Повышение эффективности излучателя на импульсных лампах мощностью 3 Мвт

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО НИИ ОЭП

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА ИМПУЛЬСНЫХ ЛАМПАХ МОЩНОСТЬЮ 3 МВТ

А.Г. Бедрин

В.М. Громовенко

Исследуются режимы работы излучателя на основе широкоформатной ламповой панели с целью повышения эффективности формирования импульса секундной длительности с заданными амплитудно-временными характеристиками светимости. Описаны результаты экспериментов по достижению максимальной облученности и численных расчетов для моделирования коротких импульсов.

Для целей стендового моделирования силового и функционального воздействия мощного оптического излучения природных и техногенных вспышек на материалы и оптико-электронные приборы в НИИ ОЭП разработана и построена установка на основе широкоформатной панели из трубчатых ксеноновых ламп типа ИНП-16/530 [1]. 14 ламп из 15 запитаны от сетевого тиристорного выпрямителя мощностью 3 МВт и работают в режиме формирования импульсов заданной формы вплоть до секундных длительностей. Одна центральная лампа в панели питается от емкостного накопителя с запасаемой энергией до 55 кДж и предназначена для формирования коротких импульсов света миллисекундной длительности. Такая схема комбинированного электропитания лампового излучателя позволяет охватить широкий диапазон длительностей формируемых световых импульсов и моделировать двухимпульсные вспышки света [2] различной природы. Представленный излучатель удобен при штатных испытаниях материалов и оптико-электронной аппаратуры, обеспечивает достаточно большое пятно облучения и чистые условия испытаний образцов. Однако получение необходимых значений облученности и создание крутых передних фронтов токовых, а следовательно, и световых импульсов сопровождается большими трудностями по вводу необходимой энергии с перегрузкой в десятки раз. Так при паспортном режиме энерговклада в лампу на уровне 10 кДж реальный энерговклад может достигать почти 180 кДж при формировании импульсов секундной длительности. Однако, во многих случаях для точного моделирования реальных световых вспышек необходимо получение еще больших значений облученности и создание более крутых передних фронтов световых импульсов.

Основными мерами, повышающими эффективность излучателя, являются: 1) - форсирование режима электропитания управляемого тиристорного выпрямителя на стадии формирования фронта светового импульса, 2) - подбор ламп с наименьшим удельным сопротивлением по результатам анализа энергетических излучательных характеристик, 3) - отработка метода программного задания импульса управляющего напряжения для получения более точного соответствия временных форм токового импульса и заданного импульса света. И, наконец, 4) - после оптимизации режима электропитания излучателя с целью получения максимальной облученности были применены специально разработанные призматические фоконы - металлические полированные концентраторы световой энергии. излучатель ламповый амплитудный импульс

Необходимость увеличения крутизны передних фронтов для расположения максимума моделируемого импульса света на 15 - 20 мс от момента начала формирования потребовало реализовать форсированный режим работы сетевого выпрямителя. Последнее выразилось в увеличении его входного напряжения приблизительно на 30%. Поскольку система импульсно-фазового управления источника питания контролирует в процессе работы заданный угол включения выпрямительных тиристоров, то увеличение входного напряжения ведет к соответствующему росту выходного напряжения выпрямителя и тока ламповой панели. Однако ввиду значительной перегрузки ламп этот процесс проводился специальным образом. На начальном участке формирования светового импульса управляющий сигнал повышался вплоть до максимально возможного значения для повышения скорости нарастания выходного тока. Такое повышенное напряжение управления тиристорным выпрямителем сохранялось до момента времени, пока выходной ток не превышал предельного значения. Затем управляющее напряжение скачком понижалось до обычного уровня, соответствующего амплитудному значению тока формируемого импульса (рисунок 1). Рост тока прекращался, и далее управление осуществлялось в стандартном режиме для сохранения допустимой величины рассеиваемой в лампах энергии в области времен от максимума импульса тока и до его окончания.

Увеличенная скорость нарастания тока в начальные моменты времени формирования импульса обеспечивала рост крутизны переднего фронта, т.е. приближение максимума генерируемого токового, а значит и светового, импульсов к началу формирования импульса. Тем самым был реализован режим формирования светового импульса с расположением максимума на м = 15 мс. Из-за наличия в электроаппаратуре выходного сглаживающего реактора минимальная длительность фронта импульса до модернизации источника питания превышала 30 мс.

