%, което може да се приеме за добро съвпадение за сложни нелинейни вериги с автотрансформатор с комутируеми изводи.

Практиката на използване на ДРПН, като самостоятелно обособени параметрични стабилизатори на големината на входното захранващо напрежение е много разнообразна и резултатите от изследванията могат да се използват, както за корекция качеството на електрическата енергия, така и за подобряване енергетичните показатели на устройствата присъединени към регулатора на напрежение.
ОСНОВНИ РЕЗУЛТАТИ ОТ РАБОТАТА


Научни приноси

1. 
   Доразвита е класификацията на ПРА на класове, съобразно работните режими и подкласове, в зависимост от особеностите на разряда, на параметрите на активните елементи и особеностите на управление на ПРА, при което:
   

1. 
   Създадена е възможност за приложение на модулния принцип за проектиране на ПРА, базиран на четири групи специализирани модули:
   

• 
  за осигуряване на пусков режим;
  
• 
  за осигуряване на различни работни режими;
  
• 
  за коригиране параметрите на електрозахранващата мрежа;
  
• 
  за осигуряване функционална съвместимост между изброените до тук специализирани модули.
  

2. 
   Предложена е обощена схема на ПРА на базата на специализираните модули и общ алгоритъм, синхронизиращ работата им за реализация на различните режими на газоразрядните елементи
   

Фиг.27. Изменение на токовете през отделните ключове при комутация от втори към трети ключ и активен товар.

2. 
   Специализираните модули са унифицирани схемни решения, базирани на класически устройства или набор от такива, доразвити при отчитане спецификата на товара (гозоразрядния елемент), вътрешно структурираните връзки в ПРА и ососбеностите, произтичащи от съгласуваната им работа. При необходимост унифицираните схемни решения са модифицирани за съответните подкласове.
   

1. 
   За класовете постояннотоков и постояннотоков с модулация за регулиране, стабилизиране и модулиране на разрядния ток унифицираното схемно решение е компенсационен стабилизатор с непрекъснато действие от последователен тип, като:
   

• 
  за подклас нисковолтов ГЕ – модифицирането му осигурява разширяване мощността на регулиращия елемент до 3÷4,kW; преодоляване на проблема със самовъзбуждането на паралелно свързаните транзистори от последния; възможност за ограничаване на разрядния ток в пусков режим и напрежението върху регулиращия елемент в работен режим;
  
• 
  за подклас високоволтов ГЕ - модифицирането му осигурява разширяване на допустимото напрежение върху регулиращия елемент до 10÷16,kV (лампа с транзсисторен катоден динамичен товар); също ограничаване на разрядния ток в пусков режим и напрежението върху регулиращия елемент в работен режим.
  

И за двата подкласа проблемът с ниския КПД на компенсационните стабилизатори с непрекъснато действие от последователен тип е решен с въвеждането на двуконтурни ПРА, като в единия контур се управляват контролираните параметри на разряда, а във втория – енергетичните параметри.

За двуконтурни ПРА, при които в единия контур, включващ ГЕ, се регулира параметър на разряда, а във втория – напрежението, захранващо първия, е проведен анализ и са получени нови зависимости за енергетичните параметри и коефициентите на стабилизация, отчитащи съгласуваната работа на двата контура, като:

а) за нисковолтови ГЕ, вторият контур е или управляем изправител или дискретен регулатор на променливо напрежение;

б) за високоволтови ГЕ, вторият контур осигурява плавно регулиране от страна на входното променливо напрежение, пропускайки части от синусоидата или използване на дискретни регулатори на променливо напрежение.

Доколкото животът на ПРА е значително по-голям от този на ГЕ (последните се явяват консуматив), а различните ГЕ даже от един тип имат различаващи се ВАХ, то с разработването на двуконтурните ПРА се разширява възможността за работа с различни ГЕ.

Двуконтурните ПРА са новост в лазерната техника. Последните, както и новостите в модифицираните схемни решения са защитени с авторски свидетелства.

