СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАЗРЯДОМ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПИТАНИИ ЛАМП НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
METHOD OF CONTROLLING DISCHARGE OF A CAPACITIVE ENERGY STORAGE UNIT DURING PULSED SUPPLY OF PUMPING LAMPS OF A SOLID-STATE LASER

Изобретение относится к области измерительной техники и автоматики и может быть применено для управления разрядом емкостного накопителя энергии в импульсные газоразрядные лампы накачки по результату определения функционального состояния ламп с помощью импульса предварительной ионизации и системы диагностики разряда накопителя.
Импульсные газоразрядные лампы находят разнообразное применение в технике. Наиболее часто они используются в качестве источников накачки лазерной среды в мощных лазерных установках, а также могут быть использованы в установках для очистки воды, установках для дополнительного обогащения руд металлов и т.п. Одним из способов повышения эффективности работы таких ламп является использование режима предварительной ионизации, при котором на лампу воздействуют два электрических импульса (фиг. 1) - импульс предварительной ионизации (предионизации), осуществляющий первоначальный пробой газа в лампе и проводящий его ионизацию, и высокоэнергетический, силовой импульс, переносящий в лампу основную энергию, требуемую для получения заданного оптического излучения лампы. Обычно импульс предионизации воздействует на лампу за 250-300 мкс до высокоэнергетического импульса и в нем содержится от 1% до 2% энергии, передаваемой в источники накачки высокоэнергетическим импульсом.
Процесс импульсного электрического разряда в лампе может развиваться непредсказуемым образом. При срабатывании ламп возможно возникновение следующих аварийных ситуаций - отказ или задержка срабатывания лампы, пробой изоляции лампы или оборудования, подводящего к лампе высоковольтный импульс (кабели и т.п.), и разрушение колбы лампы в результате воздействия ударной волны, возникающей в газе при разряде. Если в месте пробоя выделяется вся энергия импульса основного разряда, то весьма вероятны значительные механические повреждения окружающих предметов. Пробой возникает при воздействии на изоляцию высоковольтных импульсов, формирующихся в результате переходных процессов, протекающих за несколько микросекунд в линии передачи энергии от накопителя к лампе и необходимых для инициирования разряда в газовой среде лампы. Развитие пробоя в изоляции происходит обычно на фронте нарастания импульса напряжения, приложенного к лампе.
Поскольку импульсная лампа накачки представляет собой нелинейное сопротивление, то эффективность ее работы характеризует выделившаяся за заданный промежуток времени энергия разряда, определяемая по формуле:
Р
P
Е - энергия разряда в лампе, I - ток через лампу, R - сопротивление лампы, t - время разряда.
Из формулы видно, что оценка качества срабатывания лампы накачки связана с измерением протекающего разрядного тока. Поэтому для диагностирования работы лампы необходимо иметь информацию об амплитуде и длительности протекающего через нее тока. В случае возникновения нештатной ситуации на стадии разряда изменяется форма тока, протекающего через лампу - меняется характер разряда, амплитуда, длительность импульса, возможна задержка прохождения тока (фиг. 2).
Неисправности источников накачки, в качестве которых применяются импульсные газоразрядные лампы, являются одними из наиболее характерных нештатных ситуаций в работе силовых усилителей твердотельных лазерных установок. По описанным причинам, в случае подачи на неисправные лампы накачки высокоэнергетического импульса, осколки разрушенной лампы могут привести к повреждению и, как следствие, выходу из строя соседних исправных ламп, зеркальных отражателей или иных составных частей ламповой кассеты и силового усилителя.
Проводя анализ параметров импульса тока предионизации, можно с достаточной точностью определять целостность и функциональное состояние ламп накачки. В случае регистрации формы токового импульса, имеющей значительно увеличенную амплитуду и длительность достижения амплитуды, по отношению к характерной форме (фиг. 3), можно с уверенностью судить о возникновении нештатной ситуации, например о пробое лампы одного из разрядных контуров емкостного накопителя энергии, обеспечивающего электрической энергией источники накачки.
При наличии способа, обеспечивающего в автоматическом режиме управление разрядом накопителя энергии, возможно запрещение проведения силовой стадии разряда с целью предотвращения аварийной ситуации в случае определения, по результатам анализа, неисправного состояния источников накачки.
