ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ МОЩНОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА С МНОГОУРОВНЕВОЙ ЗАЩИТОЙ Российский патент 2025 года по МПК H01S3/13 

Область техники

Изобретение относится к области лазерной техники высокой мощности, а именно к системам питания лазерных диодов накачки мощного волоконного лазера с многоуровневой защитой при нештатных критических ситуациях.

Уровень техники

Высокомощные волоконные лазеры с накачкой лазерными диодами, благодаря высокой мощности выходного излучения от киловатта до десятков киловатт, компактному исполнению, отсутствию юстируемых деталей, исключительной устойчивости к внешним механическим и климатическим воздействиям, возможности доставки излучения по протяженному оптоволоконному кабелю на десятки метров от лазерного модуля, и относительно низкой цене, находят широкое применение в самых разнообразных промышленных процессах: обработке материалов, маркировке деталей и изделий, резке и сварке металлов.

Эти устройства являются технологичными в изготовлении, имеют большой ресурс работы и практически не нуждаются в обслуживании при эксплуатации. Компонуются мощные волоконные лазеры объединением волоконных лазерных модулей киловаттного диапазона. Поэтому сам лазерный модуль - это основа мощного лазера и его мощностные характеристики определяют в целом суммарную выходную мощность волоконного лазера. По существу лазерный модуль - это преобразователь мощности оптического излучения лазерных диодов накачки, которое необходимо для возбуждения активного волокна, легированного ионами редкоземельных элементов, в мощность лазерного излучение на выходе активного волокна. Максимальная выходная мощность уже сегодня достигает двух и более киловатт для каждого модуля, а суммарная мощность по всем модулям не ограничивается уровнем 100 кВт. Поэтому вопрос надежной безаварийной эксплуатации мощного волоконного лазера, прежде всего, непосредственно связан с надежностью работы каждого лазерного модуля и электронной системы питания, питающей лазерные диоды накачки. Лазерные диоды предназначены для обеспечения накачки активного волокна определённым уровнем мощности излучения на более короткой длине волны, непоглощенная часть которого отсекается волоконным фильтром на брэгговской решетке. Коэффициент преобразования оптической мощности при этом очень высокий и достигает 80%. Уровень мощности определяется током в цепочке лазерных диодов и ток этот задают выше порогового значения, когда начинается высвечивание. Ниже порога ток темновой - лазерный диод не излучает. Поэтому нет необходимости обнулять ток в цепи лазерных диодов как это реализуется во многих схемотехнических решениях. Сброс тока до нуля усугубляет условия работы лазерного диода, создает излишний температурный стресс и замедляет время его включения до требуемой мощности. Кроме того при охлаждении и разогреве изменяется длина волны излучения диода, что не желательно для накачки активного волокна и для фильтрации непоглощенной части излучения накачки. Это означает, что ввиду неполной фильтрации излучение накачки может присутствовать на выходе лазера, а это не всегда благоприятно в работе лазера.

Традиционно, для питания лазерных диодов используют источники тока, работающие на низких или высоких напряжениях (RU 2661450 C2, WO 2021202069 A1), что обеспечивает эффективность работы лазерных систем в различных условиях эксплуатации. Однако, эти решения включают в себя сложные системы преобразования переменного тока в постоянный и множественным управлением, применением соответствующих контроллеров.

Кроме этого, лазерные системы с традиционным источником тока по архитектуре линейного источника тока или понижающего неизолированного импульсного преобразователя со стабилизацией выходного тока, имеют существенный недостаток - необходимость применения средств защиты от выхода из строя (пробоя/короткого замыкания) электронных ключей. В таких источниках тока пробой любого ключа приводит к протеканию неконтролируемого тока через лазерные диоды. Это может вызывать чрезмерную накачку лазерной среды и может привести к перегоранию активного волокна и повреждению лазера, либо вызвать резкое повышение мощности выходного излучения с непредсказуемыми последствиями.

