Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування

In the article, the method of numerical calculation of dependence of the current of a high voltage glow discharge electron gun from the parameters of the electromagnetic valve as the element of a gas-dynamic control system is considered. The analytical relation has been obtained which allows to appr...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Melnyk, Igor V., Tuhai, Borys A., Tuhai, Serhii B.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 2016
Schlagworte:	електронна гармата високовольтного тліючого розряду газодинамічна система керування струмом розряду електромагнітний натікач дозувальний пристрій
Online Zugang:	https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/85401
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	System research and information technologies
Завантажити файл:

Institution

System research and information technologies

_version_	1866301823207342080
author	Melnyk, Igor V. Tuhai, Borys A. Tuhai, Serhii B.
author_facet	Melnyk, Igor V. Tuhai, Borys A. Tuhai, Serhii B.
author_sort	Melnyk, Igor V.
baseUrl_str	http://journal.iasa.kpi.ua/oai
collection	OJS
datestamp_date	2018-03-30T15:27:13Z
description	In the article, the method of numerical calculation of dependence of the current of a high voltage glow discharge electron gun from the parameters of the electromagnetic valve as the element of a gas-dynamic control system is considered. The analytical relation has been obtained which allows to approximate with the high accuracy the dependence of the current of an electron gun from the voltage on the coil of an electromagnetic valve. Obtained results are very interesting to the engineers in the area of designing of electron-beam equipment.
doi_str_mv	10.20535/SRIT.2308-8893.2016.3.01
first_indexed	2025-07-17T10:20:52Z
format	Article
fulltext	 І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай, 2016 Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 7 TIДC ПРОГРЕСИВНІ ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ, ВИСОКОПРОДУКТИВНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ УДК 533.9.07:537.533 DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2016.3.01 МОДЕЛЮВАННЯ ТА АПРОКСИМАЦІЯ ЗАЛЕЖНОСТІ СТРУМУ ЕЛЕКТРОННОЇ ГАРМАТИ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ ВІД НАПРУГИ НА ОБМОТЦІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО НАТІКАЧА ЯК ЕЛЕМЕНТА ГАЗОДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ І.В. МЕЛЬНИК, Б.А. ТУГАЙ, С.Б. ТУГАЙ Анотація. Розглянуто спосіб числового розрахунку залежності струму елект- ронної гармати високовольтного тліючого розряду від параметрів електромаг- нітного натікача як елемента газодинамічної системи керування. Знайдено аналітичне співвідношення, за допомогою якого можна з високою точністю апроксимувати залежність струму гармати від напруги на обмотці електромаг- нітного натікача. Отримані результати становлять інтерес для проектувальни- ків електронно-променевого технологічного обладнання. Ключові слова: електронна гармата високовольтного тліючого розряду, газо- динамічна система керування струмом розряду, електромагнітний натікач, до- зувальний пристрій. ВСТУП Сучасні електронно-променеві технології, які широко застосовуються в електроніці, приладобудуванні, машинобудуванні та в металургії, потре- бують розроблення та впровадження нових типів джерел електронів. До та- ких джерел електронів належать джерела електронів високовольтного тлію- чого розряду (ВТР), які вирізняються відносною простотою, низькою вартістю, а також високою надійністю та стабільністю роботи в різному га- зовому середовищі, зокрема в середовищі інертних та активних технологіч- них газів [1–5]. Фізичні основи функціонування джерел електронів ВТР по- лягають у тому, що під дією бомбардування прискореними іонами з поверхні катода емітуються вільні електрони, які прискорюються в елект- ричному полі катодного падіння потенціалу. Головною фізичною особливіс- тю існування ВТР є наявність об’єму анодної плазми, яка є квазінейтраль- ною і має яскраво виражену межу [1]. Сформований та сфокусований електронний пучок виводиться в технологічну камеру, де він використову- ється для термічного оброблення виробів. Принцип роботи джерел електро- нів ВТР наочно проілюстровано на рис. 1 [1, 