Известно, что в составе систем емкостных накопителей энергии лазерных установок «Искра-5» и «Луч» (Россия) конструкцией не предусмотрен режим предварительной ионизации. Системы диагностики разряда накопителей энергии, основанные на принципах измерения временных характеристик срабатывания высоковольтных элементов («Искра-5») и определения полной формы разрядных токов, проходящих через коммутатор и лампы накачки («Луч»), не обладают возможностью аппаратного определения качественного состояния ламп накачки [С.И. Антипов, И.В. Галахов, А.С. Гашеев и др. Комплекс импульсной диагностики разряда емкостного накопителя энергии. ПТЭ, №5, 1990, с. 132-133.1], [И.С. Бабер, В.Г. Безуглов, И.В. Галахов и др. «Автоматизированная система управления емкостными накопителями энергии установки «Луч»». Труды IX Международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах", Самара, Россия, 2007 г., стр. 273-278.2]. Непосредственно перед проведением экспериментов проводится только визуальный контроль ламп накачки, поэтому велика вероятность отказов в работе силового усилителя.
В качестве прототипа выбран способ управления разрядом емкостного накопителя энергии лазерной установки мегаджоульного уровня выходной энергии излучения NIF (США). Для реализации способа используются два режима работы накопителя энергии: режим проверки ламп PILC (Pre-Ionization Lamp Check), на этапе разряда которого выполняется коммутация в нагрузку только низкоэнергетического импульса предионизации и основной режим, на этапе разряда начинающийся импульсом предионизации, переходящим в силовую стадию [G. Hammon III, М.A. Newton. NIF Amplifier Power Conditioning System (PCS). Design Basis Document, 2001.3].
Способ заключается в том, что:
- выполняют режим PILC непосредственно перед проведением основного режима и после его завершения;
- регистрируют разрядные токи предионизации во всех источниках накачки при проведении режима PILC;
- выполняют анализ параметров зарегистрированных импульсов токов предионизации после завершения режима PILC;
- определяют функциональное состояние ламп накачки на основании результатов анализа;
- осуществляют управление разрядом емкостного накопителя энергии - разрешают или запрещают проведение основного режима, при котором выполняется зарядка силовых конденсаторов накопителя энергии и на стадии разряда в лампы накачки подается последовательность из двух электрических импульсов - предионизационного, осуществляющего первоначальный пробой газа в лампе, и силового токов.
Недостаток такого способа состоит в том, что определение состояния ламп в режиме проверки PILC, выполняющемся в прототипе, не исключает вероятность пробоя изоляции лампы во время прохождения импульса предионизации в основном режиме. В силу отсутствия информации, ответственной за состояние ламп накачки в основном режиме, которую можно получить, проведя анализ тока предионизации и невозможности отмены прохождения высокоэнергетического импульса, вероятно возникновение аварийной ситуации, заключающейся в разрушении лампы и повреждении элементов конструкции силового усилителя.
Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности работы силового усилителя твердотельной лазерной установки благодаря существенному снижению вероятности разрушений ламп накачки, приводящих к повреждению элементов конструкции силового усилителя.
Технический результат достигается за счет динамического определения в реальном времени состояния ламп накачки и возможности автоматического управления силовой стадией разряда емкостного накопителя энергии в основном режиме.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что по сравнению с известным способом управления разрядом емкостного накопителя энергии, заключающимся в том, что до выполнения основного режима:
- проводят режим проверки ламп накачки и регистрируют импульсы разрядных токов предионизации;
- выполняют анализ параметров зарегистрированных импульсов токов предионизации после завершения режима проверки ламп накачки;
- определяют функциональное состояние ламп накачки на основании результатов анализа;
- осуществляют управление разрядом емкостного накопителя энергии - принимают решение о разрешении или запрете проведения основного режима, включающего силовую стадию разряда,
в заявляемом способе управления емкостным накопителем энергии новым является то, что обеспечивают управление разрядом емкостного накопителя энергии в процессе выполнения основного режима работы для чего:
- заблаговременно, до выполнения штатных режимов работы накопителя, при проведении испытаний ламп накачки с моделированием аварийных ситуаций, экспериментально регистрируют амплитудно-временные характеристики токов предионизации при различных величинах зарядного напряжения накопителя энергии; определяют границы допустимых отклонений от этих параметров; для каждой величины зарядного напряжения формируют амплитудно-временной диапазон, характеризующий исправное состояние лампы накачки;
- регистрируют импульсы разрядных токов предионизации ламп в ходе проведения основного режима;
- проводят динамическое сравнение параметров, регистрируемых в реальном времени в процессе проведения основного режима, импульсов токов предионизации с амплитудно-временным диапазоном, характеризующим исправное состояние лампы;
- сравнение осуществляют на временном интервале от начала до окончания импульсов тока предионизации, предшествующем моменту трансляции сигнала, инициирующего проведение силовой стадии разряда емкостного накопителя энергии в основном режиме;
- определяют функциональное состояние лампы накачки по результатам проведенного сравнения, критерием неисправного состояния является отклонение параметров регистрируемого импульса тока предионизации от амплитудно-временного диапазона, характеризующего исправное состояние лампы;
- осуществляют управление разрядом емкостного накопителя энергии - автоматически принимают решение о запрете проведения силовой стадии разряда основного режима в случае заключения о неисправном состоянии лампы накачки.
