Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Тетрилов Р.В., Дивак Н.П.

Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, г. Николаев

Применение метода обратных задач для определения оптимальных параметров и режимов работы генераторов импульсных токов для разрядноимпульсных технологий

Основой разрядноимпульсных технологий (РИТ) является процесс преобразование энергии электрического поля в механическую работу посредством импульсного ввода энергии в разрядный плазменный канал, использующийся как источник импульсных давлений на обрабатываемый объект [1]. Причём каждый объект обработки (технологический процесс) требует наиболее оптимального пространственно-временного распределения силовых нагрузок для обеспечения максимального коэффициента преобразования энергии волн давления и гидропотоков в полезную работу, что практически достигается путём обеспечения соответствующих режимов работы генератора импульсных токов (ГИТ) с целью формирования заданного давления в зоне объекта обработки [2]. Выбор параметров и режимов работы ГИТ в большинстве случаев ведутся на базе прогнозных расчётов и накопленного опыта.

Осуществлять научно-обоснованную разработку ГИТ позволяет подход, основанный на решении обратных задач. Физическая модель такого подхода базируется на выделении простых независимых подсистем, которые составляют класс взаимодействующих физических процессов, разных по природе и взаимодействующих между собой по цепочечному принципу, когда выходные характеристики одной подсистемы являются входными для последующей подсистемы (рис. 1) [2]. В работе [2] сложная система преобразования энергии разбивалась на три более простые подсистемы – гидродинамическую (ГДПС), электродинамическую (ЭДПС) и электротехническую (ЭТПС), что справедливо для разрядов, стабилизированных микропроводником, однако для РИТ, где используется высоковольтный пробой жидкости, характерны процессы, происходящие в разрядном промежутке до его пробоя. Эти процессы – энергозатратные, они определяются многими факторами (свойствами жидкой среды, геометрией электродной системы, напряжённостью электрического поля и т.д.) и их необходимо учитывать при определении параметров (синтезе) ГИТ. Поэтому эти процессы выделены в отдельную подсистему - каналоформирующую (КФПС) (рис. 1).

Рис.1

Следует отметить, что в РИТ используются разряды как с характерным временем энерговыделения (30-40) мкс, так и с характерным временем энерговыделения > 40 мкс. Длинные разряды имеют свои особенности, которые должны быть учтены в соответствующих математических моделях.

В работе ставится задача синтеза такого импульсного энергоисточника (или энергоисточников), который бы реализовывал в зоне объекта обработки оптимальную по интенсивности и форме гидродинамическую нагрузку P(t) для конкретной РИТ.

Алгоритм решения задачи:

- по заданной функции давления в точке среды P(t) на расстоянии r от оси расширяющегося поршня определяются необходимое давление в поршне P_n(t) и скорость его расширения v_n(t), обеспечивающие заданное P(t) (ГДПС).

- моделируется расширяющийся поршень каналом разряда, в котором давление P_a(t) и скорость его расширения v_a(t) соответствуют P_п(t) и v_п(t) (ГДПС).

- определяются необходимые: электрическая мощность, выделяемая на активном сопротивлении канала разряда N(t), величина протекающего тока I(t), активного сопротивления канала разряда R_a(t) и падение напряжения на нём U(t), которые обеспечат P_a(t) и v_a(t) (ЭДПС).

- определяется длина разрядного промежутка l и величина зарядного напряжения генератора импульсных токов U_з в зависимости от удельной проводимости рабочей среды, геометрии электродной системы и величины предпробивных потерь (КФПС).

- по известным N(t), I(t), величине зарядного напряжения U_з и величине длины канала разряда l выполняется синтез емкостного генератора импульсных токов (ЭТПС).

