Содержание к диссертации
1. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ТОКА С
РЕГУЛИРУЕМЫМИ АМПЛИТУДНО-ВРЕМЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ 9
Влияние формы импульса лазерного излучения на технологический процесс 9
Особенности генерирования импульсов сложной формы 15
Обзор существующих способов получения импульсов
тока регулируемой формы 21
1.4 Зарядные устройства расщепленных емкостных
накопителей энергии 32
1.5 Постановка задачи исследования 36
2. ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ РАСЩЕПЛЕННЫХ
ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ (РЕН) С
ФОРМИРУЮЩИМИ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКАМИ 38
2.1 Особенности формирования импульсов генераторами
на основе РЕН с формирующими четырехполюсниками 38
2.2 Генератор с формирующей индуктивностью 45
Методика расчета параметров генератора 46
Анализ электромагнитных процессов в генераторе
с формирующей индуктивностью 54
2.3 Генератор с формирующим Т-образным четырехполюсником 59
Электромагнитные процессы в генераторе 59
Методика расчета параметров генератора 69
Получения импульсов тока требуемой формы 74
Сравнительный анализ генераторов импульсов
тока регулируемой формы 88
2.4 Принципы построения универсальных генераторов
импульсов тока регулируемой длительности и формы
на основе РЕН с формирующими четырехполюсниками 99
Выводы 106
3. ИНДУКТИВНЫЕ ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ЕМКОСТНЫХ
НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ 108
Индуктивный заряд емкостных накопителей энергии 108
Регулируемые индуктивные зарядные устройства 118
3.2.1 Устройство с повышением уровня зарядного напряжения 119
Анализ электромагнитных процессов в зарядном устройстве 120
Методика расчета зарядного устройства
формирующих двухполюсников 131
3.2.2 Устройства с понижением уровня зарядного напряжения 134
3.2.2.1 Исследование процессов резонансного заряда
в устройстве с полностью управляемым ключом 134
3.2.2.2 Зарядное устройство с цепью рекуперации 141
3.3 Регулируемые зарядные устройства РЕН 155
3.3.1 Анализ электромагнитных процессов в
регулируемом индуктивном зарядном устройстве РЕН 157
3.3.2 Алгоритмы управления регулируемым зарядным
устройством РЕН 162
Выводы 166
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
ИМПУЛЬСОВ ТОКА РЕГУЛИРУЕМОЙ ФОРМЫ
ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ 169
4.1 Особенности работы генераторов импульсов тока
регулируемой формы (ГИТРФ) на лампы накачки 169
4.2 Экспериментальное исследование процессов в ГИТРФ
на основе РЕН 173
4.3 Исследование зависимости формы импульса
лазерного излучения от формы импульса тока накачки 188
4.4 Методика инженерного расчета ГИТРФ
для накачки твердотельного лазера 197
4.4.1 Расчет ГИТРФ, генерирующих регулируемые импульсы тока
в рамках базового прямоугольного импульса 197
4.4.2 Расчет ГИТРФ, генерирующих регулируемые импульсы тока
с превышением амплитуды базового прямоугольного импульса....203
Выводы 207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 209
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 211
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 220
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 221
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 224
Введение к работе
На современном этапе развития лазерных технологий широкое распространение получили импульсные режимы, которые позволяют осуществить физические и технологические процессы, труднодостижимые иными способами, причем в большинстве случаев импульсный режим работы повышает эффективность процессов. Особый интерес представляют импульсные твердотельные лазерные технологические установки (ЛТУ) с активным телом из AYG:Nd, применяемые в лазерной сварки, лазерном термоупрочнении, моно- и многоимпульсной прошивке отверстий и размерной обработке (раскрое) листовых материалов - как металлов, так и диэлектриков [9, 10, 50, 60, 61]. Основными технологическими параметрами при этом являются энергия излучения импульсов, их амплитуда, длительность, форма и частота следования.
Временная структура (или форма) импульсов лазерного излучения, т.е. зависимость мгновенной мощности излучения от времени, которая у промышленных серийных установок обычно представляет собой или полусинусоиду или прямоугольник, определяется параметрами формирующей цепи и в определенной степени повторяет форму импульса тока накачки. Большой объем экспериментальных и теоретических работ показывает, что возможность регулирования формы импульса, как и любого другого технологического параметра, позволяет оптимизировать конкретный технологический процесс, повышая его качество и производительность [1, 2, 6, 7, 8, 14-17]. Влияние формы импульса особенно проявляется в прецизионных технологических операциях, при обработки изделий малых толщин и размеров. При лазерной сварке импульсы излучения различных форм (но одной и той же энергии) позволяют получить большую глубину проплавлення, существенно уменьшить газовые включения в зоне расплава и увеличить прочность сварного соединения. В случае ла-
зерного термоупрочнения при изменении формы импульса и сохранении его энергии глубина термоупрочненного слоя может отличаться в 2-3 раза.
