Високовольтні джерела живлення фізико-аналітичного обладнання

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Найважливіші напрямки розвитку сучасної напівпровідникової електроніки, однієї з визначальних науково-технічний прогрес галузей, зв'язані з зменшенням розмірів приладів (з підвищенням ступеня інтеграції), з поліпшенням їх параметрів і характеристик, з збільшенням їх надійності і довговічності, з збільшенням відсотка виходу придатних виробів. Водночас іде процес наукового пошуку нових напівпровідникових матеріалів, використання нових фізичних принципів, що дозволять освоїти більш високі частотні діапазони, істотно підвищити швидкодію приладів і т.д.

Успіхи у виробництві напівпровідникових приладів в значній мірі визначаються як технологічними можливостями процесів, що використовуються, так і оснащеністю технологічного процесу фізико-аналітичним обладнанням (ФАО) контролю робочого середовища і властивостей напівпровідникових структур.

Сучасні прилади дослідження і контролю поверхні являють собою складні насичені електронікою автоматизовані комплекси, головною складовою частиною яких є джерела живлення електродів електронних і іонних зондів і датчиків. Від якості вихідних напруг цих джерел залежить реалізація граничних точностних можливостей фізико-аналітичної частини комплексу. Особлива відповідальність покладається на якість високих напруг живлення електродів електронних і іонних гармат, різноманітних оптичних систем елементарних часток, вторинно-електронних і фотоелектронних помножувачів. Для отримання просторового розділення, відповідного часткам мікрона, і точності реєстрації порядку одиниць, а в деяких випадках і часток відсотка, величина нестабільності живильних напруг повинна бути менше (короткочасна нестабільність при цьому вимагається як мінімум на порядок вище), пульсації не повинні перевищувати декількох десятків, а інколи і одиниць мВ. Для забезпечення дослідження структур різноманітних речовин в оптимальних режимах вимагається широкодіапазонна перебудова величини вихідної напруги джерел живлення.

Типовими режимами роботи високовольтних джерел, навантажених на електронні і іонні гармати, є режим роботи при пробоях в колах навантаження, що може мати місце при розпилювальних процесах у випадках падіння вакууму, і інші аварійні режими, що достатньо часто зустрічаються при ручному керуванні складними технологічними системами. Тому правильний розрахунок високовольтних кіл і наявність схем захисту в джерелах живлення необхідні для нормальної роботи обладнання.

Слід відзначити, що ряд приладів фізико-аналітичних систем, наприклад, рентгенівська трубка в рентгенівській фотоелектронній спектрометрії, вимагає від високовольтного джерела живлення підвищеної потужності (до декількох кіловат). При цьому зберігаються достатньо жорсткі вимоги до стабільності і пульсацій вихідної напруги.

Сучасні установки дослідження і контролю поверхні речовини є дорогими об'єктами і їх простій призводить до значних збитків для підприємства. Тому важливою проблемою, що виникає при проектуванні джерел живлення, є забезпечення їх високої надійності.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з розділами державних бюджетних тем: “Системи безперебійного електроживлення технічних комплексів при довгострокових відключеннях електроенергії” (№2847, номер державної реєстрації - 0195U027095), “Теоретичне обґрунтування створення спеціальних типів джерел живлення сучасних енергозберігаючих технологій” (№2039, номер державної реєстрації - 0196U009074), згідно координаційного плану НАН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (код 1.9.2.2.1.2.8; 1.9.2.2.2.2.17; 1.9.2.2.2.3.4), а також у відповідності з Державною науково-технічною програмою Міністерства України у справах науки і технологій на 1997-1998р.р. “Високоефективні енергозберігаючі електротехнологічні та електротехнічні системи” (шифр - 04.08 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”), що виконувалися на кафедрі теоретичної електротехніки НТУУ “КПІ”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точностних показників високовольтних джерел живлення ФАО, поліпшення їх енергетичних характеристик, підвищення надійності функціонування на основі дослідження різних режимів роботи елементів і вузлів, а також розробка більш точних у порівнянні з існуючими методик їх розрахунку, формулювання рекомендацій по проектуванню.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:

- аналіз впливу нестабільності живильних напруг на параметри технологічних пристроїв і узагальнення вимог до стабільності і пульсацій високих напруг джерел живлення;

- аналіз існуючих принципів побудови стабілізованих джерел живлення високої напруги та вибір найбільш доцільних засобів її отримання;

- розвиток методик та розробка моделей для обчислення усталених і перехідних режимів роботи високовольтних джерел живлення;

- дослідження особливостей режимів роботи і побудова моделі перетворювача при живленні від джерела струму;

- проведення експериментальних досліджень, що дають можливість обґрунтувати правильність вихідних припущень і вірогідність отриманих наукових положень і результатів, ефективність запропонованих технічних рішень; практичне використання результатів досліджень.

Об'єкт та предмет дослідження. Досліджуються високовольтні напівпровідникові перетворювачі на предмет підвищення їх ефективності.

Засоби дослідження. В роботі використані: засоби математичного і фізичного моделювання, теорія лінійних і нелінійних диференціальних рівнянь, способи апроксимації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- на підставі аналізу впливу якості високих напруг на вихідні параметри (паразитна модуляція, шуми, локальність аналізу і т. і.) технологічних приладів сформульовані вимоги до точностних параметрів конкретних джерел живлення, що є вихідними даними при проектуванні ДВЕЖ;

- розроблені нові математичні моделі для аналізу усталених процесів у перетворювачах типу “регульований імпульсний перетворювач - нерегульований інвертор” при різних алгоритмах керування, що дозволило розробити методику розрахунку силового кола перетворювача, яка точніше відомих визначає робочі струми і напруги в елементах схеми;

- розроблені математичні моделі регульованих перетворювачів з дроселем у первинному колі, які дозволили визначити їх регулювальні характеристики та можливості за потужністю і сформулювати рекомендації по застосуванню цього типу пристроїв у високовольтних джерелах живлення;

- запропонована методика аналізу процесів у помножувачах напруги при живленні їх від генератора змінної напруги або змінного струму прямокутної форми, яка дозволила отримати розрахункові співвідношення для пульсацій вихідної напруги помножувача і визначити найбільш прийнятні режими для практичного використання;

- розроблена методика визначення втрат потужності у помножувачах напруги при живленні їх від джерела змінної напруги прямокутної форми, яка дозволила визначити коефіцієнт корисної дії;

- запропонована і обґрунтована схема заміщення помножувачів напруги при живленні від генераторів струму у перехідних режимах, а також формули перерахунку параметрів помножувача до параметрів його схеми заміщення, що дозволило застосувати відомі методики, які використовуються для систем автоматичного регулювання з метою знаходження перехідних характеристик і аналізу їх динамічних властивостей;

- розроблена методика розрахунку параметрів кіл плавного пуску високовольтних джерел, яка дозволила забезпечити безпечний та безвідмовний запуск при включенні і відновлення їх властивостей після пробою в колах споживачів електричної енергії.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наведені в роботі висновки, залежності, графіки забезпечили можливість обґрунтованого вибору високовольтних джерел живлення та їх проектування. Отримані результати дозволили підвищити техніко-економічний рівень джерел вторинного електроживлення не тільки у фізико-аналітичному обладнанні, але й при загально промисловому застосуванні.

1. Вплив нестабільності живильних напруг встановлений ступінь її впливу на параметри оже-спектрометрів, вторинно-іонних спектрометрів та рентгенівського фотоелектронного спектрометра

Сучасні оже-спектрометри мають у своєму складі системи реєстрації, побудовані за принципом модуляційного диференціювання (модулюється відхиляючий потенціал аналізатора). При такому типі реєстрації отриманий вторинний спектр оже-сигналу вільний від постійної складової, зумовленої струмом фонових електронів. Крім того, вторинний оже-спектр очищений від флуктуацій сигналу і фону, частота яких не входить в смугу прозорості системи реєстрації. При цьому стають виразними оже-піки, які в силу своєї малості не були помітні на фоні вторинних і не пружно відбитих електронів в первинному спектрі.

