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淺談脈沖功率技術的概念和應用

來源:未知 瀏覽次數: 日期:2019-04-10 15:17

 

文主要是關于脈沖功率技術的相關介紹,并著重對脈沖功率技術的概念及其應用進行了相近的闡述。

  脈沖功率技術

 

  脈沖功率技術,就是將緩慢儲存起來的具有較高密度的能量,進行快速壓縮,轉換或者直接釋放給負載的電物理技術。被廣泛應用在國防科研、高新技術研究和民用工業等諸多領域中。

 

  脈沖功率系統發展概述

  1、脈沖功率裝置的構成。

  脈沖功率技術,就是將緩慢儲存起來的具有較高密度的能量,進行快速壓縮,轉換或者直接釋放給負載的電物理技術。其實質是將脈沖能量在時間尺度上進行壓縮,以獲得在極短時間內的高峰值功率輸出。該技術是為滿足國防科研需要而發展起來的一門新興科學技術,它是獲得強流相對性電子束或離子束的重要手段,被廣泛應用在國防科研、高新技術研究和民用工業等諸多領域中。

  現階段常用的初級能源主要包括:以電場形式儲能的電容器或者Marx發生器、具有磁能的電感或者脈沖變壓器、具有一定轉動慣量的各類機械發電機、化學能裝置、核能裝置。常用的中間儲能系統和脈沖成形系統包括:脈沖變壓器、容性傳輸線(形成線)、感性儲能器、磁通壓縮器(磁放大器)、磁流體發電機的通道發電系統、以及使用機械能的感應發電系統等。轉換系統包括了電源內各種轉換開關,包括閉合開關和斷路開關兩類。各種開關根據其應用方式不同可以分布在脈沖電源的不同位置。高功率脈沖電源首先將能量儲存于初級能源,而后通過中間儲能和脈沖形成系統充電,最后經過壓縮、脈沖成形或轉化等過程后,快速放電給負載。

  2、國內外功率脈沖技術的發展歷史和研究現狀。

  20世紀30年代,人們開始嘗試使用電容放電產生X射線,這就是功率脈沖技術的起源。從1964年,世界上第1臺強流電子束加速器SMOG(3MV,50kA,30ns)研制成功后,美、日、蘇及歐洲許多先進國家的主要實驗室都先后建造了眾多的高功率脈沖裝置。

  Sandia實驗室在1986年研制出的脈沖功率裝置PBFA-II(12MV,8.4MA,40ns)是世界上第1個闖過100TW大關的脈沖功率裝置。我國的高脈沖功率技術起步相對較晚,上世紀70年代,王淦昌教授領導的研究小組正式開始高功率脈沖電子束發生器的研究。1979年北京高能物理所建成了當時我國最大的強流脈沖電子束加速器閃光-I,應用于γ射線模擬源。之后一系列強流脈沖電子束加速器的建成,為我國在集體離子加速、準分子激光、電磁軌道炮、閃光X射線照相、高功率微波等高新技術領域的研究創造了較好的條件。

  脈沖功率技術在環境工程領域的應用

  1、靜電除塵。

  傳統的直流高壓靜電除塵方式在實際應用中所受粉塵比電阻限制比較嚴重,尤其是高比電阻粉塵導電率較小,極易積聚于集塵極上,直至積累到一定程度后,大量電荷難以實現有序釋放,導致反電暈情況出現,嚴重影響粉塵收集率。與此同時,比電阻較小的塵粒的電導率較高,極易向集塵極釋放負電荷,并帶上正電荷。在電機電場力作用下,塵粒被重新推入到氣流中。此種情況表明,通過靜電除塵器難以有效的清除比電阻小的粉塵顆粒。而脈沖功率技術能夠促進以上問題的有效解決,高壓脈沖產生一定電暈流,直接貫穿于極間,逐步延伸至積塵層,高比電阻積塵層擊穿后,釋放層上積聚的電荷,從而有效的提高除塵效率。與此同時,脈沖電暈能夠產生一定數量的高能電子,這些電子的數量較多且分布均勻,能夠產生更多的活性粒子,在以靜電吸附粉塵離子的同時,通過等離子體消除粉塵中夾帶的有機物分析和二氧化硫等,從而促進脫硫脫硝的有效實現。與傳統的直流高壓靜電除塵方式相比,脈沖靜電除塵方式更節省能量,并改善除塵效率。