Существующие на сегодняшний день серийные импульсно-периодические источники питания ЛТУ не отвечают современным требованиям технологов. Регулировка формы импульса тока накачки в таких источниках отсутствует, а регулировка длительности производится дискретно, путем отключения части емкостей ячеек, что приводит к изменению волнового сопротивления цепи и, соответственно, энергетики процесса при регулировании параметров тока накачки. Наилучшими известными схемными решением, отвечающим современным импульсным лазерным технологиям является генераторы импульсов тока регулируемой формы (ГИТРФ) на основе однородной искусственной линии с ключами (ОИЛК) [4, 32-34]. Однако, такие источники обладают существенным недостатком, который в принципе присущ всем генераторам на основе однородной искусственной линии (ОИЛ), работающим в согласованном режиме - это большие массо-обьемные показатели при необходимости генерирования импульсов большой длительности. В связи с этим задача создания эффективных и надежных систем питания лазеров с улучшенными технико-экономическими показателями, способных работать в им-пульсно-периодическом режиме и обеспечивающих широкий диапазон регулирования основных параметров является важной и актуальной.
Для всех форм цепей, обеспечивающих импульсную накачку лазера и работающих в согласованном режиме величина накопителя является постоянной и определяется только максимальной энергией одиночного импульса, поэтому снижение массо-обьемных показателей генератора в целом может быть произведено за счет снижения массо-обьемных показателей индуктивных элементов. В связи с этим достаточно перспективными представляются схемные решения реактивных многополюсников с не-
одновременной коммутацией входов (МНКВ) [22-25]. Обязательным условием при синтезе подобных формирующих цепей является отсутствие влияния воздействующего сигнала от одного входа на другие, что приводит к чрезмерно широкому диапазону изменения уровней зарядных напряжений. Выходом из этой ситуации является использование МНКВ с вентильными ключами, формальный синтез которых на сегодняшний день отсутствует, но которые могут быть легко реализованы на практике и обладают рядом существенных преимуществ перед другими схемными решениями ГИТРФ [26, 62, 91].
Целью работы является разработка принципов построения и методики инженерного проектирования импульсных источников питания ЛТУ с регулируемой формой тока накачки на основе расщепленного емкостного накопителя (РЕН) с формирующим четырехполюсником и с ключами с односторонней проводимостью.
В процессе выполнения работы были решены следующие задачи, тесно связанные с целью работы:
Определение расчетных соотношений необходимых при проектировании и определяющих параметры ГИТРФ на основе расщепленного емкостного накопителя с формирующей индуктивностью и с формирующим Т-образным четырехполюсником, работающими в режиме полного разряда емкостей ячеек.
Анализ электромагнитных процессов в РЕН с формирующим четырехполюсником с целью создание методики определения уровней зарядных напряжений и моментов коммутации вентильных ключей для формирования импульсов тока требуемой формы.
Разработка принципов построения регулируемых индуктивных зарядных устройств, методов их расчета и алгоритмов управления ими с учетом возможной нелинейности зарядного дросселя.
Разработка методики инженерного проектирования ГИТРФ на основе РЕН с формирующим четырехполюсником для питания твердотельных лазеров.
Анализ особенностей формирования импульсов лазерного излучения регулируемой формы и экспериментальные исследования зависимости формы импульса лазерного излучения от формы импульса тока накачки.
Основными научными результатами диссертационной работы являются следующие положения, выносимые на защиту:
Методы расчета РЕН с формирующим четырехполюсником и ключами с вентильной проводимостью.
Оригинальные схемные решения регулируемых индуктивных зарядных устройств, методики их расчета и алгоритмы управления ими с учетом нелинейности зарядного дросселя.
Результаты экспериментальных исследований и практические рекомендации по повышению эффективности процесса накачки и точности регулирования формы импульса лазерного излучения путем регулирования формы импульса тока накачки.
Методика инженерного проектирования ГИТРФ на основе РЕН с формирующим четырехполюсником для питания твердотельных лазеров.
Принципы построения универсальных ГИТР формы и длительности на основе РЕН, работающих в циклическом режиме.
1.ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ТОКА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ АМПЛИТУДНО-ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.
Похожие диссертации на Исследование и разработка генераторов импульсов тока для накачки твердотельных лазеров