Слід відзначити, що у розглянутій системі реєстрації завада може накластися на вихідний сигнал або по каналу прямого проходження, або якщо її частотний спектр входить в смугу прозорості тракту реєстрації. При цьому для високих живильних напруг характерні наступні види нестабільності: - повільні, що пояснюються тимчасовими та температурними дрейфами параметрів радіоелементів, що входять в схеми джерел живлення. Такого роду нестабільності зумовлюють неточність кількісного відліку величини оже-сигналу через деякий проміжок часу, що пройшов з моменту калібрування спектрометра; - пульсації напруги частоти мережі або кратні їй, що пояснюються неповною фільтрацією випрямленої напруги мережі і неповним їх відпрацюванням системою стабілізації джерел. Звичайно завади, викликані ними, практично не послаблюються трактом реєстрації спектрометрів;- пульсації напруги робочої частоти перетворення джерел живлення. Вони практично не виявляють впливу на реєстрований оже-сигнал, але впливають на локальність аналізу спектрометра (на діаметр зондувального пучка - електронний пучок практично безінерційний); - завади мережі, зумовлені вмиканням-вимиканням різних електричних машин, освітлювального обладнання, інших електричних установок, спектр яких надзвичайно широкий (від часток герца до десятків-сотень мегагерц).

Нестабільність прискорювальної напруги електронної гармати зумовлює паразитну модуляцію (неточність кількісного відліку величини) оже-піка. Ступінь впливу легко встановити з формули:

, (1)

де - відповідно повний струм оже-електронів та його приріст; - відповідно енергія первинних електронів та її приріст.

Вираз (1) визначає вимогу, яка пред'являється до прискорювальної напруги: паразитна модуляція оже-піка не повинна перевищувати величину нестабільності прискорювальної напруги (значення - декілька відсотків).

Крім того, стабільність прискорюючої напруги впливає на постійність фонового струму. Найбільш небезпечні тут пульсації частоти мережі (або кратної їй), тому що вони потрапляють в смугу прозорості системи реєстрації, зашумлюючи корисний сигнал. Ступінь впливу визначається з виразу:

. (2)

Якщо необхідно забезпечити виявлення оже-піка на фоні вторинних і не пружно відбитих електронів, що перевищує корисний сигнал на чотири порядки, то нестабільність прискорювальної напруги не повинна перевищувати .

Вплив нестабільності високої напруги фокусуючого електрода на стабільність струму зондувального електронного променя визначається виразом:

, (3)

де - напруга на модуляторі.

Вираз (3) визначає вимоги до якості живильних напруг виходячи з стабільності струму електронного променя.

Модуляційні характеристики та фокусуючі властивості іонних гармат принципових відмін від електронних не мають. Проте використання інших фізичних процесів, що лежать в основі вторинно-іонних мас-спектрометрів (ВІМС), і іншої інтегральної (зумовленої практично відсутністю фону) системи реєстрації накладає ряд специфічних вимог на параметри високих живильних напруг електродів іонних зондувальних гармат. Так при допустимому рівні паразитної модуляції сигналу, який реєструється, в один відсоток, нестабільність живильних іонний зонд високих напруг не повинна перевищувати 0,5.

Отримані вимоги до якості високих живильних напруг справедливі і для забезпечення постійності швидкості травлення (пошарового розпилення досліджуваного зразка іонами інертних газів) поверхні заданого зразка. Нестабільність живильних напруг не виявляє ніякого впливу на збільшення діаметру зондувального пучка, якщо вона в декілька разів менше величини власного теплового шуму іонів:

.

У рентгено-фотоелектронному спектрометрі (РФЕС) в якості зонда замість потоку (променя) електронів використовується направлене рентгенівське випромінювання. На відзнаку від електронних і іонних гармат локальність аналізу в РФЕС не залежить від напруг, які живлять джерело рентгенівського випромінювання (рентгенівську трубку), і визначається лише геометрією трубки. Якість сигналу, який реєструється в РФЕС, залежить тільки від стабільності анодної напруги. Вимоги до стабільності анодної напруги живлення рентгенівської трубки при необхідній точності реєстрації практично такі ж, що й для ВІМС.

