Ввму „никола йонков вапцаров” факултет „инженерен”

проф. д-р инж. Стефан Тодоров Барудов

Професионално направление, специалност:

„Транспорт, корабоплаване и авиация”

„Електроснабдяване и електрообзавеждане (по отрасли)”

на

ДИСЕРТАЦИОНЕН ТРУД

„ДОКТОР НА НАУКИТЕ”

Варна, 2012г.

Дисертантът работи в ВВМУ „Н. Й. Вапцаров”, факултет „Инженерен”, катедра „Електротехника”.

Изследванията от дисертационния труд са извършени във ВВМУ „Н. Й. Вапцаров” и ТУ-Варна.

Дисертационният труд е насочен за защита от . . . . . . . . . . . . . . (факултет „Инженерен” при ВВМУ „Н. Й. Вапцаров”) в съответствие на чл.5, ал.1 от ЗРАС.

Автор: проф. д-р инж. Стефан Тодоров Барудов

Заглавие: „СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕН СИНТЕЗ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИ РЕШЕНИЯ НА ПУСКОРЕГУЛИРАЩИ АПАРАТИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА РАЗРЯД”

Тираж: 20 броя
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА
Актуалност на проблема
Интересът към електрическия разряд, като процес непрекъснато расте. Това е така защото той е най-концентрирания в пространството преобразувател на електромагнитната енергия в топлина и светлина, характеризиращ се с висока динамика. В изкуствена среда ограниченията на параметрите на разряда са обусловени, преди всичко, от техническите възможности за управлението му.

Най-често използването на разряда е свързано с развитието му в специфичнa, изкуствено създадена среда – газоразряден елемент (ГЕ). Последният представлява особен вид товар за захранващия източник, който следва да обезпечи високата динамика на процесите, развиващи се в газовата среда, широк диапазон на потребявана мощност и приложено напрежение към ГЕ, както и различните режими на работа – постояннотоков, импулсен, високочестотен и т.н.

Функционалните особености на ГЕ, като товар предполагат присъединяване към захранващата мрежа посредством пускорегулиращи апарати (ПРА). Те са съвкупност от различни устройства – изправители, преобразуватели, генератори, стабилизатори, регулатори и др., работещи съгласувано, последователно или паралелно във времето за обезпечаване необходимите електрически режими на работа на ГЕ. Специфична област на използване на разряда в газова среда се явяват газоразрядните лазери и лазерите с оптично възбуждане.

Най-съществените качествени показатели на лазерното излъчване са неговата модова структура, разходимостта на лъча, големината на оптичната мощност и стабилността на излъчването във времето. Обезпечаването на тези параметри на генерираното лазерно излъчване предполага обезпечаване на съвкупност от изисквания към управлението на разряда т.е. обезпечаване на съвкупност от изисквания към функционалните възможности и съответно към схемотехническите решения на пускорегулиращите апарати. Преди всичко към ПРА се предявяват изисквания за обезпечаване на висока стабилност на разрядния ток при възможност за плавно регулиране в широк диапазон, стабилна, повтаряемост на разрядните импулси и т.н.

Повишените изисквания към параметрите на разрядния ток понякога предполагат допълнителни изисквания към параметрите на захранващата мрежа, а именно регулиране на големината на захранващото напрежение.

Активният елемент (АЕ) най-често e съвкупност от системи – ГЕ, резонансна система, система осигуряваща движение на газа, система за охлаждане и т.н., които обезпечават възникването на лазерното лъчение и управление на неговите параметри в съответствие с технологичните процеси.

Функционално ПРА представляват съвкупност от известни електронни преобразуватели на изследването на които е посветена много литература.

Независимо от многообразието на конкретните изследвания отсъства системен подход за анализ на ПРА и АЕ, разглеждани, като взаимно свързани елементи на една система, по отношение на контролираните параметри и при отчитане на различните дестабилизиращи фактори.