2. 
   При клас импулсен режим са обособени зарядна и разрядна вериги, като:
   

• 
  зарядната верига е преобразувател, включващ повишаващ трансформатор с разсейване, променливотоков регулатор на страна ниско напрежение, изправително звено с капацитивен балсат и кондензаторна батерия с паралелен стабилизатор на страна високо напрежение.
  

• 
  в разрядната верига унифицираното схемно решение включва системи за предварителна подготовка на разрядата среда, осигуряващи повторяемост на параметрите на разрядния импулс и комутиращи елементи (тиратрони, тригатрони и т.н.), управляващи възникването на последния в съответните подкласове ГЕ.
  

Новостите в схемните решения в зарядната и разрядна вериги са защитени с авторски свидетелства.

2. 
   За клас високочестотен режим унифицираното схемно решение е мощен еднокръгов лампов генератор с автоматично преднапрежение и «меко» самовъзбуждане, натоварен с индуктивно-капацитивен преобразувател, преобразуващ изходното високочестотно напрежение на анодния кръг във високочестотен ток през ГЕ, независещ от параметрите на последния, осигуряващ и пусковия и работен режими.
   

2. 
   И за четирите класа, като път за допълнително подобряване на функционалнте и енергетичните параметри, е предложено използване на дискретни регулатори на променливо напрежение.
   

При разработването на специализираните модули обаче известните устройства получават нови качества, като например – регулиращ елемент на компенсационния стабилизатор с разсейвана мощност, няколко киловата или за същия с възможност за работа във вериги с напрежение над 10 киловолта и т.н., т.е. разширява се полето на приложение на известните устройства.

3. Предложени са математически модели за анализ електрическите процеси в системата ПРА-ГЕ, отчитащи:

• 
  особеностите на нелинейния товар – ГЕ при различните му режими на работа;
  
• 
  спецификата на унифицираните и модифицирани схемни решения, също представляващи нелинейни вериги;
  
• 
  наличието на вериги и елементи за осигуряване функционална съвместимост между специализираните модули в ПРА;
  
• 
  алгоритъма синхронизиращ работата на специализираните модули в пусков и работен режими;
  
• 
  изменението на параметри на електрозахранващата мрежа.
  

Поради по-пълното описание в математическите модели на системата електрозахранваща мрежа - ПРА-ГЕ:

3.1 по-точно са определени основните параметри и с това се разкриват по-пълно възможностите на ПРА и се разширява областта на приложение на ГЕ;

3.2 получени са качествено нови и по-пълни зависимости за контролираните параметри на разряда и енергетичните параметри от режимите на работа, позволяващи да се изградят ПРА с подобрени технически показатели;

3.3 по-пълно са дефинирани изискванията към отделните възли и елементи, на базата на което са конкретизирани схемните решения за реални прототипи.

Математическите модели, обхващащи както различните структури и функционално действие, така и възможните режими на ГЕ, заедно с пакети програми следва да се разглеждат и като по-общ и по-пълен метод за проектиране на ПРА за конкретни ГЕ.

4. 
   Удовлетворявайки технологичната необходимост от въвеждането на режима на модулация за постояннотоковите газови лазери в честотен диапазон до 1,kHz, в момента на импулса генерираната от лазера мощност значително се увеличава, а в паузата изпаренията от взаимодействията на лазерното лъчение с вещества се разсейват (не се екранира последното).
   

4.1 За СО₂ лазер с оптична мощност в непрекъснат режим от порядъка 10,W е получена възможност за разширяване на средната оптична мощност при модулация в честотен диапазон до 1000,Hz и продължителност на импулса 0,6,ms до 60,W.

4.2 За по-къси импулси – 40,μs за честотен диапазон до 100,Hz е получена импулсна оптична мощност 1,5÷3,kW.

Експериментално получените зависимости за импулсните параметри на СО₂ лазерите с непрекъснато действие са нови знания за характеристиките им, разширяващи областта им на приложение.

4.3 Предложен е вариант за използване на регулиращия елемент на компенсационния стабилизатор, като управляем баласт, за модулиране тока на разряда. В практиката на ПРА за АЕ на газови лазери това е новост, даваща възможност с един ПРА да се реализират различни режими на работа на АЕ, защитена с авторско свидетелство.
Научно-приложни приноси
Експериментално е изследвано формирането на високоволтов импулсен разряд в течна среда с участието на управляем въздушен разрядник (тригатрон), имащ периодично затихващ характер. Получените резултати при различна енергия на високоволтовия импулсен разряд и различен капацитет и напрежение до което е заредена работната кондензаторна батерия са използвани за оразмеряване зарядната и разрядна вериги на прототип. Изследвана е възможността за почистване на метални и неметални тръби от накипи. Експериментално е изследвана зависимостта на скоростта на почистване от диаметъра на тръбата, енергията на импулса и честотата на повторението му.
Приложни приноси
Практическата реализация на резултатите от изследванията се изразява в създаване и внедряване на разнообразни специализирани модули и ПРА, както следва:

1. Захранващ източник за вълноводен CO₂ лазер. 1985г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становище 660/23.03.87г.).

2. Гама захранващи източници за ксенонови лампи за кино машини до 3kW. 1987г., възложител ИВСД Авангард. Р-л доц. Барудов (становище 189/10.03.87г.; АС № 42998/88г.).

3. Комбиниран захранващ източник за CO₂ лазер. 1987г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становище 1547/02.11.87г.).

4. Захранващ блок за CO₂ лазер за медицински системи. 1989г., възложител Обединени заводи „Оптика и нови технологии“ – завод 2. Р-л доц. Барудов (становище 2073/20.10.89г.; АС № 44193/88г.).

5. Захранващ източник за багрилен лазер. 1989г., възложител МКНП – СВО. Р-л доц. Барудов (АС № 50365/92г.).

6. Захранващ източник за багрилен лазер. 1989г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становища 87/18.02.92г., 1447/21.11.90г. и 1573/02.11.89г.).

7.Захранващ източник за импулсен CO₂ лазер. 1989г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов.

8. Захранващи модули за CO₂ лазери. 1989г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становище ИЕ-БАН).

9. Високочестотни модулируеми захранващи източници за CO₂ лазери. 1989г., възложител МКНП – СВО. Р-л доц. Барудов.

10. Високоволтов източник за управление на лазерни излъчватели. 1990г., възложител СУ „Климент Охридски“. Р-л доц. Барудов.

11. Захранващ източник за ИАГ - неодимов лазер.1990г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становища 1447/21.11.90г., 87/18.02.92г.; АС № 51560/93г.).

12. Захранващ източник за пиезокварцови модулатори на лазерни системи. 1991г., възложител ИЕ към БАН. Р-л доц. Барудов (становище ИЕ-БАН).

13. Технологичен стенд за производство на неонови рекламни тръби. 1995г., възложител ЕТ ФАДИ-М. Р-л доц. Барудов.

14. Стабилизатори за селски АТЦ. 1998г., възложител ЕЛТА-Р. Р-л доц. Барудов (становище 006/21.01.04г.).

15. Стабилизатор на променливо напрежение. 1999г., възложител ЕТ Малери. Р-л доц. Барудов.

16. Еднофазен регулатор на напрежение. 2000г., възложител ЕТ Станка Василева. Р-л доц. Барудов.

17. Изработване на 4 бр. стабилизатори на напрежение. 2000г., възложител Хидро-ремонт ООД Варна. Р-л доц. Барудов.

18. Регулатор на променливо напрежение за трансформатор 20/04kV с мощност 20kVA. 2004г., възложител Електроразпределние – Варна ЕАД. Р-л доц. Барудов (становище 980/26.04.04г.)

19. Регулатор на променливо напрежение за трансформатор 20/04kV с мощност 5kVA и 20kVA. 2004г., възложител ЕМЗ „Елпром“ – Шабла. Р-л доц. Барудов (становища 342/11.10.04г., 282/19.08.04г.; референции 4702/13.09.04г., 1670/13.09.04г.).