2. Аналіз електромагнітних процесів в основних типах перетворювачів, які застосовуються у фізико-аналітичних пристроях

Розглянуті основні типи побудови стабілізованих джерел живлення високої напруги. Визначені енергетичні можливості різних схем перетворювачів напруги (ПН), які використовуються для побудови високовольтних ДВЕЖ пристроїв ФАО з урахуванням індуктивності розсіювання підвищувального трансформатора. Вихідна потужність ПН, який живиться від джерела напруги, визначається виразом:

, (4)

де ­ струм короткого замикання; ­ коефіцієнт завантаження по струму. Вихідна потужність ПН, який живиться від джерела струму,

, (5)

де ; .

Для обох типів перетворювачів отримана умова граничного енергетичного режиму, який визначається коефіцієнтом :

. (6)

Аналіз показує, що даний режим визначено на кордоні двох областей, тобто однаково справедливий як для живлення інвертора від джерела струму, так і для живлення інвертора від джерела ЕРС.

Визначені згладжуючи можливості ПН типу регульований конвертор - нерегульований інвертор з дроселем у вхідному колі інвертора:

, (7)

де - коефіцієнт передачі схеми.

Аналіз виразу (4) показує, що згладжуючи властивості перетворювача з живленням від проміжного джерела струму найбільш яскраво виявляються при малих і , а при заданих і найбільш радикальним шляхом збільшення згладжуючих властивостей є підвищення живильної напруги (при цьому водночас зменшуються та ), а також зменшення індуктивності розсіювання трансформатора.

В роботі обґрунтована можливість застосування регульованих перетворювачів з дроселем у вхідному колі. Для цих типів перетворювачів отримані регулювальні характеристики та визначені можливості за потужністю.

Розглянуто високовольтний перетворювач з одним керованим ключем, для якого визначені коефіцієнти передачі для безперервного та переривчастого струму дроселя:

, (8)

, (9)

де ,.

Перетворювач працює в режимі безперервного струму, коли:

, (10)

і в режимі переривчастого струму, коли:

. (11)

Даний перетворювач може бути використаний в однофазному випрямлячі, який використовується для формування кривої вхідного струму з високим коефіцієнтом потужності.

В багатьох випадках необхідно забезпечувати гальванічну розв'язку між входом і виходом. Це можна зробити шляхом розподілу конденсатора на два і вмикання в схему трансформатора.

Забезпечити високий ККД і гальванічну розв'язку кіл дозволяють двохключеві перетворювачі.

Коефіцієнти передачі схем відповідно дорівнюють в режимі безперервного вхідного струму:

, (12)

в режимі переривчастого струму:

. (13)

Результати теоретичних досліджень і експерименту показали, що схема має всі основні властивості класичних підвищувальних схем, забезпечує гальванічну розв'язку навантаження і мережі, і на відзнаку від двотактної схеми транзистори в ній знаходяться під меншими напругами.

3. Дослідження схем помножувачів напруги (ПМН) при живленні їх від генераторів змінної напруги прямокутної форми і від генераторів змінного струму прямокутної форми

Показано, що розрахунок ПМН при живленні від генераторів змінної напруги прямокутної форми можна виконувати по формулам, отриманим для живлення ПМН від генератора змінної напруги синусоїдної форми. При роботі на ємнісне навантаження відбувається зменшення пульсацій вихідної напруги пропорційно збільшенню вихідної ємності. Наприклад, для схеми ПМН розмах змінної складової на виході дорівнює:

, (14)

де ­ кількість каскадів множення; ­ відповідно ємності конденсаторів ПМН і навантаження.

Порівняння по цьому параметру ПМН з конденсатором на виході і без нього показує, що виграш по пульсаціям пропорційний сумарній ємності, підімкненій до навантаження, і складає раз.

При живленні ПМН від генератора змінної напруги прямокутної форми величина втрат потужності з достатнім ступенем точності визначається значенням вихідного опору ПМН і величиною струму навантаження:

. (15)

Встановлені переваги режиму живлення різних схем ПМН від генератора струму прямокутної форми і знайдені основні параметри, що визначають роботу помножувача: коефіцієнт множення напруги, форми та значення розмаху пульсацій вихідної напруги, параметри вхідної напруги, максимальне значення зворотної напруги на діодах. Наприклад, для схеми ПМН розмах змінної складової вихідної напруги:

, (16)

(при живленні від генератора ЭРС );

Мінімальне та максимальне значення вхідної напруги().