По результатам анализа энергетических излучательных характеристик ламп повысить энерговклад в лампы возможно подбором ламп с наименьшим удельным сопротивлением для максимального использования возможностей источника питания. Экспериментальный отбор ламп с наилучшими параметрами производился еще и с целью создания относительно однородного светящегося тела ламповой панели. Выборка ламп по методу наименьшего отклонения значений измеряемого тока в каждой лампе от максимального значения для всех ламп панели дала положительный результат (рисунок 2). Из всей партии ламп были отобраны 14 штук с практически равным значением внутреннего сопротивления, что привело к одинаковым или близким значениям тока, а, следовательно, и интенсивности генерируемого излучения.

Моделирование амплитудно-временных параметров излучения потребовало реализовать форму импульса управления в соответствии с заданной формой светового сигнала с учетом "аппаратной" функции источника питания - оптимизировались параметры разрядного контура и нагрузочные характеристики тиристорного агрегата. Это было выполнено в связи с тем, что ламповая панель для источника питания является нелинейной нагрузкой. В общем случае временные формы управляющего напряжения и выходного тока, а тем более - светового импульса, не соответствуют друг другу. Нелинейность вольтамперных характеристик газоразрядных ламп и передаточных функций используемого регулируемого источника питания предопределяет тот факт, что управляющее воздействие на тиристорный выпрямитель должно специальным образом учитывать эту нелинейность для формирования импульса света с формой, адекватной заданию. Особенностью согласования работы тиристорного выпрямителя с ламповой панелью является необходимость предварительного высоковольтного пробоя разрядного промежутка для поджига ламп, и разряда дополнительной инициирующей батареи накопителя для создания в них проводящего состояния - токовых каналов, соответствующих по уровню токов их рабочим значениям в сотни ампер. Формирование импульсов излучения производилось с помощью автоматизированной измерительно-управляющей системы на основе компьютера путем управления фазами включения тиристоров агрегата КТЭУ-4000. Специально разработанное программное обеспечение предоставило возможность регулировать выходное напряжение источника питания по заданному алгоритму [3]. Посредством компьютерного управления временной формой импульсов тока в каждой лампе формировались заданные амплитудно-временные характеристики светимости излучателя в целом.

Чтобы сформировать световой импульс с требуемой зависимостью во времени и учетом "аппаратной" функции выпрямителя, были выполнены специальные исследования. Измерялись зависимости интенсивности светового излучения от величины протекающего тока в лампе, а также связь этой характеристики с управляющим напряжением источника питания (рисунок 3). Это осуществлялось в режиме разряда емкостного накопителя с запасаемой энергией до 55 кДж на лампу ИНП-16/530 для наблюдения, как переходного процесса формирования токового канала, так и установившегося горения разряда. Вариация зарядного напряжения и индуктивности в разрядном контуре позволила установить, что интенсивность светового излучения в стационарном режиме работы лампы практически пропорциональна протекающему току.

Неоднозначность между светом и током имеет место практически только в переходном процессе установления токового канала, или разгорания лампы (отмеченного на рисунке 3 кривой стрелкой) - появление светового излучения здесь несколько запаздывает относительно импульса тока. По окончании переходного процесса, длительность которого зависит от величины зарядного напряжения и не превышает 400 500 мкс, зависимость света от тока становится однозначной, и все кривые практически совпадают (линейное спадание в ноль интенсивности света при уменьшении тока в лампе, отмеченное прямой стрелкой на рисунке 3).

Таким образом, учет неоднозначности зависимости света от тока необходим только при моделировании очень коротких световых импульсов. Временная форма импульсов миллисекундной длительности определяется параметрами разрядного контура и характеристиками самой лампы. Экспериментальный подбор параметров контура при высоких уровнях зарядных напряжений затруднен, поэтому определение оптимального варианта, обеспечивающего получение заданной временной формы генерируемых импульсов тока, можно рассчитать с использованием пакета схемотехнического моделирования, например, MicroCap. Целесообразность таких расчетов обоснована только при наличии модели лампы ИНП-16/530, адекватно отражающей ее поведение во время разряда, поскольку как элемент электрической цепи лампа представляет собой нелинейную нагрузку. Такая модель была разработана нами на основании максимального совпадения с экспериментально измеренными вольт-амперной характеристикой лампы и параметрами переходного процесса ее включения. В данной модели лампа представляется 3-я включенными последовательно резисторами. Сопротивления первых двух резисторов зависят от протекающего в контуре тока, что отражает существование двух ветвей реальной вольт-амперной характеристики лампы в стационарном режиме работы. Сопротивление третьего резистора выбирается не зависящим от тока, но изменяющимся во времени, для отражения переходного процесса горения разряда в лампе. Таким образом, общее сопротивление RN газоразрядной лампы в расчетной схеме электрической цепи выражается как:

,

где I - ток в выходной ветви разрядного контура, t - текущее время.