С использованием предложенного алгоритма и математических моделей, был выполнен синтез параметров ГИТ по заданным функциям давления в точке среды (короткий и длинный разряд). Для расчёта были взяты параметры одной из реальных электродных систем, используемых в установках по электрогидравлической обработке материалов. Расчёт проводился для различных значений коэффициента предпробивных потерь f и показал, что возможно при различных значениях предпробивных потерь и длинах разрядного промежутка путём выбора необходимых параметров энергоисточника обеспечить необходимую мощность N^*(t) и ток I(t) в канале разряда, которые, в свою очередь, позволят реализовать давление в канале разряда P_a(t), скорость его расширения v_a(t) и необходимую (заданную) по интенсивности и форме гидродинамическую нагрузку P(t), т.е. оптимизировать технологический процесс в целом.

В технологиях, применяемых в промышленности, импульсы сжатия, которые распространяются в рабочей среде, имеют крутой фронт и спад близкий к экспоненциальному (как было указано выше), однако эта форма импульса не всегда является оптимальной и часто бывает необходима более сложная форма, например, с несколькими пиками на эпюре давления (двухпульсационные импульсы). В связи с этим возникает необходимость генерировать на нагрузке (сопротивлении канала разряда) сложный, наперед заданный импульс тока, реализация такого импульса возможна при использовании импульсных электроразрядных источников энергии (ИЭРИЭ) с управляемым энерговводом [3], например, применение много-контурных ГИТ [4].

Для определения параметров и режимов работы многоконтурных ГИТ, способных обеспечить заданное пространственно-временное распределение силовых нагрузок на объекте обработки также применим подход, основанный на решении обратных задач, однако алгоритм решения такой задачи отличается от описанного выше.

Рассматривался двухконтурный ГИТ при одинаковом напряжении заряда емкостных накопителей (рис.2).

Рис. 2

Алгоритм решения задачи:

- восстановление необходимого давления на подвижной границе расширяющегося в жидкости поршня P_п(t) и скорости его расширения v_п(t), обеспечивающих заданное давление в точке среды P(t);

- моделирование расширяющегося поршня с давлением P_п(t) и скоростью расширения v_п(t) плазменным каналом разряда с такими же P_п(t) и v_п(t);

- решение обратной электродинамической задачи по известным P_п(t) и v_п(t) и восстановление соответствующих мощности N(t) и тока I(t) в канале разряда;

- выбор аппроксимации мощности N(t), которая реализуется в результате работы первого контура ГИТ;

- определение индуктивности L, емкости C для двух контуров ГИТ и зарядного напряжения U_з. Адекватность аппроксимации мощности синусоидой подтверждена сравнением решения прямой гидродинамической задачи с экспериментом.

Описанный в работе подход позволяет методом компьютерного моделирования осуществлять научно-обоснованный выбор параметров и режимов работы ГИТ по известному из технологических требований давлению P(t) в точке рабочей среды. Для оптимизации РИТ, в которых на объект обработки воздействует волна сжатия, то есть задан импульс давления P(t), необходимо проводить расчёт по полной схеме, представленной на рис.1. Для РИТ, где применяется непосредственно высоковольтный разряд на объект обработки и параметром, определяющим интенсивность и характер воздействия на объект, служит давление в канале разряда P_a(t), расчет выполняется на базе ЭДПС, КФПС, ЭТПС. В случае необходимости получения наперёд заданного сложного двупульсационного импульса давления, расчёт необходимо проводить в соответствии с (рис. 2) и алгоритмом, приведенным для данного случая.

Литература:

1. Юткин, Л.А. Электрогидравлический эффект/ Л.А. Юткин // Москва: Машгиз, 1955.-50с.

2. Вовченко, А.И. Математическое моделирование и оптимизация электрогидроимпульсных технологических процессов / А.И.Вовченко, В.В.Шамко, А.М.Шишов// Техн. Електродинамика. – 2005.-№3.-С.68-73

3. Вовченко, А.И. Управляемые электровзрывные процессы преобразования энергии в конденсированных средах / А.И.Вовченко, А.А.Посохов// Киев: Наук.думка, 1992.-168с.

4. Друмирецкий, В.Б. Управление электрогидроимпульсными процессами / В.Б.Друмирецкий, И.Т.Вовк, Е.В.Кривицкий, Л.Е.Овчиникова// Киев: Наук. Думка, 1984. – 188с.