, (17)

, (18)

де - середнє значення вхідної напруги.

Максимальна зворотна напруга на діодах:

. (19)

Таким чином максимальне значення вхідної напруги, напруги на закритих діодах і напруги на конденсаторах залежать як від числа ступенів множення, так і від струму навантаження, ємності конденсаторів та частоти.

В роботі показано, що ПМН з живленням від генератора змінного струму прямокутної форми мають меншу величину пульсацій вихідної напруги у порівнянні з режимом живлення від генератора змінної напруги при інших рівних параметрах (для схеми з послідовним ввімкненням конденсаторів на 20-30 %; для схеми з паралельно ввімкненими конденсаторами на 40-50 %; для мостової схеми в 3-5 разів).

В четвертому розділі проведено аналіз перехідних процесів у високовольтних джерелах живлення: у вихідних фільтрах при пробоях, у колах навантаження; в ПМН при живленні від генератора змінного струму, а також процеси вмикання високовольтного джерела. Для зручності користування і наочності при розрахунку результати подані таблично. В динамічних режимах ПМН, який живиться від генератора змінного струму, еквівалентний по входу двохнапівпериодному випрямлячу з ємнісним фільтром, ємність якого залежить від схеми ПМН і визначається по отриманим виразам. Для визначення пускових струмів запропоновано силове коло високовольтного джерела звести до конфігурації понижуючого конвертора. При цьому для визначення еквівалентної ємності LC-фільтру необхідно користуватися виведеними формулами перерахунку ємності помножувача і відомими формулами перерахунку номіналів елементів через роздільний трансформатор. Запропонована методика розрахунку кола плавного пуску, яке вбудоване в імпульсний модулятор.

В додатку наведені акти впровадження результатів роботи у промисловості і у навчальний процес.

Висновки

У дисертаційній роботі на підставі теоретичних досліджень та обчислювальних експериментів розроблено математичні моделі складових частин високовольтних джерел живлення фізико-аналітичного обладнання, які дозволяють проводити аналіз процесів в силовий частині та розрахунок джерел живлення з урахуванням їх точнісних показників.

Сукупність отриманих результатів складає суттєвий внесок у подальший розвиток ефективних перетворювальних пристроїв, які широко застосовуються у народному господарстві.

1. Встановлено вплив ступеня якості високих живильних напруг на вихідні параметри (паразитна модуляція, шуми, локальність аналізу і т.п.) оже-спектрометрів, вторинно-іонних мас-спектрометрів, рентгеноелектронних спектрометрів, що дозволяє, виходячи з можливості забезпечення граничних, потенційно закладених у методах дослідження точністних параметрів приладів фізико-аналітичного аналізу, сформулювати вимоги до точністних параметрів конкретних джерел живлення, які є вхідними даними при проектуванні ДВЕЖ.

2. Розроблені нові математичні моделі і отримані графічні залежності, які визначають регулювальні, енергетичні, граничні енергетичні характеристики перетворювачів напруги типу "регульований конвертор - нерегульований інвертор" при різних алгоритмах керування конвертором. Моделі отримані з урахуванням найбільш істотного паразитного параметру перетворювача напруги - індуктивності розсіювання підвищувального трансформатора інвертора, яка у високовольтних трансформаторах має значну величину. Такий підхід дозволив розробити методику розрахунку силового кола перетворювача, яка значно точніше раніше відомих визначає робочі струми та напруги в елементах схеми, і завдяки цьому підвищує вірогідність проектування.

3. Показана можливість і доцільність застосування регульованих інверторів з дроселем у первинному колі при побудові високовольтних ДВЕЖ. При врахуванні індуктивності розсіювання підвищувальних трансформаторів уточнені їх регулювальні характеристики і визначені потужності можливості, а також сформульовані рекомендації по застосуванню цього типу пристроїв у високовольтних джерелах живлення.

4. Запропонована методика аналізу процесів у помножувачах напруги при живленні від генератора змінної напруги прямокутної форми на навантаження ємнісного характеру. Показано, що ємнісна складова навантаження зменшує пульсації вихідної напруги помножувача та знижує його вихідний опір, що робить цей режим більш прийнятним для практичного використання.