Предлагаемая система питания лазерных диодов мощного волоконного лазера лишена перечисленных выше недостатков и отличается многоуровневой защитой цепи питания от перегрузок и короткого замыкания, а также дополнительно обеспечивает защиту и оптимальный режим работы оптических устройств лазера.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является разработка простой и надежной электронной системы питания мощного волоконного лазера с накачкой активного волокна лазерными диодами накачки, в которой реализована многоуровневая защита цепей питания, а также защита оптических устройств волоконного лазера в критических ситуациях при их нештатной работе. При этом решаются задачи, связанные с предотвращением короткого замыкания во входной сети однофазной или трехфазной цепи питания, для обеспечения пожаро-электробезопасности оборудования, а также задачи с исключением самопроизвольного неконтролируемое протекание тока через лазерные диоды и с созданием релейного канала экстренного отключения питания в критических ситуациях, связанных с работой как самой системы питания, так и ряда оптических устройств. Для штатной работы электронной систем волоконного лазера необходимо обеспечить контроль состояния каждого лазерного модуля по уровню выходной мощности и его температуре разогрева, а также контроль обратного оптического отражения, кроме этого необходимо контролировать целостность протяженного оптического волокна в кабеле для доставки лазерного излучения к выходному оптическому устройству - к лазерной головке, предназначенной для конфигурации, фокусировки и углового отклонения лазерного пучка при выводе в пространство, а также контроль прозрачности оптики лазерной головки в части её запыления продуктами обработки материалов. Каждый контроль обеспечивается наличием соответствующего электронного датчика, сигнал от которого поступает как в центральный процессор, управляющий технологическими системами обеспечения и отображения информации о состоянии всех систем, так и в устройство управления защитным реле в системе питания для экстренного отключения от питающей сети. Достигается технический результат:

- многоуровневая защита электронной системы питания волоконного лазера при возникновении критических ситуаций как в цепи питания, так и в состоянии оптических устройств;

- предотвращение перегрузки во входной цепи питания переменным током при коротком замыкании во вторичной цепи преобразования;

- предотвращение протекания неконтролируемого тока через лазерные диоды накачки;

- создание релейного канала экстренного отключения от сети питания в критических ситуациях при нештатной работе оптических устройств и системы питания лазерных диодов накачки.

Предлагается электронная система питания мощного волоконного лазера с многоуровневой защитой содержит:

защитное реле, подключенное к преобразователю сетевого напряжения переменного тока в постоянное нестабилизированное напряжение, питающее один или более импульсный преобразователь напряжения, который подключен к цепочке лазерных диодов накачки лазерного модуля, а также содержит устройство управления защитным реле,

преобразователь сетевого напряжения содержит входной фильтр, выпрямительный мост и корректор коэффициента мощности;

импульсный преобразователь напряжения содержит ключи, трансформатор, мостовой диодный выпрямитель, LC-фильтр, а также измеритель тока и ШИМ-контроллер;

при этом каждая цепочка лазерных диодов накачки запитывается соответствующим током, уровень которого определяется ШИМ-контроллером посредством генерации управляющего ШИМ-сигнала на затворы ключей импульсного преобразователя на основании результатов измерения тока через лазерные диоды с помощью измерителя тока;

при этом устройство управления защитным реле по команде любого ШИМ-контроллера формирует сигнал срабатывания защитного реле и тем самым размыкает цепь питания случае возникновения неуправляемой ситуации.

Другие варианты реализации системы подробно обсуждаются ниже. Более того, следует понимать, что как вышеизложенная информация, так и последующее подробное описание являются просто иллюстративными примерами различных вариантов осуществления и предназначены для понимания природы и характера заявленных аспектов. Описанное может быть включено по меньшей мере в один вариант осуществления.

Краткое описание чертежей

Чертежи вместе с остальной частью описания служат для пояснения принципов и работы описанных и заявленных аспектов и вариантов реализации. Различные аспекты по меньшей мере одного варианта осуществления обсуждаются ниже со ссылкой на прилагаемые фигуры, которые не предназначены для изображения в масштабе. Фигуры включены для иллюстрации и дальнейшего понимания различных аспектов и вариантов реализации, они включены в данное описание и составляют его часть, но не предназначены для определения ограничений какого-либо конкретного варианта реализации. На фигурах каждый идентичный или почти идентичный компонент, или показанный на различных видах фигуры, обозначен одинаковой цифрой. Для ясности не каждый компонент может быть обозначен на каждой фигуре.