2]. І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 8 Незважаючи на відносно невисоку питому потужність електронного пучка, який формується у ВТР, газорозрядні джерела електронів мають пев- ні переваги перед джерелами електронів із розжарюваними катодами, які зазвичай використовуються у промисловості. Зокрема, джерела електронів ВТР забезпечують формування електронних пучків зі складною геометрич- ною формою, мають великий термін роботи холодних катодів, які, до речі, легко замінюються, можуть стабільно працювати у широкому діапазоні тис- ку та в різному газовому середовищі. Використання джерел електронів ВТР дозволяє також значною мірою спростити технологічне електронно- променеве обладнання [1 – 5]. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ Однією із головних проблем використання джерел електронів ВТР у проми- словому технологічному обладнанні є необхідність стабілізації потужності електронного пучка. За умови постійної напруги горіння розряду ця проблема зводиться до стабілізації його струму. Зазвичай для вирішення цієї пробле- ми використовують газодинамічні системи керування струмом розряду, принцип дії яких полягає у стабілізації струму розряду через зміну тиску в розрядному проміжку, що реалізується шляхом регулювання вхідного по- току газу в камеру джерела електронів [6 – 8]. Проте сьогодні проблема роз- роблення газорозрядних систем керування струмом ВТР полягає в тому, що досі немає точних та адекватних математичних моделей, які пов’язували б значення струму ВТР із параметрами регулювального елемента, що змінює газовий потік. Розроблення такої моделі є метою цієї роботи. ++ 1 2 4 5 3 Робочий газ Відкачування Uпр – + 8 7 6 Рис. 1. Ілюстрація принципу формування електронного пучка в гарматах ВТР: 1 — катод; 2 — анод; 3 — іонний потік; 4 — електронний пучок; 5 — анодна плазма; 6 — променепровід; 7 — високовольтне джерело живлення; 8 — ізолятор Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати … Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 9 ФУНКЦІОНАЛЬНА МОДЕЛЬ ГАЗОДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ СТРУМОМ РОЗРЯДУ Вольт-амперна характеристика джерел електронів ВТР описується аналітич- ним співвідношенням [1, 6] nmUapI пргг  , (1) де гI — струм джерела електронів; гp — тиск у камері джерела електронів; прU — прискорювальна напруга; nma ,, — напівемпіричні сталі, які зале- жать від роду газу, матеріалу катода та від геометрії електродної системи. Коефіцієнти m та n у співвідношенні (1) зазвичай змінюються в діапазоні 2 – 4 [1, 6]. Газодинамічний спосіб керування струмом газорозрядних джерел елек- тронів полягає в тому, що струм розряду змінюється через регулювання вхід- ного газового потоку в камеру електронної гармати за умови її неперервного відкачування. Цей спосіб регулювання зумовлений ступеневою залежністю струму розряду від тиску газу, яка визначається співвідношенням (1). Кероване натікання газу в камеру електронної гармати здійснюється за допомогою натікачів, які можуть працювати як у ручному, так і в автоматич- ному режимі роботи [7, 8]. Проте вимоги до стабільності більшості технологічних процесів електронно-променевих технологій потребують застосування автоматичних систем керування з малою сталою часу [7, 8]. Схему функціональної моделі типової газодинамічної системи автома- тичного керування струмом ВТР з електромагнітним натікачем показано на рис. 2 [7, 8]. 12 Uн 5 6 pa Газ Qг 87 pг Iг 4 1 3Rд Iг Iк pк Qлп Qвід 2 9 pм Газ 10 11 Рис. 2. Функціональна модель системи автоматичного керування струмом елект- ронної гармати ВТР: 1 — електронна гармата; 2 — променепровід; 3 — датчик струму гармати; 4 — електронний регулятор; 5 — натікач газу з електромагнітним приводом; 6 — дозувальний пристрій натікача; 7 — газова камера натікача; 8 — канал для напускання газу в електронну гармату; 9 — вакуумна камера; 10 — ва- куумопровід; 11 — вакуумний насос; 12 — система керування І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 10 У цій схемі датчиком струму електронної гармати є низькоомний опір 3, який послідовно підключений у низьковольтну ділянку живлення. Електромагнітний натікач має прямоходовий електромагнітний привід, який жорстко з’єднаний з рухомою частиною дозувального пристрою. Натікач працює в аналоговому режимі, що забезпечує високу стабільність та надій- ність його роботи. Відкачування електронної гармати разом