Анализирайки известното в литературата могат да се изведат следните проблеми:

• 
  отсъствие на методология за проектиране на ПРА при обхващане на спецификата и отчитане на многовариантността на процесите на електрически разряд;
  
• 
  отсъстват изследвания на системата захранваща мрежа - ПРА-АЕ при обхващане взаимното право и обратно влияние по отношение на контролирани изходни параметри. Подобни въпроси в литературата най-често са частично разглеждани и то по отношение на конкретни устройства влизащи в структурата на ПРА;
  
• 
  отсъстват изследвания за функционалната съвместимост на различните модули в структурата на ПРА при последователна или паралелна във времето работа за реализация изискваните режими на електричен разряд;
  
• 
  отсъствие или недостатъчно развити математически модели описващи процесите на електричен заряд в системата ПРА-АЕ при различни режими на работа (постояннотоков, импулсен,високочестотен);
  
• 
  в условието на декомпозирано управление на параметрите на разряда и енергетичните параметри в различни вериги може да се отбележи:
  

• 
  неразвитост на схемотехническите решения на ПРА;
  
• 
  отсъствие на алгоритми за управление за реализация на пусковия и работен режими;
  
• 
  отсъствие на аналитични изследвания.
  

Основни причини за това състояние в отрасъла се явяват:

• 
  при разработката на лазерна техника и технологии доминират фирмите разработващи АЕ. ПРА се явяват вторични или обезпечаващи устройства за съответното технологично приложение т.е. важи принципът за „остатъчно“ финансиране на последните:
  
• 
  налице са множество тясно специализирани фирми за конкретни типове АЕ и това ограничава инвестирането в системни изследвания за ПРА с по-широкоспектърно приложение.
  

Като цяло анализът на състоянието в областта газоразрядните лазери и лазерите с оптично възбуждане показва нарастващи темпове на усъвършенстване на АЕ от една страна и изоставане в създаването на съответни ПРА от друга страна. Това предполага необходимост от решаване на важен научен проблем свързан с усъвършенстване методологията на проектиране на ПРА в т.ч. и схемотехнически решения на отделните им модули с цел при обвързване на взаимното влияние в системата ПРА-АЕ - постигане подобряване на контролираните параметри и разширяване възможностите за приложение, както и мултиплициране на резултатите и в други области извън лазерната техника.

По-долу са изложени концептуалните положения в настоящата дисертация.

Обект на изследване: многообразието от системи ПРА-АЕ с оглед въвеждане на системен подход при структурно-параметричен синтез на ПРА и определяне на схемотехническите решения за реализация на изискванията.

Предмет на изследване: постигане на контролираните електрически параметри на разряда в газовата среда при синтез на ПРА, базиран на специализирани модули с унифицирани схемни решения и алгоритми за управление за отделните класове и съответно модифицирани за подкласовете.

Цел на дисертационната работа: решаване на значим научен проблем – разработване на базата за реализация на системен подход при проектиране на ПРА за АЕ, работещи в различни технологични режими и развитие на схемотехническите решения на ПРА.

Задачи за изследване:

1. Доразвиване на класификацията на ПРА на базата на основни и допълнителни класификационни признаци, определящи съответно класове и подкласове.

2. Прилагане на модулен подход при синтез на ПРА, базиран на специализирани модули.

3. Определяне на унифицирани алгоритми за функциите и синхронизираната работа на специализираните модули при реализация на пусковия и работен режими.

4. Определяне на унифицирани схемни решения за специализираните модули за отделните класове в условията на функционална съвместимост в обобщената структура на ПРА.

5. Модифициране на унифицираните схемни решения за съответните подкласове.

6. Въвеждане на йерархично декомпозиране на управлението на параметрите на разряда и енергетичните параметри.

7. Разработване на математически модели за анализ и проектиране на ПРА по класове и подкласове, и оценка на достоверността чрез експериментално изследване на прототипи на ПРА.

2. На основата на анализа на особеностите на разряда в газове в условията на дестабилизиращи фактори, относими към АЕ, ПРА и електропреносната мрежа, за пръв път е предложена методика за проектиране на ПРА с отчитане взаимното влияние на ПРА и АЕ, позволяваща постигане на контролираните параметри на разряда на нивото на оптималните значения.

3. На основата на анализа на електрическите процеси при разряд в газове за пръв път е предложено семейство математически модели, съгласно приетите класификационни признаци, за по-точно определяне на контролираните параметри при отчитане на влияещите фактори – структурни и режимни. Отчитайки непълната и нискодоверителна вероятност на изходните данни за параметрите на АЕ при определяне на математическите им модели, е предложено използване в съчетание на два подхода – аналитичен и идентификационен, основан на експериментални данни.

4. Предложена е методика за експериментална, итеративна, параметрична, идентификация на системата ПРА-АЕ и са предложени по-пълни обобщени аналитични изрази, позволяващи по-точно да се определят основните параметри на разряда, като нестабилност на разрядния ток, пулсации, енергетични параметри.