20. Приложение на импулсни разряди за биологично очистване на вода. 2008г., възложител ТУ – Варна. Р-л проф. Барудов (публикуван отчет).

21. Техника и технология за очистване на вода, базирана на използване на импулсни разряди. 2009г., възложител МОМН – фонд „Научни изследвания“. Р-л проф. Барудов (не е приключил).

22. Системи за генериране на химически активни компоненти в газова среда с повишено налягане. 2010г., възложител ТУ – Варна. Р-л проф. Барудов (публикуван отчет).
Широката експериментална база, каквато са цитираните по горе прототипи и обема на проведените експериментални изследвания е и оценка за приложимостта на избрания подход, точността на предложените математически модели и достоверността на резултатите от теоретичния анализ.

Обобщавайки:

Известни са устройства за реализиране на различни режими за различни товари. Има и обект - газоразряден елемент със специфични особености. За да се реализират режимите на последния известните устройства се усъвършенстват, за да се осигури функционална съвместимост с товара. Методите и практиката за реализация и систематизиране на това са обект на настоящия дисертационен труд.

В този процес обаче известните устройства получават нови качества, а следователно и нови възможности за приложение в други области.

1.а Барудов С. Електрически процеси и устройства за управление на

разряд в газова среда. Научна монография, Варна, 2004, ISBN 954-20-0266-1, 177стр.

1.б Барудов С. Методы и практика проектирования устройств для управления разрядами в газах. Пермь, 2004, ISBN 954-20-0279-3. (превод на руски език на 1.а), 185стр.

1.в Барудов С. Электрические процессы и устройства для управления разрядом в газовой среде. Баку, 2004. ISBN 5-86106-002-9. (превод на руски език на 1.а), 185стр.

2.а БАРУДОВ С. БАРУДОВ Е.Дискретни регулатори и стабилизатори на променливо напрежение. ТУ-Варна, 2005, ISBN 954-20-0298-Х, 127стр.

2.б Barudov S. Barudov E. Discrete alternating current regulators and stabilizers. Pensoft, 2006 ISBN 978-954-642-276-7, pp127.

3. 
   Барудов С. Теория и практика построения аппаратуры управления электрическим разрядом. Санкт – Петербург, ПЭИПК, 2011 ISBN 978-5-905042-23-2, 199стр.
   

3. 
   Barudov S. Start- regulating device for pulse xenon lamp. Acta
   

3. 
   Barudov E., Barudov S., Panov E. Study of the transient process length in
   

Number 1, 2004, pp.91-96.

3. 
   Barudov E., Barudov S., Panov E. Study of the electrical loading of
   

Universitatis Pontika Euxinus, Vоlume 3, Number 1, 2004, pp.97-102.

3. 
   Barudov E., Barudov S., Panov E. Switching processes in a step voltage
   

3. 
   Barudov S., Panov E. Specifics of discharge impulse modeling in a pulse xenon tube. Acta Universitatis Pontica Euxinus, Volume 4, Number 1, 2005, pp.16-20.
   
4. 
   Zhelev N., Barudov S. Laser light scattering applications in biotechnology. Biotechnology & Biotechnological Equipment. Diagnosis press. 3/2005/19, pp.3-8.
   
5. 
   Barudov S. A CO₂ laser with continuous and pulse-periodical modes of operation for surgical application in medicine. Biotechnology & Biotechnological Equipment. Diagnosis press. 2/2006/20, pp.204-208.
   
6. 
   Барудов С., Барудов Е., Система управления разрядом, Проблемы энергетики, Научно-технический журнал, № 2-3,2008, Национальная Академия Наук Азербайджана, Баку, 2008, SSN 1302-6461, с.96-100.
   

3. 
   Barudov S. A current regulator in the high-voltage discharge circuit, Ovidius University Annals of Mechanical Engineering, Volume V, Number 1, 2003, pp.69-73.
   