з технологічною камерою здійснюється безперервно. Конструктивну схему дозувального пристрою натікача зображено на рис. 3. У процесі роботи гармати сигнал з датчика струму надходить в електрон- ний блок керування 4. Тут вхідний сигнал порівнюється із заданою опорною напругою, підсилюється і сформований різницевий сигнал надходить на об- мотку електромагнітного натікача. Таким чином, залежно від величини сиг- налу керувальної дії натікач змінює потік газу в камеру електронної гарма- ти, яка безперервно відкачується. Тобто в результаті роботи газодинамічної системи керування у камері електронної гармати встановлюється такий тиск, який відповідає наперед заданому значенню струму гармати. Незважаючи на уяв- ну простоту розглянутого способу керування через інерційність газодинаміч- них процесів протікання газу та приводів вико- нувальних пристроїв, помітно знижується швид- кість регулювання струму розряду, що обмежує динамічні характеристи- ки системи і збільшує сталу часу керування [7, 8]. Складність розроб- лення ефективних систем керування значною мірою стримує впровадження у промисловість перспек- тивних електронних гармат ВТР, незважаючи на істотні їх переваги. Поліпшити характеристики газодинамічних систем керування можна вибо- ром оптимальних значень параметрів системи відкачування та напускання газу, параметрів налаштування електронного регулятора, а також розроб- лення електромагнітних натікачів із відповідними газодинамічними та електромеханічними характеристиками. Вирішення цієї складної науково- технічної проблеми відчутно спрощується з використанням засобів комп’ютерного моделювання [7, 8]. Проте існуючі математичні моделі газодинамічних систем керування не враховують нелінійність залежності струму ВТР від напруги на вході натікача, що значно ускладнює можливості аналізу роботи системи керування у динамічному режимі. Пошук таких за- лежностей є предметом дослідження цієї роботи. r1 r2 a b r3 r4 l h2 h1 α P1 P2 P3 P4 Рис. 3. Конструктивна схема дозувального пристрою та його головні геометричні розміри Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати … Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 11 УЗАГАЛЬНЕНА МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ КЕРУВАННЯ СТРУМОМ ЕЛЕКТРОННОЇ ГАРМАТИ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ Під час формування математичної моделі системи керування, зображеної на рис. 2, газодинамічна система відкачування та напускання газу розглядалась як система із зосередженими параметрами, а об’єми променепроводів та ви- ділення газу з робочих поверхонь не враховувались. Також передбачалось, що швидкодія вакуумного насоса 11 є сталою величиною в широкому діапа- зоні робочих тисків, що взагалі характерно для вакуумного обладнання, яке використовується у сучасному електронно-променевому устаткуванні. Уза- гальнену математичну модель газодинамічної системи автоматичного керу- вання струмом електронних гармат ВТР можна записати у вигляді системи наступних алгебро-диференціальних рівнянь [7, 8]: 1) рівняння електротехніки, які описують баланс струму на обмотці на- тікача; 2) рівняння механіки, які описують динаміку приводу натікача; 3) рівняння газодинаміки, які описують газодинамічні властивості до- зувального пристрою натікача залежно від його геометричних параметрів, наведених на рис. 3; 4) рівняння вакуумної техніки, які описують баланс газових потоків у вакуумній системі. Для формованої системи диференціальних рівнянь вхідним параметром моделі має бути керувальна напруга на натікачі Uн, а вихідним парамет- ром — струм гармати Iг (див. рис. 2). Динаміка електромагнітного приводу натікача із прямим рухом визна- чається системою із двох алгебро-диференціальних рівнянь, а саме: рівнян- ням балансу напруги у колі живлення електромагніта та умовою механічної рівноваги підпруженого штока натікача. За умови малих відхилень поло- ження штока ці рівняння записуються таким чином [7, 8]: ;н н ннн U dt Id LIR    ,тпе 1 2 н 2 н FFFF dt ld m n i i     (2) де нR , нL — активний опір та індуктивність обмотки натікача; нI , нU — струм та напруга на його обмотці; нm — маса рухомої частини штока наті- кача; нl — координата, яка визначає положення якоря зі штоком відносно сідла клапана (рис. 3); еF — тягова сила електромагніта; пF — сила пруж- ності пружини; тF — сила тертя. Величини еF , пF та тF розрахову- ються