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脉冲功率技术简介

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  • 发布时间:2017/2/17 22:31:38
  • 作者:ly_yinhe

  脉冲功率(pulsed power)的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩,以获得在极短时间内(20~100ns)的高峰值功率输出。

脉冲功率

  脉冲功率系统一般由初始储能技术(电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能、核能等)产生所需的初级脉冲波形(毫秒到微秒量级),然后再利用脉冲成形和开关技术,在时间尺度上通过对能量的脉冲进行压缩、整形,实现输出脉冲峰值功率的放大,并输出到负载,为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。下面本文主要根据当今脉冲功率技术发展介绍主要储能系统及脉冲压缩成形系统相关内容。

脉冲功率系统构成拓扑图

图示1:脉冲功率系统构成拓扑图

储能或脉冲发生系统

  目前脉冲功率技术的储能方法有:电容储能、电感储能、化学储能、机械储能等几种。

01电容器储能型系统

  电容储能是被研究最早的一种储能方式,也是目前应用最广的储能方式。其技术成熟,可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。作为储能器件,具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性,储能达数千焦耳至数兆焦耳,缺点是储能密度低,在107J以上的装置上使用不够经济。

02电感储能型电源系统

  相比电容储能,电感储能的储能密度高,系统体积小、重量轻、造价降低,因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功率,并且电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。目前被广泛应用于等离子体物理、强激光、电磁辐射等研究领域。

03化学储能电源系统

  化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应,而通过热能与化学能的转换储存能量储存起来。它具有很高的储能密度(例如TNT炸药储能密度为5.25*10^3J/cm³)。并且它们又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲,所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置,除高储能密度的电化学电源(如蓄电池)外,常用的还有各种形式的磁通压缩发生器(发电机)、脉冲磁流体发电机和磁流体电容器等。

04机械储能电源系统

  机械储能装置最常见的是脉冲发电机和单机发电机,并且多是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来旋转到高速度,使飞轮惯性地储存动能,然后突然转接到脉冲发电机的转子轴上,使其产生电脉冲输出,同时飞轮因释能而被减速或停转。

脉冲压缩或成形系统

  脉冲成形系统是通过能量或时间压缩方法,对储能或发生系统输出的功率脉冲进行整形和变窄,以达到需要的脉冲功率值和脉冲形状以及脉宽的要求。主要有以下几种类型:

01脉冲功率变压器

  脉冲功率变压器不同于一般的脉冲变压器,它具有大脉冲功率容量,主要用它改变电压和电流幅值,以及压缩和改变脉冲形状,主要有4类:①双谐振脉冲变压器;②电缆绕组型脉冲变压器(空心和铁心的);③纳秒脉冲变流器;④特殊脉冲变压器,包括马丁式、HPG馈电式、自耦三段式、非均匀传输线式、串级式脉冲变压器。

02大功率短路开关

  大功率短路开关可以隔离或闭合脉冲功率装置,转换能量,缩短脉冲前沿和压缩脉冲,从而改变脉冲形状。大功率短路开关种类繁多,主要有:①用电极触发的气体放电开关(包括三电极放电器和四电极短路开关);②激光触发的短路开关;③触发真空开关(包括平面电极型、同轴电极型、杆排电极型、圆筒阳极型和金属等离子体电弧开关);④固体开关(包括可控固体开关、半导体功率器件和光电导通脉冲功率开关);⑤表面放电开关;⑥自击穿开关(包括二电极自击穿开关和多开关型整流器);⑦大功率气体和液体场畸变开关;⑧连续-重复脉冲开关;⑨磁开关。

  大功率断路开关常用于电感储能脉冲功率装置,其功能是切断电路、升高电压和时间压缩脉冲,主要有:①电爆炸导体断路开关(金属丝或箔);②等离子体融蚀断路开关(融蚀模型和雪犁模型);③机械式断流器(包括真空断流器、波纹式断流器和受控固体断路开关);④金属等离子体弧开关;⑤交叉场管;⑥等离子体枪或DPF开关;⑦热驱动断路开关;⑧超导断路开关;⑨非线性电阻固体开关;⑩反射开关;电子束控制开关(含闭合功能);炸药爆炸断路开关(单向碎裂型和无感型)。