Поскольку у такой модели нагрузки начальное сопротивление велико, то параллельно ему в расчетной схеме необходимо включать аналог сопротивления инициирующего разряда в лампе, например, резистор с сопротивлением около 5 Ом. В проверочных расчетах величина сопротивления нагрузки не поднималась выше 1,5 Ома. Поэтому шунтирующее действие инициирующего сопротивления такой величины по окончании процесса поджига разряда не будет существенно влиять на электрические процессы в лампе. Использование описанной модели позволяет синтезировать достаточно сложные, многоконтурные схемы для максимального приближения временной формы импульса света к заданной.

Для относительно длинных световых импульсов, моделируемых с использованием тиристорного выпрямителя, формы импульсов тока и света практически совпадают, и зависимость между управляющим напряжением и интенсивностью света Uупр = f (Jсв) при правильном формировании импульса выходного тока будет правильно формировать и импульс света. Для определения этой зависимости были выполнены специальные эксперименты, временная форма управляющего импульса в которых включала как восходящий - до м, так и нисходящий участки - до окончания импульса (рисунок 4).

Левая шкала ординат на графике относится к световому сигналу, нормированному на единицу, а правая шкала (в вольтах) - к управляющему сигналу Uупр, подаваемому на тиристорный агрегат. При этом положение Uупр выше 4 В определяется технически минимальной величиной напряжения, при которой еще возможен запуск тиристорного агрегата. По результатам этого эксперимента была построена зависимость управляющего напряжения Uупр от интенсивности света Jсв, позволившая уверенно моделировать амплитудно-временные параметры излучения. Полученное эмпирическое цифровое выражение: UУпр = 4 + v13,2 Jсв(t), где Jсв(t) - нормированная на единицу временная форма моделируемого импульса света, использовалось для задания формы управляющего напряжения. Амплитуда UУпр = 4 В является пороговой величиной начала управления. В штатном режиме в точке м она равна 7,6 В, а в форсированном режиме это напряжение увеличивалось до 8 В.

С целью получения максимальной облученности были применены специально разработанные призматические фоконы - металлические полированные концентраторы излучения (рисунок 5). Увеличение энерговклада в лампы путем повышения управляющего напряжения и использование зеркального концентратора излучения позволило достичь значения энергетической экспозиции Eизл = 130±5 Дж/см2. На рисунке 6 представлена зависимость энергии излучения от расстояния до поверхности ламп, измеренная на оптической оси ламповой панели в свободном световом поле, и с применением призматического фокона.

При этом амплитуду суммарного тока потребовалось увеличить до 5,4 кА, а общий энерговклад в ламповую панель при формировании профилированного импульса длительностью t = 3 с - до рекордного значения 250050 кДж. Тем самым в режиме квазидугового одиночного импульса достигнута наибольшая в настоящее время перегрузка для трубчатых ксеноновых ламп, работающих при естественном воздушном охлаждении.

Литература

1. Бедрин А.Г., Гурьев А.П., Дашук С.П. Мощный широкоформатный квазистационарный излучатель на трубчатых ксеноновых лампах. // Оптический журнал, 2009, т. 76, № 9, с. 59 - 66.

2. Бедрин А.Г., Гурьев А.П., Громовенко В.М., Докучаев В.Г. Формирование двухпикового режима светового импульса широкоформатной ламповой панели. Труды IХ Международной конференции «Прикладная оптика», СПб, 2010, с. 141 - 145.

3. Бедрин А.Г., Гурьев А.П., Дашук С.П., Соколова Г.А. Программное управление светимостью ламповой панели мощностью 3 МВт. Труды Х Международной конференции «Прикладная оптика», СПб, 2012, с. 282 - 286.

Размещено на Allbest.ru