5. На основата на изследване на функционалното взаимодействие между специализираните модули в ПРА при реализация на пусков и работен режими е предложена декомпозиция на последните на модули и са предложени алгоритми управляващи работата им в системата ПРА-АЕ при реализация на различните режими, при което:

- за ПРА за постояннотоков надлъжен разряд за пръв път са предложени двуконтурни ПРА, ерархически декомпозиращи управлението в две системи, едната от които управлява контролираните параметри на разряда, а втората – енергетичните параметри на първата и като цяло на ПРА. Предложено е и ново техническо решение, позволяващо външна амплитудна модулация на разрядния ток при използване на регулиращия елемент на компенсационния стабилизатор, като управляем баласт. Изследвано е влиянието на различни режими върху възможната дълбочина на модулацията;

- при импулсните ПРА са предложени нови технически решения, относими към зарядната и разрядна вериги. В зарядната верига е предложено двуконтурно взаимно свързано управление на процесите на капацитивно натрупване на енергия и стабилизация на зарядното напрежение, а в разрядната верига са включени системи „дежурна дъга“ или „двоен импулс“ (предразряд), осигуряващи подобряването на повторяемостта на електрическите параметри на генерираните импулси;

- при ПРА за високочестотен напречен разряд на базата на анализа на условията за самовъзбуждане на активната среда на CO₂ лазер е предложено ново техническо решение – мощен еднокръгов генератор с „меко самовъзбуждане“ с индуктивно свързан индуктивно-капацитивен преобразувател, при което се удовлетворяват изискванията за пусков и за работен режими.

6. За ограничаване дестабилизиращото влияние на нестабилността на захранващата мрежа и подобряване енергетичните и функционални параметри на ПРА е предложено използването на дискретни регулатори на променливо напрежение (ДРПН), като е разработен математически модел за многофакторен анализ на комутационните процеси и по-точна оценка на натоварването на отделните вериги и елементи в тях.

Удовлетворявайки технологичната необходимост от въвеждането на режима на модулация на генерирането лазерно излъчване:

- без да се променят параметрите на резонансната среда в АЕ е предложен вариант на външна модулация на разрядния ток, което е новост в лазерната техника;

- при запазване на една и съща големина на разрядния ток, дълбочина на модулацията до 90% в честотен диапазон до 1kHz и продължителност на протичане на разрядния ток до 0,6mS – средната генерирана оптична мощност се увеличава до 5÷6 пъти;

- при дълбочина на модулацията до 80÷90% в честотен диапазон до 100Hz, при формиране на къси разрядни импулси с продължителност до 40µS, импулсната оптична мощност се повишава до 150÷300 пъти.

Новите технически решения са защитени с четири авторски свидетелства за изобретения и заявка за свидетелство за полезен модел.

На базата на проведените изследвания са разработени:

• 
  методика за синтез и анализ на ПРА в четири работни режима;
  
• 
  устройства ПРА, удовлетворяващи конкретните изисквания на различни възложители за АЕ с надлъжен и напречен разряд, с нисковолтови и високоволтови АЕ а също и ПРА за АЕ с директно или индиректно (оптично) възбуждане на лазерното излъчване.
  
• 
  опционално са представени и варианти за мултиплициране използването на разработените специализирани модули извън сферата на лазерната техника.
  

• 
  концепция (методология и структура) за разработване на ПРА за четири работни режима на АЕ, обезпечаваща подобряване на контролираните параметри на електрическия разряд и енергетичните параметри и като следствие разширяване възможностите за използване на лазерните установки;
  
• 
  метод за изследване на системата „електропреносна мрежа – ПРА-АЕ“, базиран на комплексното решаване на задачите за структурно-параметричен синтез и анализ на ПРА на основата аналитични и идентификационни модели;
  
• 
  математически модели на системата ПРА-АЕ за определяне контролируеми параметри на електрическия разряд при по-пълно обхващане факторите влияещи на процесите при електрически разряд;
  
• 
  алгоритми за обезпечаване функционалното взаимодействие между специализираните модули в ПРА при реализация на пусковия и работен режими;
  
• 
  методика за структурен синтез на ПРА и оразмеряване на отделните им компоненти;
  
• 
  схемотехнически решения на ПРА за лазери в различни области на техниката и технологиите.
  