із співвідношень [7, 8]: ,кее ICF  ,нпп lСF  dt dl CF н кт  , (3) де еC — крутизна тягової характеристики електромагніта; пС — коефіцієнт жорсткості пружини; кC — коефіцієнт тертя. Як видно із рис. 3, дозувальний пристрій натікача являє собою клапан, пропускна здатність якого залежить від положення якоря нl та від значень тиску на вході елементів дозувального пристрою 321 ,, PPP і 4P . Відповідна І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 12 математична модель будується на основі рівнянь вакуумної техніки [9–12] (наведена у наступному підрозділі роботи). Математичну модель газодинамічної системи гармати із системою від- качування можна записати у вигляді системи диференціальних рівнянь, які описують умови балансу газових потоків у розрядній камері гармати та у технологічній камері електронно-променевого устаткування. Як видно із рис. 2, основними потоками, які визначають тиск у розрядній камері гарма- ти, є регульований потік газу гQ , що надходить у гармату через натікач та вакуумопровід, та потік газу лQ , який відповідає відкачуванню газу із гар- мати через променепровід. Тоді рівняння балансу газових потоків у розряд- ній камері гармати можна записати у вигляді [9 – 12]: ,лг г г QQ dt dp V  (4) де гV — об’єм розрядної камери гармати; гp — тиск у розрядній камері. Регульований потік газу в розрядну камеру гQ визначається згідно з основним рівнянням вакуумної техніки через провідність каналу гS , по якому надходить газ, та через різницю тисків 1P і 4P (рис. 3), тобто [9–12]: ,)()( гаг41гг ppSPPSQ  (5) де aP — атмосферний тиск; гp — тиск камер гармати. Відповідно потік газу, який відкачується із гармати через променепро- від, визначається через провідність променепроводу та різницю тисків у електронній гарматі та у вакуумній камері електронно-променевої установ- ки, а саме [9 – 12]: ),( кгпрл ppSQ  (6) де кp — тиск у технологічній камері. Розглянемо основні газові потоки, які є складовими частинами рівнянь (5), (6) і через які визначається тиск у вакуумній камері технологічної уста- новки. Згідно із рис. 2, такими потоками є потік, який надходить із гармати до вакуумної камери прQ , і потік 0Q , який відповідає відкачуванню газу із камери за допомогою вакуумного насоса. Рівняння балансу газових потоків у вакуумній камері технологічної установки можна подати у вигляді [9–12]: ,0л к к QQ dt dp V  (7) де кV — об’єм вакуумної камери. Потік газу Q0, який відповідає відкачуванню газу із камери, є пропор- ційним швидкості відкачування 0S і тиску в камері кp [9 – 12]: ,к00 pSQ  (8) а швидкість відкачування 0S визначається через швидкодію вакуумного насоса нS та провідність вS вакуумопроводу, який з’єднує насос із вакуум- ною камерою через співвідношення [9–12]: . 111 вн0 SSS  (9) Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати … Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 13 У свою чергу, швидкодія вакуумного насоса ,1 к м рн        p p SS (10) де рS — розрахункове значення швидкодії насоса; мp — граничний мож- ливий тиск у насосі [9–12]. Зазвичай параметри рS і мp наводяться у технічному паспорті на вакуумне обладнання. Ураховуючи співвідношен- ня (9) і (10), формулу (8) можна переписати у вигляді [9 – 12]: ).( мк рв рв 0 pp SS SS Q    (11) Системі рівнянь (1) – (11) можна надати загального вигляду [7, 8]:                         . ),()( ),()( ),( , , пргг мк рв рв кгпр к к кглгаг г г гг н кнпне2 н 2 н н н ннн nmUраI pp SS SS ррS dt dp V ррSррS dt dp V tSS dt dl ClCIC dt ld m U dt dI LIR (12) Для розв’язання системи рівнянь (12) вихідним параметром об’єкта ке- рування є струм розряду гармати гI . Проте головну особливість з матема- тичної точки зору має рівняння вхідного газового потоку )(гг tSS  , яке описує перехідну характеристику натікача як керувального елемента систе- ми. У працях [7, 8] розглядалися узагальнені способи числового розв’язання системи (12) у лінійному наближенні, проте головні проблеми функціону- вання газодинамічних систем керування струмом через зміну тиску зумов- лені саме нелінійним характером системи (12). Зокрема, підбір параметрів натікача та стійкого алгоритму керування пов’язаний із нелінійним характе- ром залежності )( нг UI [7, 8]. Тому метою цієї роботи є дослідження уза- гальненої залежності )( нг UI у статичному режимі для розімкненої системи керування без зворотного зв’язку. АНАЛІЗ РОБОТИ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ БЕЗ ЗВОРОТНОГО ЗВ’ЯЗКУ У СТАТИЧНОМУ РЕЖИМІ Відповідно до узагальненої системи рівнянь (12) роботу електромагнітного натікача у статичному режимі можна описати спрощеною системою рів- нянь:      .0 , пннe ннн ClIC UIR (13) І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 14 Для конструкції дозувального пристрою натікача, схему якого зобра- жено на рис. 3, подамо у математичній формі зв’язок між геометричними конструктивними параметрами [9]: 21 hhb  , arr  13 ,         l rr 21arctgα , 2 23 сер rr r   . (14) З урахуванням системи рівнянь (13) можна записати [9]: . пн eн CR CU ba  (15) Одним з найскладніших завдань моделювання системи керування струмом електронної гармати ВТР є визначення вакуумної провідності до- зувального пристрою натікача. Загалом у літературі наводяться лише залеж- ності вакуумної провідності від геометричних параметрів трубопроводів та від тиску газу лише для систем із простою геометрією, зокрема для цилінд- ричних та конічних трубопроводів та для тонких діафрагм різного перерізу [10 – 12]. На основі цих літературних даних у праці [9] отримано аналітичні співвідношення для розрахунку вакуумної провідності дозувального при- строю натікача, показаного на рис. 3: , )α(ln)(ln )(101,445 4 34 1 ar aaK G d    , 001,0 )( 2 2   a a aKd , )(ln)(ln )( )(4 1072,2 сер1 2 сер 2 14 сер 4 1 1 3 2              rr rr rr h G .10088,1 2 4 14 3 h r G  (16) З урахуванням співвідношень (16) тиск на елементах дозувального при- строю можна визначити таким чином [9]: , 21 21 2 2 23 21 21 2 а 3 2 г2 2 а1 2 GG GG G GG GG GGp GpG pG P                        . 21 2 2 23 21 21 2 а 3 2 г 3                      GG G GG GG GGP Gp P (17) Тоді, згідно із співвідношеннями (16), (17), вакуумна провідність конс- трукції дозувального пристрою визначається з використанням основного рівняння вакуумної техніки [10 – 12]: ;а1 pP  );( 2111 PPGU  );( 3222 PPGU  );( г333 pPGU  (18) . 321 321 н UUU UUU S   Головна проблема розв’язування системи рівнянь (16) – (18) полягає в залежності значень тиску у співвідношеннях (17) від тиску в розрядній камері гармати гp . Тому якщо система рівнянь (16) для провідностей еле- ментів дозувального пристрою натікача, отримана у праці [9], є зімкнена і незалежна, системи рівнянь (17) і (18) є взаємопов’язаними. Значення тис- ків 2P і 3P на елементах конструкції дозувального пристрою натікача мож- Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати … Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 15 на визначати лише ітераційно з використанням числових методів [13]. Вва- жаючи, що згідно із фізикою горіння ВТР значення тиску гp лежить у діапазоні 1–10 Па, систему рівнянь (17), (18) можна розв’язати методом золотого перерізу [13]. У комп’ютерній програмі, розробленій для моделю- вання газодинамічних систем керування струмом гармат ВТР, для обчис- лення значення pг зазвичай достатньо п’яти-шести ітерацій. Отримані залеж- ності струму гармати від напруги на натікачі для різних значень крутості тягової характеристики електромагніта eC , опору обмотки нR та приско- рювальної напруги прU наведено на рис. 4 а – в. Усі розрахунки виконува- лися з використанням співвідношень (14)–(18) для таких геометричних па- раметрів дозувального пристрою: м; 02,0b м; 03,0l м; 02,04 r м; 001,01 r м; 0002,02 r рад. 001,0 Із наведених залежностей зрозуміло, що зі збільшенням крутості тяго- вої характеристики електромагніта та коефіцієнта пружності пружини кру- тість залежності )( нг UI також стає більшою. Це дає змогу стабілізувати струм керувальним сигналом меншої амплітуди за менший час, проте у цьому разі можливі сплески амплітуди струму гармати через виникнення ефекту перекерування [7, 8]. Тому в реальних системах керування зазвичай обирають параметри натікача із середнім кутом нахилу керувальної харак- теристики. Кут нахилу залежності )( нг UI збільшується також зі зменшен- ням опору обмотки натікача нR (рис. 4, б). Зрозуміло, що зі збільшенням прискорювальної напруги збільшуються струм гармати та крутизна керу- вальної характеристики (рис. 4, в). Варто зазначити, що на всіх керувальних характеристиках за умови великих значень напруги нU кут нахилу значно зменшується, тобто електромагнітний натікач як керувальний елемент сис- теми працює з ефектом насичення. Це зумовлено тим, що, як видно із рис. 3, за умови