4. 
   BARUDOV S., CHIKOV V. “Step AC Regulator with a System for Priority Disconnection of Loads”, “Annual Proceedings of Technical university of Varna”, ISSN 1312-1839, Varna, 2004, pp.123÷129. Забележка: Годишникът е издаден и на български език: Барудов С., Чиков В. Стъпален регулатор на променливо напрежение със система за приоритетно изключване на товари. Годишник на ТУ – Варна 2004, ISSN 1311-896Х, с.577÷583.
   
5. 
   Барудов Е., Панов Е., Барудов С. Изследване на прецизен нелинеен модел на автотрансформаторен дискретен регулатор на напрежение с полупроводникови комутиращи елементи, Годишник на Технически университет – Варна, ISSN 1311-896X, 2007, с.3-9.
   
6. 
   Панов Е., Барудов Е., Барудов С. Усъвършенстван алгоритъм за анализ на прецизен нелинеен модел на автотрансформаторен дискретен регулатор на напрежение с полупроводникови комутиращи елементи, Годишник на ТУ – Варна, ISSN 1311-896X, том II, 2009, с.47-52.
   
7. 
   Панов Е., Барудов Е., Барудов С. Автоматизирана компютърна програма AVTO за симулиране на процесите в автотрансформаторни дискретни стъпални регулатори на променливо напрежение, Годишник на ТУ – Варна, ISSN 1311-896, том II, 2009, с.53-58.
   
8. 
   Барудов Е., Панов Е., Барудов С. Комутационни процеси при реактивни товари в автотрансформаторен дискретен регулатор на напрежение, Годишник на Технически университет – Варна, 2011, с.3-8.
   
9. 
   Барудов С., Иванова М., Димитрова Р. Изследване на комуникационните възможности на управляем въздушен разрядник във верига на високоволтов импулсен разряд, Годишник на Технически университет - Варна, 2011, с.15-20.
   

3. 
   Barudov S., Barudov E., Voltage regul;ators in limited – power networks. First international congress – MEET-MARIND, 2002, Varna, Bulgaria, Volume IV, pp101-106, ISBN 954-20-0214-9.
   
4. 
   БАРУДОВ С., ПАНОВ Е. „Влияние характера нагрузки на продолжительность коммутационных процессов в ступенчатом регуляторе переменного напряжения”.– Пермь, Россия, 2004. Информация, иновации, инвестиции. ISBN 5-93978-024-5, с.134÷138.
   
5. 
   Barudov S., Dicheva М. Analyses of Electrical Processes in Converters for Capacitive Energy Accumulation. International conference “Science and technology in the context of sustainable development”, November 6-7, 2008, Petroleum-Gas University of Ploiesti, Bulletin, Technical Series, ISSN 1224-8495, pp.175-182.
   
6. 
   Barudov S., Dicheva М. Modeling of a discharge pulse in a circuit with two discharge gaps, ICEST 2010, 23-26 June, 2010, Ohrid, Macedonia, pp.823-827.
   
7. 
   Barudov S., Dimitrova R., Ivanova М. Single-circuit and Double-circuit Regulating Apparatus for Gas Discharge Element, ICEST 2011, 29 June – 1 July, 2011, Nis, Serbia, Vol. 3, ISBN: 978-86-6125-033-0, pp.956-958.
   
8. 
   Barudov S., Ivanova M. Discharge Element with Transverse High-Frequency Excitation, ICEST 2011, 29 June – 1 July, 2011, Nis, Serbia, Vol. 3, ISBN: 978-86-6125-033-0, pp.959-962.
   

3. 
   Барудов С. Цеков И. Пускорегулиращо устройство за ксенонови лампи с непрекъснато действие, АС № 42998/88.
   
4. 
   Барудов С. Цеков И. Захранващ източник за многоелементен СО₂- лазер, АС № 44193/88.
   
5. 
   Барудов С., Цеков И. Захранващ източник за багрилен лазер, АС № 50365/92.
   
6. 
   Барудов С, Дъров Р., Захранващ източник за импулсни лазери с оптично възбуждане, АС № 51560/93.
   

29. Барудов С., Панов Е., Барудов Е., Иванова М., Дискретен регулатор на променливо напрежение., № 2300/19.11.2012г.