Фиг. 1 - функциональная схема системы питания волоконного лазера с многоуровневой защитой.

Подробное описание и пример осуществления

Указанная цель и технический результат достигаются применением архитектуры системы питания волоконного лазера с многоуровневой защитой, показанной на функциональной схеме - фиг. 1, которая содержит: защитное реле 1 для отключения источника 2 сетевого напряжения ~ 220/380 В однофазной или трехфазной сети переменного тока; преобразователь 3 сетевого напряжения сети переменного тока в постоянное нестабилизированное напряжение 4, в котором имеется входной фильтр 5, выпрямительный мост 6, и корректор 7 коэффициента мощности, который обеспечивает дополнительную фильтрацию и сглаживание постоянного нестабилизированного напряжения и высокий, более 0,9 , коэффициент мощности - cos; импульсный преобразователь 8 напряжения с обратной связью 9 по току, обеспечивающий задание и стабилизацию уровня тока по данным измерителя тока - 10 через каждую цепочку 11 лазерных диодов накачки для достижения необходимого уровня мощности излучения в накачиваемом активном волокне лазерного модуля 12. Каждая цепочка лазерных диодов имеет свой импульсный преобразователь 8, а каждый лазерный модуль может содержать одну и более цепочку 11 лазерных диодов накачки активного волокна, чтобы достичь требуемый уровень мощности излучения на выходе лазерного модуля.

Лазерные диоды имеют нестабильную во времени вольт-амперную характеристику, поэтому для обеспечения стабильности выходной оптической мощности требуется подключение лазерных диодов к источнику питания со стабилизированным выходным током, а уровень тока определяет выходную оптическую мощность накачки для возбуждения генерации излучения в активном волокне лазерного модуля 12 и, в итоге, определяет уровень выходной мощности лазера.

Для обеспечения требуемой выходной мощности излучения лазерного модуля, каждая цепочка 11 лазерных диодов накачки запитывается соответствующим током, уровень которого определяется ШИМ-контроллером 13, посредством генерации управляющего ШИМ-сигнала 14 на затворы ключей 15 полномостового импульсного преобразователя 8. Задание и поддержание тока на заданном уровне через лазерные диоды обеспечивается изменением коэффициента заполнения ШИМ-сигнала управления полномостовой схемой на основании результатов измерения тока через лазерные диоды с помощью измерителя тока 10. Блокировка затворов ключей полномостового импульсного преобразователя обеспечивает полное прекращение протекания тока через лазерные диоды накачки волоконного лазера, а порог темнового тока переводит лазерный диод в состояние ожидания генерации и позволяет быстрее включиться и выйти на заданный уровень мощности, по сравнению с вариантом полного обнуления тока.

Предлагаемая архитектура системы питания исключает протекание тока через лазерные диоды при пробое ключей 15 полномостового импульсного преобразователя 8 за счет наличия трансформатора 16 в составе схемы. Короткое замыкание в первичной цепи трансформатора не приводит к формированию постоянного тока во вторичной цепи. Однако, короткое замыкание в первичной цепи трансформатора создает опасность перегрузки однофазной или трехфазной сети переменного тока, а также возникновения пожара при разрушении изоляции подводящих проводов. Для обеспечения пожаро-электробезопасности оборудования применяется защитное реле 1 для размыкания напряжения сети переменного тока. Устройство управления защитным реле по команде любого ШИМ-контроллера формирует сигнал срабатывания защитного реле 1 и, тем самым, размыкает цепь питания в случае возникновения неуправляемой ситуации. Для выпрямления напряжения на выходе трансформатора 16 и его сглаживания служат мостовой диодный выпрямитель 17 и LC- фильтр 18, 19 соответственно.