Разработените в дисертацията теоретични положения, методи и методики за синтез и разчет са използвани при проектиране и създаване на ПРА за АЕ и специализирани модули за нуждите на различни организации и институции:

• 
  Институт по електроника при БАН, София;
  
• 
  Обединени заводи „Оптика и нови технологии“, София;
  
• 
  НИС при СУ „Климент Охридски“, София;
  
• 
  ИВСД – Авангард, София
  
• 
  ELTA, София;
  
• 
  „Хидроремонт“ ООД, Варна
  
• 
  ЕМЗ „Елпром“, Шабла;
  
• 
  Електроразпределение, Варна.
  

Основни положения и резултати от дисертационната работа за последните години са докладвани и обсъждани:

- на международен конгрес MEET-MARIND, 2002 – Варна, България;

• 
  на международна конференция в университета Ovidius, Констанца, Румъния, 2003г.;
  
• 
  на международна конференция „Информация, иновации, инвестиции”, Перм, Русия, 2004г.;
  
• 
  на международна конференция в университета Petroleum – Gas, Плоещ, Румъния, 2008г.;
  
• 
  на международна конференция ICEST, Охрид, Македония, 2010г.;
  
• 
  на международна конференция ICEST, Ниш, Сърбия, 2011г.;
  
• 
  на международна конференция, Санкт – Петербург, 2011г.
  

• 
  дисертационната работа изцяло е публикувана в авторска монография на руски издадена през 2011 г. в Санкт – Петербург;
  
• 
  части от дисертацията са публикувани в други две авторски монографии едната издадена на руски, а другата на английски език. Първата е разпространена извън България в 6 университета в 5 страни, а втората съответно – 14 университета в 11 страни и се разпространява от AMAZON и др. в 7 страни;
  
• 
  шест научни доклада са изнесени на международни конференции – конгреси;
  
• 
  седем доклада са публикувани в университетски периодични издания;
  
• 
  осем статии са публикувани в списания;
  
• 
  новостите в техническите решения са описани в четири авторски свидетелства за изобретения и заявка за свидетелство за полезен модел.
  

Дисертационният труд съдържа 304 страници, включително 202 фигури и 5 таблици. Оформен е като въведение, шест глави и списък на използваната литература от 200 заглавия.

Работата по темата на дисертацията е извършена в рамките на лична инициатива и работа по 22 договора с различни организации и институции.

Резултатите от проведените изследвания са послужили, като методология за структурно-параметричния синтез на ПРА за АЕ в различни режими на работа. Достоверността на теоретичните положения е потвърдена при експериментални изследвания на внедрените образци на ПРА.

На основата на анализа на влиянието на електрическия режим на ПРА, върху процеса на разряда е отбелязано, че параметрите на електрическия режим изменят параметрите на газоразрядната плазма, а това на свой ред влияе на работата на устройството за управление т.е. при изследването на електрическия разряд в газове следва да се отчитат правото и обратно влияния. Следователно параметрите на газоразрядната плазма зависят от динамичното равновесие на системата „газоразрядна среда – устройство за управление” и могат да бъдат определени или на базата на изследване на аналитични модели на тази система или по експериментален път.

Анализирайки развитието на разряда в ГЕ могат да се дефинират три относително обособени процеса:

• 
  възникване на разряда (поява на свободни токоносители с достатъчна концентрация);
  
• 
  развитие (нарастване концентрацията на свободните токоносители) и преход към устойчив разряд;
  
• 
  устойчив разряд.
  

ГЕ се присъединяват към електропреносната мрежа посредством ПРА, обезпечаващи условия за възникване на разряда, преход към устойчив разряд със зададени параметри, промяна на тези параметри в съответствие с технологичното приложение и стабилизация на последните при отчитане на различните смущаващи въздействия. Наличието на низходяща ВАХ, или такива участъци в нея, т.е. наличие на отрицателно динамично съпротивление , изисква вътрешното съпротивление на ПРА да удовлетворява условието.

Разгледани са особеностите на процеса на разряда в газова среда и са получени условията на възникване на самостоятелен разряд. Ако се приеме, че електрическият разряд се развива в капилярен канал (КК) с дължина l_k и радиус r_k, то разрядното напрежение U_р се явява функция на разрядния ток I_р, т.е. U_р=f₁(I_р). Получената аналитична зависимост на разрядното напрежение от микро параметрите на газовата среда и конструктивните параметри на ГЕ има вида:

(1)

(2)

Където:

n_а – концентрация на атомите;

r – радиус на атома на газа;

m_e – маса на електроните;

k – константа на Болцман;

T_e – температура на електронния газ.