5. Розроблена методика визначення втрат потужності у помножувачах напруги, працюючих від генератора змінної напруги прямокутної форми. Показано, що втрати потужності з достатнім ступенем точності визначаються значенням вихідного опору помножувачів - параметру, який у досліджених раніше режимах вважався тільки показником ступеня м'якості вихідної характеристики помножувачів. Виведені співвідношення дозволяють враховувати встановлений факт при проектуванні високовольтних ДВЕЖ, завдяки чому підвищити якість проектування.

6. Запропонована методика аналізу процесів, які відбуваються при живленні помножувачів від генератора змінного струму прямокутної форми, в основних однофазних схемах помножувачів напруги. Визначені форми та розмах пульсацій вихідної напруги помножувачів, параметри напруги вхідного джерела струму, максимальні зворотні напруги на діодах помножувачів. Встановлено, що пульсації вихідної напруги у цьому режимі значно знижуються у порівнянні з режимом живлення помножувачів від генератора змінної напруги, особливо для мостової схеми помножувача. Це, окрім відомого факту відсутності імпульсних перевантажень за струмом у режимі живлення від генератора змінного струму, робить цей режим живлення помножувачів більш прийнятним для практичного використання.

7. Проаналізовані процеси у високовольтних джерелах у перехідних режимах, запропонована методика розрахунку перенапруг на резисторах RС-фільтрів при пробоях в колах навантаження - типового режиму роботи високовольтних джерел.

8. Запропонована і обґрунтована схема заміщення помножувачів напруги при живленні від генератора струму у перехідних режимах та формули перерахунку параметрів помножувача до параметрів його схеми заміщення, а також показана можливість застосування відомих методик аналізу джерел живлення, як систем автоматичного керування, з метою знаходження перехідних характеристик і аналізу їх динамічних властивостей.

9. З урахуванням схеми заміщення помножувачів напруги розроблена методика розрахунку параметрів кіл плавного пуску високовольтних джерел, які дозволять забезпечити безпечний і безвідмовний запуск джерел при вмиканні і відновленні їх властивостей після пробою в колах споживачів електричної енергії.

10. Вірогідність та обґрунтування наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням конкретних методів досліджень збігом розрахунків з експериментальними даними і раніше відомими за літературними джерелами даними.

11. Результати досліджень та рекомендацій дисертаційної роботи використані при розробці напівпровідникових перетворювачів і в навчальному процесі.

високовольтний живильний технологічний усталений

Література

1. Сенько Л.И., Чехет Э.М. Структура и особенности построения схемы управления тиристорного преобразователя частоты с однократной модуляцией // Проблемы технической электродинамики. - 1975. - №50. - С. 75-78.

2. Сенько Л.И., Чехет Э.М. Система управления преобразователем частоты с однократной модуляцией на элементах серии “Логика-Т” // Проблемы технической электродинамики. - 1976. - №57. - С. 48-52.

3. Сенько Л.И., Чехет Э.М. Результаты экспериментального исследования тиристорного преобразователя частоты с однократной модуляцией // Проблемы технической электродинамики. - 1976. - №57. - С. 69-72.

4. Сенько Е.В. Сенько Л.И., Абдуалла О.А., Жаруша Х. Широтно-импульсные преобразователи с микропроцессорным управлением // Электроника и связь. - 1997. - №2, ч. 1. - С. 155-156.

5. Сенько Е.В. Сенько Л.И., Бензин А., Жаруша Х. Математическая модель входного преобразователя // Электроника и связь. - 1998. - №4, ч. 1. - С. 192-195.

6. Сенько В.И., Юрченко Н.Н. Сенько Е.В. Сенько Л.И., Жаруша Х. Математическая модель асинхронного двигателя, питающегося от автономного инвертора // Проблемы автоматизированного электропривода. Вестник Харьковского Государственного политехнического университета. - 1998. - С. 133-136.

7. Сенько В.И., Сенько Е.В. Сенько Л.И. Улучшение гармонического состава выходного тока инвертора тока // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: Системи керування та контролю напівпровідникових перетворювачів. - 1999. - С. 38-40.

Размещено на Allbest.ru