Экстренное отключение цепи питания посредством реле 1 осуществляет устройство управления 20 защитным реле при поступлении на один из его входов 21 сигналов на отключение с любого датчика оптических устройств.

Таким образом в предложенной электронной системе одним из уровней защиты является:

- прекращение тока в любой цепочке лазерных диодов накачки лазерного модуля, путём завершения генерации ШИМ-сигнала 14 в цепи импульсного преобразователя 8;

- наличие трансформатора 16 в составе цепи импульсного преобразователя 8, в результате чего, короткое замыкание в первичной цепи импульсного преобразователя 8 не приводит к возникновению неконтролируемого роста тока в цепочке 11 лазерных диодов;

- размыкание сетевого напряжения однофазной или трехфазной сети переменного тока защитным реле 1, что обеспечивает защиту от перегрузки внешней однофазной или трехфазной сети переменного тока и обеспечивает пожаро-электробезопастность оборудования;

- размыкание сетевого напряжения однофазной или трехфазной сети переменного тока защитным реле 1 по сигналу с устройства управления 20 защитным реле 1 при поступлении в это устройство сигнала с любого электронного датчика защиты оптических устройств, а именно: с датчика температуры и выходной мощности излучения каждого лазерного модуля, с датчика контроля обратного отражения, с датчика контроля целостности протяженного оптического волокна в кабеле, с датчика контроля прозрачности оптики лазерной головки в части её запыления продуктами обработки материалов.

При реализации электронной системы питания волоконным лазером с накачкой лазерными диодами был использован корректор коэффициента мощности 7 на основе микросхемы UCC28070 фирмы Texas Instruments. Данная микросхема является двухфазным ШИМ-контроллером корректора коэффициента мощности работающая в режиме непрерывного тока дросселя. При помощи этой микросхемы выпрямленное выходное напряжение может быть увеличено до нескольких сот Вольт в случае использования в оптической схемы накачки мощных 1,5-2 кВт, и более, лазерных модулей. В таких модулях цепочка 11 последовательно включённых лазерных диодов может состоять из десяти и более диодов. Для примера, в реализованном варианте диодная последовательность состояла из 12 соединенных лазерных диодов с падением напряжения до 14,5 В на каждом лазерном диоде при токе 20 А (их суммарная мощность оптического излучения накачки около 1,7 кВт). Напряжение на выходе сетевого преобразователя напряжения 3 переменного тока в постоянное нестабилизированное напряжение для питания импульсного преобразователя напряжения 8 достигало 400 В. Это позволило обеспечить ток в нагрузке 20 А и устойчивый режим работы полномостового импульсного преобразователя 8. Коэффициент заполнения ШИМ-сигнала управления мостовым преобразователем не может превышать 50%, так как должна быть введена дополнительная задержка переключения для исключения сквозных токов через ключи полномостового преобразователя.

В качестве ключей мостового преобразователя применялись транзисторы IGT60R070D1 фирмы Infineon. Транзисторы выполнены из нитрида-галлия и имеют существенные преимущества перед кремниевыми транзисторами и транзисторами из арсенида галлия - быстродействие, работоспособность при высоких напряжениях и температурах позволяет использовать такие транзисторы в высоковольтных мощных импульсных блоках питания. Рабочее напряжение сток-исток до 600В, постоянный ток истока до 30А, время включения/выключения 10-14 нс. Для управления затворами силовых транзисторов требуются специальные микросхемы драйверы затвора, применялись микросхемы UCC27511A фирмы Texas Instruments обеспечивающие «быстрый» фронт/спад до 9/7 нс, ток заряда/разряда затворной емкости 4/8А.

В качестве защитного реле использовалось твердотельное реле ТТР2-МА05012-Л2Д фирмы ОВЕН. Рекомендуемый коммутируемый ток до 40А, предельный ток до 50А, время отключения не более 10 мс. Устройство управления защитным реле реализовано на микроконтроллере GD32F405RGT6 фирмы GigaDevice. Данный микроконтроллер имеет обширную периферию и частоту работы ярда 168МГц, что позволяет опрашивать большое количество датчиков, собирать всю информацию о состоянии системы и в случае возникновения опасной ситуации формировать сигнал на размыкание защитного реле.