От уравнения (1) и (2) се вижда, че е налице принципна възможност за низходящ или възходящ характер на ВАХ на ГЕ, или формирането на такива участъци в нея, т.е. необходимо е ПРА да обезпечава работа както при положителни, така и при отрицателни динамични съпротивления.

При допущане и , където R_с е статичното съпротивление на разряда, за модула на комплексното съпротивление Z на разряда и за дефазирането φ между разрядния ток и напрежение в ГЕ са валидни уравнения:
(3)

(4)

Където:

ω е честотата на синусоидалните смущаващи въздействия.

Уравнения (3) и (4) са в основата на разчета на честотните характеристики на ГЕ. Показано е, че при определени честотни характеристики на разряда в съответен честотен диапазон изборът на заместваща схема на разряда е целесъобразно да се базира на експериментални изследвания.

Анализът на процесите във вериги, включващи ПРА и АЕ, предполага решаване на проблема с моделирането на електрическия разряд. Показана е възможността за използване на два подхода при моделиране на разряда – аналитичен и идентификационен. Използването на който и да е от двата подхода е свързано с трудности и изисква наличието на определени предпоставки. При аналитичния подход трудностите произтичат от това, че някой от физическите параметри на АЕ и състава на газовата среда са фирмена тайна.

При идентификационния модел е необходимо наличие на многофункционален ПРА с възможности за обезпечаване на изискваните електрически режими, а също и няколко АЕ, за да се реализира експерименталното изследване на семейство АЕ.

За АЕ на йонен лазер е разработен аналитичен модел на разряда при следните допущания:

1. 
   Енергийният баланс за установен режим се характеризира с това, че консумираната мощност Р_АЕ е равна на сумата на мощността Р_т, разсейвана чрез топлопроводимост, и мощността за генерация на токоносители.
   
2. 
   Балансът на йонизационно-дейонизационните процеси в установен режим се изразява в равенство между генерираните токоносители и токоносителите, неутрализирани чрез рекомбинация и взаимодействие с електродите.
   
3. 
   Генерацията на еднократно заредени възбудени йони се дължи на α – ударна йонизация.
   
4. 
   В резултат на активното водно охлаждане на капилярния канал и на възникналата разлика между температурите по оста и периферията му се получава пространствено разделение на процесите на йонизация и рекомбинация. като токоносителите електрони и йони се придвижват в радиално направление с еднаква скорост съобразно възникналата амбиполярна дифузия.
   
5. 
   Топлопроводимостта се осъществява в условията на ултра-разреден газ, като цялата мощност се разсейва през стените на капилярния канал.
   
6. 
   Между капилярния и обходния канал с обеми V₁ и V₂ съществува топлинна дифузия.
   

В работата при съчетаване на аналитичния и идентификационен подходи за моделиране на разряда в АЕ е предложена методика за експериментално итеративно параметрично изследване на АЕ и математическо моделиране на разряда и на системата ПРА–АЕ. При анализа и са изведени нови обобщаващи аналитични зависимости, позволяващи по-точно да се определят основните параметри на разряда, като нестабилност на разрядния ток, пулсации, енергетични параметри.

На основата на систематизация на АЕ и режимите на работа на ПРА е предложено обособяване на ограничен брой класификационни структури за ПРА–АЕ, определени от един основен и четири допълнителни класификационни признака – фиг.1.

Концепцията за структурен синтез на ПРА е базирана на принципите на системния подход и модулното изграждане.

Обобщената функционална схема на ПРА, представена като набор от специализирани модули (СМ) е посочена на фиг.2.

Където:

СМ2 – осигурява работните режими;

СМ3 – осигурява функционалната съвместимост на СМ1 и СМ2 в ПРА – фиг.3;



Фиг.1. Класификационни структури за ПРА–АЕ, определени от характера на разряда, вида на възбуждане на лазерното лъчение, конструкцията и режима на работа на АЕ.

Фиг.2. Обобщена блок схема ПРА.

СМ4 – осигурява управлението на енергетичните параметри на ПРА.

В координатната мрежа „напрежение – време” – фиг.3 може да се проследи работата на СМ1 и СМ2 и да се дефинират проблемите на функционалната им съвместимост.

За отделните блокове изграждащи СМ от фиг.2 са предложени унифицирани схемни решения, базирани на класически електронни преобразуватели, усъвършенствани съобразно спецификата на товара – АЕ и режимите на работа. Предложено е и модифициране на унифицираните схемни решения съобразно допълнителните класификационни признаци.

Фиг.3. ПРА – набор от специализирани модули.