  2、臭氧制取。

  臭氧是一種強氧化性氣體,在殺菌、氧化以及漂白等方面都具有重要作用,臭氧無色無臭無強腐蝕性,以空氣為主要制備原料,在突變電廠作用下,氣體分子中原有少量載流子從外電場中獲得能量,通過與氣體分子碰撞與電離,實現氧分子的分解和氧原子的瞬間結合,從而形成臭氧。脈沖功率技術在臭氧制取方面發揮著重要的作用,有助于提高臭氧生產效率。在臭氧反應器提供雙極性窄脈沖火花隙高壓開關的電源中,通過對互相垂直的旋轉球隙的有效利用,促進正負直流高壓的斬波的實現,在對脈沖電容進行充電后,通過另一對相互垂直的旋轉球隙為反應器進行供電。在對脈沖電容及反應器匹配情況進行適度調整后,電壓脈沖前沿和寬度得以實現,并以旋轉球隙的轉速對脈沖頻率進行調節,從而促進臭氧的成功制取。

  3、廢水處理。

  由于輸出電壓波形具有窄脈沖特點,在高壓脈沖電源作用下,液相內非平衡電極之間的處理對象分子結構會發生一定程度的改變,促使質量較輕的電子逐漸變為高能自由電子,運動過程中與其他分子碰撞后,水相化學反應生成,在活性物質的作用下,水中有機物被講解,從而實現廢水的有效處理。

  關于脈沖功率技術的發展趨勢

  1、由單次脈沖向重復的高平均功率脈沖發展。

  過去脈沖功率技術主要為國防科研服務,并且大多是單次運行,而工業、民用的脈沖功率技術要求一定的平均功率,必須重復頻率工作。

  2、儲能技術--研制高儲能密度的電源。

  在很多應用場合下,脈沖功率系統的體積和重量的大小是決定性因素,如飛機探測水下物體技術、艦載電磁炮等,都要求產生很大的脈沖功率,而且系統又不能過于龐大和笨重。

  3、開關技術--探討新的大功率開關和研制高重復頻率開關。

  開關元件的參數直接影響整個脈沖功率系統的性能,是脈沖功率技術中一個重要的關鍵技術。具有耐高電壓強電流、擊穿時延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復的脈沖下穩定工作的各種類型開關元件的研制,是當前國內外脈沖功率技術中又一個十分受重視的研究課題。

  4、積極開辟新的應用領域。

  近年來,脈沖功率技術在半導體、集成電路、化工、環境工程、醫療等領域的應用研究,已引起各界的廣泛重視,而且在某些應用研究中,已取得了可喜的進展。憑借成功應用的經驗,脈沖功率技術將更多地應用于民用技術方面,民用是一個巨大的市場,而市場的推動又必將給脈沖功率技術的發展帶來新的生機。脈沖功率技術是現代電力電子技術中的一項重要內容,作為非平衡態等離子體中的重要方式,近年來逐漸被廣泛應用于環境工程領域內,在處理環境污染的過程中,其具備高效、節能、清潔且便捷等優勢,具有廣闊的應用前景。

  脈沖功率技術的架構

 

  脈沖功率(pulsed power)的實質是將脈沖能量在時間尺度上進行壓縮,以獲得在極短時間內(20~100ns)的高峰值功率輸出。

  淺談脈沖功率技術的概念和應用

  脈沖功率系統一般由初始儲能技術(電容器儲能、電感器儲能、超導儲能、機械儲能、化學儲能、核能等)產生所需的初級脈沖波形(毫秒到微秒量級),然后再利用脈沖成形和開關技術,在時間尺度上通過對能量的脈沖進行壓縮、整形,實現輸出脈沖峰值功率的放大,并輸出到負載,為高科技裝置和新概念武器提供強電脈沖功率源。下面本文主要根據當今脈沖功率技術發展介紹主要儲能系統及脈沖壓縮成形系統相關內容。