Предложенное техническое решение можно использовать при проектировании и производстве мощных волоконных лазеров и усилителей для применения в различных технологических процессах обработки материалов посредством лазерной резки, сварки, наплавки, закалки, шлифовки.

Изобретение относится к области лазерной техники высокой мощности - к системам питания лазерных диодов накачки. Электронная система питания мощного волоконного лазера с многоуровневой защитой содержит: защитное реле, подключенное к преобразователю сетевого напряжения переменного тока в постоянное нестабилизированное напряжение, питающее один или более импульсный преобразователь напряжения, который подключен к цепочке лазерных диодов накачки лазерного модуля, а также содержит устройство управления защитным реле, преобразователь сетевого напряжения; импульсный преобразователь напряжения содержит ключи, трансформатор, мостовой диодный выпрямитель, LC-фильтр, а также измеритель тока и ШИМ-контроллер; каждая цепочка лазерных диодов накачки запитывается соответствующим током, уровень которого определяется ШИМ-контроллером на основании результатов измерения тока через лазерные диоды с помощью измерителя тока; при этом устройство управления защитным реле по команде любого ШИМ-контроллера формирует сигнал срабатывания защитного реле и размыкает цепь питания случае возникновения неуправляемой ситуации. Технический результат - многоуровневая защита электронной системы питания волоконного лазера. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронная система питания мощного волоконного лазера с многоуровневой защитой содержит:

защитное реле, подключенное к преобразователю сетевого напряжения переменного тока в постоянное нестабилизированное напряжение, питающее один или более импульсный преобразователь напряжения, который подключен к цепочке лазерных диодов накачки лазерного модуля, а также содержит устройство управления защитным реле,

преобразователь сетевого напряжения содержит входной фильтр, выпрямительный мост и корректор коэффициента мощности;

импульсный преобразователь напряжения содержит ключи, трансформатор, мостовой диодный выпрямитель, LC-фильтр, а также измеритель тока и ШИМ-контроллер;

при этом каждая цепочка лазерных диодов накачки запитывается соответствующим током, уровень которого определяется ШИМ-контроллером посредством генерации управляющего ШИМ-сигнала на затворы ключей импульсного преобразователя на основании результатов измерения тока через лазерные диоды с помощью измерителя тока;

при этом устройство управления защитным реле по команде любого ШИМ-контроллера формирует сигнал срабатывания защитного реле и тем самым размыкает цепь питания случае возникновения неуправляемой ситуации.

2. Электронная система по п. 1, в которой одним из уровней защиты является прекращение тока в любой цепочке лазерных диодов накачки лазерного модуля путём завершения генерации ШИМ-сигнала в цепи импульсного преобразователя.

3. Электронная система по п. 1, в которой одним из уровней защиты является наличие трансформатора в составе цепи импульсного преобразователя, в результате чего короткое замыкание в первичной цепи импульсного преобразователя не приводит к возникновению неконтролируемого роста тока в цепочке лазерных диодов.

4. Электронная система по п. 1, в которой одним из уровней защиты является размыкание сетевого напряжения однофазной или трехфазной сети переменного тока защитным реле, что обеспечивает защиту от перегрузки внешней однофазной или трехфазной сети переменного тока и обеспечивает пожаро-электробезопастность оборудования.

5. Электронная система по п. 2, в которой одним из уровней защиты является размыкание сетевого напряжения однофазной или трехфазной сети переменного тока защитным реле по сигналу с устройства управления защитным реле при поступлении в это устройство сигнала с любого электронного датчика защиты оптических устройств, а именно: с датчика температуры и выходной мощности излучения каждого лазерного модуля, с датчика контроля обратного отражения, с датчика контроля целостности протяженного оптического волокна в кабеле, с датчика контроля прозрачности оптики лазерной головки в части её запыления продуктами обработки материалов.