великих значень координати рухомої частини штока нl , коли наті- кач уже майже повністю відкритий, газовий потік у розрядну камеру гарма- ти майже не змінюється. Виконані розрахунки якісно цілком відповідають параметрам розробленої системи керування, кількісна розбіжність розраху- нкових та експериментальних даних не перевищувала 15–20%. АПРОКСИМАЦІЯ КЕРУВАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ СТРУМОМ ГАЗОРОЗРЯДНОЇ ГАРМАТИ Оскільки залежності, наведені на рис. 4, розраховані з використанням чис- лових алгоритмів, для реалізації алгоритму керування на практиці важливо мати апроксимацію залежності )( нг UfI  для заданих геометричних та конструктивних параметрів дозувального пристрою натікача. Аналіз отри- маних функціональних залежностей )( нг UI показав, що для такої апрокси- мації з невеликим значенням похибки можна використати функцію помилок із параметрами 1a та 2a [14]: .))((exp 2 ))(( н 0 2 2 12 н21г dUUa a UaaI U     (19) І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 16 Рис. 4. Залежності струму електронної гармати ВТР від напруги на вході натікача для значень: крутості тягової характеристики електромагніта eC (a), опору обмот- ки нR (б), прискорювальної напруги прU (в): а — Rн = 10 Ом, Uпр = 15 кВ, 1 — Cе = =0,5 кг/А, 2 — Cе = 0,8 кг/А, 3 — Cе = 1 кг/А, 4 — Cе = 1,2 кг/А, 5 — Cе = 1,5 кг/А, 6 — Cе = 1,8 кг/А; б — Cе = 1 кг/А, Uпр = 15 кВ, 1 — Rн = 20 Ом, 2 — Rн = 15 Ом, 3 — Rн = 12 Ом, 4 — Rн = 10, 5 — Rн = 8 Ом; в — Rн = 10 Ом, Cе = 1 кг/А, 1 — Uпр = =10 кВ, 2 — Uпр = 15 кВ, 3 — Uпр = 20 кВ 1 2 34 5 1 2 3 456 1 2 3 а б в Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати … Системні дослідження та інформаційні технології, 2016, № 3 17 Наприклад, залежність 3, наведену на рис. 4, а, можна записати у ви- гляді функціональної залежності, заданої співвідношенням (19): UdUUUI U     н 0 2 ннг )0,030625(exp 3 )175,0(5,1)( . (20) Апроксимація даних проводилась за умови maxг1 ]A[ Ia  , а значення коефіцієнта     B 1 2a визначалось з використанням засобів числових та аналі- тичних розрахунків системи MatLab за методикою, описаною у праці [6]. Отримана похибка апроксимації не перевищувала одиниць відсотків. На рис. 5 подано функцію  нг UI , яка відповідає залежності 3 на рис. 4, а, а також її апроксимацію з використанням співвідношення (20). ВИСНОВКИ У роботі з використанням засобів комп’ютерного моделювання отримано залежності струму електронних гармат ВТР від напруги на електромагніт- ному натікачі для різних параметрів дозувального пристрою газодинамічної системи керування без зворотного зв’язку, а також знайдено аналітичну фу- нкцію, яка дозволяє апроксимувати ці залежності. Теоретичні дослідження показали, що похибка апроксиамції для обраної аналітичної функції не пе- ревищує кількох відсотків. Отримані в роботі результати є цікавими для спеціалістів, які займаються проектуванням газодинамічних систем керу- вання для електронно-променевого технологічного обладнання. Рис Рис. 5. Апроксимація залежності )( нг UI з використанням співвідношення (20): 1 — початкові значення; 2 — апроксимовані значення Uн, В Iг, А 1 2 І.В. Мельник, Б.А. Тугай, С.Б. Тугай ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2016, № 3 18 ЛІТЕРАТУРА 1. Новиков А.А. Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда с анодной плазмой / А.А. Новиков. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 96 с. 2. Плазменные процессы в технологических электронных пушках / М.А. Завья- лов, Ю.Е. Крейндель, А.А. Новиков, Л.П. Шантурин. — М.: Атомиздат, 1989. — 256 с. 3. Ладохин С.В. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / С.В. Ла- дохин, Н.И. Левитский, В.Б. Черннявский и др. — К.: Сталь, 2007. — 605 с. 4. Feinaeugle P. A new generation of plasma-based electron beam sources with high power density as a novel tool for high-rate PVD, Society of Vacuum Coaters / P. Feinaeugle, G. Mattausch, S. Schmidt, F.H. Roegner // 54-th Annual Technical Conference Proceedings, Chicago. — 2011. — P. 202–209. 5. Mattausch G. Gas discharge electron sources – proven and novel tools for thin-film technologies / G. Mattausch, B. Zimmermann, F. Fietzke etc. // Elektrotechnica and Electronica (E+E). —2014. — 49, № 5 – 6. — P. 183–195. 6. Мельник И.В. Аппроксимация вольт-амперных характеристик технологических источников электронов высоковольтного тлеющего разряда с использова- нием средств системы MatLab / И.