Особенность и преимущество заявляемого способа в отличие от прототипа, в котором существует вероятность возникновения аварийной ситуации, вызванной протеканием в основном режиме высокоэнергетического импульса через неисправные лампы накачки, обусловленная тем, что:
- управляют разрядом емкостного накопителя энергии в основном режиме по результатам определения состояния ламп накачки после проведения режима проверки;
- импульс предионизации в основном режиме используется только для пробоя газа в лампе;
- регистрируют импульсы разрядных токов предионизации и высокоэнергетические импульсы в лампах в основном режиме;
- не проводят динамического анализа импульсов при выполнении основного режима;
- не управляют разрядом емкостного накопителя энергии в процессе проведения основного режима,
заключается в том, что:
- регистрируют импульсы токов предионизации, предшествующие силовой стадии разряда в процессе проведения основного режима;
- проводят динамическое сравнение параметров импульсов токов предионизации, регистрируемых в реальном времени в процессе проведения основного режима, с амплитудно-временным диапазоном, определенным предварительно экспериментальным путем и характеризующим исправное состояние лампы;
- определяют функциональное состояние лампы накачки по результатам проведенного сравнения, критерием неисправного состояния является отклонение параметров регистрируемого импульса тока предионизации от амплитудно-временного диапазона, характеризующего исправное состояние лампы;
- осуществляют автоматическое управление разрядом емкостного накопителя энергии в процессе проведения основного режима - блокируют срабатывание силового коммутатора накопителя энергии с целью запрещения протекания в основном режиме высокоэнергетического импульса тока через неисправные лампы накачки.
Внедрение заявляемого способа управления разрядом емкостного накопителя энергии по результату динамического определения функционального состояния ламп накачки в процессе проведения основного режима приводит к исключению возможности возникновения аварийной ситуации, вызванной протеканием высокоэнергетического импульса через неисправные лампы накачки, что обеспечивает защиту элементов конструкции силового усилителя от механических повреждений и в результате приводит к достижению технического результата - повышению надежности работы силового усилителя твердотельной лазерной установки.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что известные способы управления разрядом емкостного накопителя энергии, характеризующиеся совокупностью признаков, обладающих высокой степенью релевантности существенным признакам заявляемого технического решения, не найдены, что указывает на соответствие заявляемого способа управления условию патентоспособности «новизна».
Выполненные в ходе работы исследования научно-технических источников информации показали, что не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого способа преобразований на достижение указанного технического результата. Заявляемое техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 приведен профиль тока разрядного контура, состоящий из импульсов предионизационного «1» и силового «2» токов, полученный при напряжении заряда 24 кВ
На фиг. 2 приведены зависимости импульсов тока и напряжения, рассчитанные при моделировании короткого замыкания в лампах накачки при зарядном напряжении 24 кВ:
Ikom - ток через основной коммутатор;
Ikz - ток в аварийном разрядном контуре;
Uc - напряжение на накопительном конденсаторе аварийного контура.
На фиг. 3 приведены формы тока предионизации лампового контура в штатном режиме «1», при пробое лампы «2», смоделированные при зарядном напряжении 24 кВ.
На фиг. 4 отражены результаты анализа импульсов тока предионизации.
Сплошной жирной линией обозначена амплитудно-временная область анализа;
1 - импульс тока с максимально допустимым значением амплитуды, соответствующий исправному состоянию лампы накачки;
2 - импульс тока предионизации эталонной лампы накачки;
3 - импульс тока с минимально допустимым значением амплитуды, соответствующий исправному состоянию лампы накачки.