  淺談脈沖功率技術的概念和應用

  淺談脈沖功率技術的概念和應用

  圖示1:脈沖功率系統構成拓撲圖

  一、儲能或脈沖發生系統

  目前脈沖功率技術的儲能方法有:電容儲能、電感儲能、化學儲能、機械儲能等幾種。

  01電容器儲能型系統

  電容儲能是被研究最早的一種儲能方式,也是目前應用最廣的儲能方式。其技術成熟,可用于毫秒、微妙、納秒量級的脈沖功率裝置中。作為儲能器件,具有容量大、內部電感極小、耐壓高的特性,儲能達數千焦耳至數兆焦耳,缺點是儲能密度低,在107J以上的裝置上使用不夠經濟。

  02電感儲能型電源系統

  相比電容儲能,電感儲能的儲能密度高,系統體積小、重量輕、造價降低,因此應用電感儲能有潛力得到更高的能量利用率和脈沖功率,并且電感儲能系統的絕緣問題相對容易解決。目前被廣泛應用于等離子體物理、強激光、電磁輻射等研究領域。

  03化學儲能電源系統

  化學儲能實際上就是利用儲能材料相接觸時發生化學反應,而通過熱能與化學能的轉換儲存能量儲存起來。它具有很高的儲能密度(例如TNT炸藥儲能密度為5.25*10^3J/cm³)。并且它們又能快速脈沖地釋放和轉換成電脈沖,所以現代脈沖功率技術常采用化學能的脈沖發電裝置,除高儲能密度的電化學電源(如蓄電池)外,常用的還有各種形式的磁通壓縮發生器(發電機)、脈沖磁流體發電機和磁流體電容器等。

  04機械儲能電源系統

  機械儲能裝置最常見的是脈沖發電機和單機發電機,并且多是先用透平機或電動機把大質量飛輪驅動起來旋轉到高速度,使飛輪慣性地儲存動能,然后突然轉接到脈沖發電機的轉子軸上,使其產生電脈沖輸出,同時飛輪因釋能而被減速或停轉。

  二、脈沖壓縮或成形系統

  脈沖成形系統是通過能量或時間壓縮方法,對儲能或發生系統輸出的功率脈沖進行整形和變窄,以達到需要的脈沖功率值和脈沖形狀以及脈寬的要求。主要有以下幾種類型:

  01脈沖功率變壓器

  脈沖功率變壓器不同于一般的脈沖變壓器,它具有大脈沖功率容量,主要用它改變電壓和電流幅值,以及壓縮和改變脈沖形狀,主要有4類:①雙諧振脈沖變壓器;②電纜繞組型脈沖變壓器(空心和鐵心的);③納秒脈沖變流器;④特殊脈沖變壓器,包括馬丁式、HPG饋電式、自耦三段式、非均勻傳輸線式、串級式脈沖變壓器。

  02大功率短路開關

  大功率短路開關可以隔離或閉合脈沖功率裝置,轉換能量,縮短脈沖前沿和壓縮脈沖,從而改變脈沖形狀。大功率短路開關種類繁多,主要有:①用電極觸發的氣體放電開關(包括三電極放電器和四電極短路開關);②激光觸發的短路開關;③觸發真空開關(包括平面電極型、同軸電極型、桿排電極型、圓筒陽極型和金屬等離子體電弧開關);④固體開關(包括可控固體開關、半導體功率器件和光電導通脈沖功率開關);⑤表面放電開關;⑥自擊穿開關(包括二電極自擊穿開關和多開關型整流器);⑦大功率氣體和液體場畸變開關;⑧連續-重復脈沖開關;⑨磁開關。

  大功率斷路開關常用于電感儲能脈沖功率裝置,其功能是切斷電路、升高電壓和時間壓縮脈沖,主要有:①電爆炸導體斷路開關(金屬絲或箔);②等離子體融蝕斷路開關(融蝕模型和雪犁模型);③機械式斷流器(包括真空斷流器、波紋式斷流器和受控固體斷路開關);④金屬等離子體弧開關;⑤交叉場管;⑥等離子體槍或DPF開關;⑦熱驅動斷路開關;⑧超導斷路開關;⑨非線性電阻固體開關;⑩反射開關;電子束控制開關(含閉合功能);炸藥爆炸斷路開關(單向碎裂型和無感型)。



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