В. Мельник // Вестн. Херс. нац. техн. ун- та. — Херсон, 2009. — Вып. 2 (35). — С. 299–305. 7. Денбновецький С.В. Моделювання процесу автоматичного керування струмом газорозрядного електропроменевого нагрівача / С.В. Денбновецький, К.О. Костюченко, В.І. Мельник и др. // Электроника и связь. —2014. — 9, № 22. — С. 15 – 17. 8. Denbnovetsky S.V. Model of control of glow discharge electron gun current for microe- lectronics production applications / S.V. Denbnovetsky, V.I. Melnyk, I.V. Melnyk, B.A. Tugay // Proceedings of SPIE. Sixth International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics. — 2013. — Vol. 5065. — P. 64–76. 9. Мельник И.В. Исследование пропускной способности дозирующего устройства натекателя газа для газоразрядной электронной пушки / И.В. Мельник, С.Б. Tугай // Электроника и связь, № 5 (64), 2011. — С. 25–30. 10. Пипко А.И. Конструирование и расчет вакуумных систем / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А.Пенчко. — М.: Энергия, 1979. — 504 с. 11. Гейнце В. Введение в вакуумную технику: в 2 т. / В.М. Гейнце. — М.–Л.: Гос- энергоиздат, 1960. — Т. 1. Физические основы вакуумной техники. — 511 с. 12. Тягунов Г.А. Основы расчета вакуумных систем / Г.А. Тягунов. — М.–Л.: Гос- энергоиздат, 1948. — 148 с. 13. Васильев В.П. Численные методы решения экстремальных задач / В.П. Василь- ев. — М.: Наука, 1988. — 552 с. 14. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. — М.: Наука, Гл. ред. Физико-математ. лит-ры, 1986. — 723 с. Надійшла 04.04.2016
id	journaliasakpiua-article-85401
institution	System research and information technologies
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2025-07-17T10:20:52Z
publishDate	2016
publisher	The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
record_format	ojs
resource_txt_mv	journaliasakpiua/8a/473357030e55b0e3864676405357438a.pdf
spelling	journaliasakpiua-article-854012018-03-30T15:27:13Z Simulation and approximation of dependence of the current of the high voltage glow discharge electron gun from the voltage on the coil of electromagnetic valve as the element of a gas-dynamic control system Моделирование и аппроксимация зависимости тока электронной пушки высоковольтного тлеющего разряда от напряжения на обмотке электромагнитного натекателя как элемента газодинамической системы управления Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування Melnyk, Igor V. Tuhai, Borys A. Tuhai, Serhii B. high voltage glow discharge electron gun gas-dynamic control system of discharge current electromagnetic valve proportioning device электронная пушка высоковольтного тлеющего разряда газодинамическая система управления током разряда электромагнитный натекатель дозирующее устройство електронна гармата високовольтного тліючого розряду газодинамічна система керування струмом розряду електромагнітний натікач дозувальний пристрій In the article, the method of numerical calculation of dependence of the current of a high voltage glow discharge electron gun from the parameters of the electromagnetic valve as the element of a gas-dynamic control system is considered. The analytical relation has been obtained which allows to approximate with the high accuracy the dependence of the current of an electron gun from the voltage on the coil of an electromagnetic valve. Obtained results are very interesting to the engineers in the area of designing of electron-beam equipment. Рассмотрен метод численного расчета зависимости тока электронной пушки высоковольтного тлеющего разряда от параметров электромагнитного натекателя как элемента газодинамической системы управления. Найдено аналитическое соотношение, с помощью которого можно с высокой точностью аппроксимировать зависимость тока пушки от напряжения на обмотке электромагнитного натекателя. Полученные результаты представляют интерес для проектировщиков электронно-лучевого технологического оборудования. Розглянуто спосіб числового розрахунку залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого розряду від параметрів електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування. Знайдено аналітичне співвідношення, за допомогою якого можна з високою точністю апроксимувати залежність струму гармати від напруги на обмотці електромагнітного натікача. Отримані результати становлять інтерес для проектувальників електронно-променевого технологічного обладнання. The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 2016-09-26 Article Article application/pdf https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/85401 10.20535/SRIT.2308-8893.2016.3.01 System research and information technologies; No. 3 (2016); 7-18 Системные исследования и информационные технологии; № 3 (2016); 7-18 Системні дослідження та інформаційні технології; № 3 (2016); 7-18 2308-8893 1681-6048 uk https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/85401/81085 Copyright (c) 2021 System research and information technologies