Заявленный способ технически реализован в составе модуля емкостного накопителя энергии, содержащего контур предварительной предионизации и предназначенного для питания ламп накачки неодимовой лазерной установки [Ганин Л.С., Арзев А.Г., Беспалов Е.А. и др. Модуль емкостного накопителя с запасенной энергией 900 кДж на базе реверсивно включаемых динисторов для питания ламп накачки мощного неодимового лазера // Сборник докладов «Труды международной конференции «XVIII Харитоновские научные чтения». 2017. Т. 2. С. 55-63.4].
Способ работает следующим образом.
Измерение и математическая обработка параметров, характеризующих процесс разряда модулей емкостного накопителя энергии в нагрузку, осуществляются аппаратно-программными средствами системы технической диагностики (СТД). Диагностические устройства СТД модуля накопителя построены на основе высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и получают сигналы с датчиков тока, расположенных в электрических цепях ключевых элементов разрядных контуров накопителя.
Перед началом выполнения основного режима, при котором производится заряд силовых конденсаторов до рабочего напряжения, СТД получает от информационно-управляющей системы установки исходные данные диагностики, выполненные в виде таблицы подлежащих анализу каналов, соответствующих десяти разрядным контурам модуля накопителя, подключенным к лампам накачки силового усилителя. В таблице указаны, индивидуально для каждого канала, величины минимальных и максимальных значений амплитуд токов предионизации и временной интервал обработки, общий для всех каналов. Временной интервал задается в виде значений начала и окончания обработки относительно внешнего синхронизирующего импульса, запускающего диагностирующее устройство СТД. Таким образом, задается шаблон - экспериментально определенный амплитудно-временной диапазон импульсов токов предионизации, характеризующий работоспособное состояние ламп накачки каждого из десяти разрядных контуров модуля накопителя энергии. Экспериментальным путем установлено, что для зарядного напряжения 24 кВ, диапазон амплитуды тока предионизации, соответствующий исправному состоянию ламп накачки, составляет от 1,6 кА до 2,8 кА, границы временного интервала диагностики находятся в диапазоне от 20 мкс до 80 мкс.
В процессе основного режима СТД проводит последовательное выполнение следующих операций:
1) Регистрирует, обрабатывает и оцифровывает импульсные аналоговые сигналы, сформированные датчиками тока при прохождении низкоэнергетических импульсов тока предионизации через лампы накачки.
2) Выполняет математический анализ параметров импульсов токов предионизации, заключающийся в динамическом сравнении с шаблонными значениями амплитудно-временного диапазона, указанного в таблице исходных данных диагностики (фиг. 4).
3) Выдает заключение об исправном функциональном состоянии ламп накачки, если максимумы во всех каналах больше заданных минимальных границ, но меньше максимальных.
4) Выдает заключение о неисправном функциональном состоянии ламп накачки, если в одном или нескольких диагностических каналах амплитуда зарегистрированного тока предионизации больше максимальной или меньше минимальной заданной в шаблоне границы.
5) Формирует упреждающий сигнал, в случае заключения о неисправном состоянии ламп накачки, блокирующий работу силового коммутатора и, как следствие, запрещающий проведение силовой стадии разряда.
Экспериментальным путем установлено, что время, затрачиваемое на проведение анализа, выдачу заключения и формирования упреждающего сигнала не превышает 150 мкс от начала диагностики.
Последовательность этапов в описании способа носит строго обязательный характер и в различных вариантах осуществления способа эта последовательность не изменяется для сохранения выполнения функций и достижения технического результата.
Приведенное описание подтверждает, что реализация заявляемого способа управления разрядом емкостного накопителя энергии источников накачки неодимовой лазерной установки позволяет при выполнении основного режима:
- динамически определять функциональное состояние ламп накачки силового усилителя по результатам диагностики импульсов предионизации;
- автоматически управлять работой силового коммутатора модуля накопителя энергии;
- запрещать проведение силовой стадии разряда, в случае заключения о неисправном функциональном состоянии ламп накачки,
что в совокупности существенно уменьшает вероятность возникновения аварийной ситуации, вызванной протеканием высокоэнергетического импульса через неисправные лампы накачки, обеспечивает защиту элементов конструкции силового усилителя от механических повреждений и в результате приводит к достижению технического результата - повышению надежности работы силового усилителя.