spellingShingle	електронна гармата високовольтного тліючого розряду газодинамічна система керування струмом розряду електромагнітний натікач дозувальний пристрій Melnyk, Igor V. Tuhai, Borys A. Tuhai, Serhii B. Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title	Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title_alt	Simulation and approximation of dependence of the current of the high voltage glow discharge electron gun from the voltage on the coil of electromagnetic valve as the element of a gas-dynamic control system Моделирование и аппроксимация зависимости тока электронной пушки высоковольтного тлеющего разряда от напряжения на обмотке электромагнитного натекателя как элемента газодинамической системы управления
title_full	Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title_fullStr	Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title_full_unstemmed	Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title_short	Моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
title_sort	моделювання та апроксимація залежності струму електронної гармати високовольтного тліючого разряду від напруги на обмотці електромагнітного натікача як елемента газодинамічної системи керування
topic	електронна гармата високовольтного тліючого розряду газодинамічна система керування струмом розряду електромагнітний натікач дозувальний пристрій
topic_facet	high voltage glow discharge electron gun gas-dynamic control system of discharge current electromagnetic valve proportioning device электронная пушка высоковольтного тлеющего разряда газодинамическая система управления током разряда электромагнитный натекатель дозирующее устройство електронна гармата високовольтного тліючого розряду газодинамічна система керування струмом розряду електромагнітний натікач дозувальний пристрій
url	https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/85401
work_keys_str_mv	AT melnykigorv simulationandapproximationofdependenceofthecurrentofthehighvoltageglowdischargeelectrongunfromthevoltageonthecoilofelectromagneticvalveastheelementofagasdynamiccontrolsystem AT tuhaiborysa simulationandapproximationofdependenceofthecurrentofthehighvoltageglowdischargeelectrongunfromthevoltageonthecoilofelectromagneticvalveastheelementofagasdynamiccontrolsystem AT tuhaiserhiib simulationandapproximationofdependenceofthecurrentofthehighvoltageglowdischargeelectrongunfromthevoltageonthecoilofelectromagneticvalveastheelementofagasdynamiccontrolsystem AT melnykigorv modelirovanieiapproksimaciâzavisimostitokaélektronnojpuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâdaotnaprâženiânaobmotkeélektromagnitnogonatekatelâkakélementagazodinamičeskojsistemyupravleniâ AT tuhaiborysa modelirovanieiapproksimaciâzavisimostitokaélektronnojpuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâdaotnaprâženiânaobmotkeélektromagnitnogonatekatelâkakélementagazodinamičeskojsistemyupravleniâ AT tuhaiserhiib modelirovanieiapproksimaciâzavisimostitokaélektronnojpuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâdaotnaprâženiânaobmotkeélektromagnitnogonatekatelâkakélementagazodinamičeskojsistemyupravleniâ AT melnykigorv modelûvannâtaaproksimacíâzaležnostístrumuelektronnoígarmativisokovolʹtnogotlíûčogorazrâduvídnapruginaobmotcíelektromagnítnogonatíkačaâkelementagazodinamíčnoísistemikeruvannâ AT tuhaiborysa modelûvannâtaaproksimacíâzaležnostístrumuelektronnoígarmativisokovolʹtnogotlíûčogorazrâduvídnapruginaobmotcíelektromagnítnogonatíkačaâkelementagazodinamíčnoísistemikeruvannâ AT tuhaiserhiib modelûvannâtaaproksimacíâzaležnostístrumuelektronnoígarmativisokovolʹtnogotlíûčogorazrâduvídnapruginaobmotcíelektromagnítnogonatíkačaâkelementagazodinamíčnoísistemikeruvannâ

Institution

Ähnliche Einträge