文档介绍：脉冲功率技术
华中科技大学研究生课程考试答题本
脉冲功率的发展历程
脉冲功率的主要技术
高脉冲功率装置一般由初级能源、中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统、测量系统和负载组成。简单说脉冲功率产生的过程,首先,初始能源产生宽度在ms级,,然后经过中间储能装置产生脉冲宽度在宽度在us级,能量在10MW级的脉冲,再次通过脉冲压缩和变换装置产生宽度在ns级,能量在1TW级的脉冲,施加到负载上。
1. 储能技术
以电能形式储能的电容器多采用陶瓷介质电容。电容储能技术发展最为成熟,但其储能密度低、体积和重量大,价格高,实现高重复脉冲难,对开关要求也很高的特点使其在新领域的应用中遇到瓶颈。电容储能密度为:E??E
以典型的参数Eop2/2,电容器采用高能量密度的塑料薄膜,3?400V/m,?r?10计算,则可得电容储能密度为8MJ/m。显然这种储
能方式受介质的电场强度所限制,而且介质承受电压的时间越长越容易击穿。
以磁能形式储能的电感产生高压脉冲的方法有四种。单级电感储能转换放电;多级电感储能脉冲发生器;用电流过零方法产生连续脉冲;用铁磁元件变换脉冲。电感储能形式在与电容储能同样电流下,其储能密度为
电容储能密度的25倍。但目前该技术不够成熟,核心是开断开关的研究不成熟,一般应用于毫秒级强流脉冲放电装置中。电感储能密度为:E?B2/(2?r?0),电感器采用高能空芯电感,以典型的参数?r?1,B?40T计算,则
可得电感储能密度为640MJ/m。显然这种储能方式仅与磁感应强度有关,且最高电场仅出现在负载转换的最后一段时间,比电容储能情况短的多,因此电场强度对储能的限制不大,其储能密度几乎只受磁压力限制。
以机械能形式储能的惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。常用惯性储能有换向直流脉冲发电机、单极脉冲发电机,同步发电机和补偿脉冲发电机。储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能,不仅储能密度噶,而且提取方便。一般使用较小功率的拖动机构,以相对长的时间把一定质量的转子或飞轮慢慢地加速使其转动起来,储存足够的动能,然后利用转动惯性脉冲地驱动合适的发电设备,把机械能转变成电磁能。这种储能方式的优点在于储能密度高,结构紧凑,体积小,成本低,可移动。惯性储能密度为:E?IM?2/2,
以典型的参数?33?1500kg/m3,v?600m/s计算,则可得电感储能密度为135MJ/m。惯性储能的应用极为广泛,比如托卡马克聚变装置,大型风洞装置,脉冲金属成型等。
2. 开关技术
在高功率脉冲发生器中,开关是最重要的器件之一,它起着连接储能器件与负载的作用。关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响,因此开关元件在脉冲功率系统中占有非常重要的
地位。脉冲功率系统中开关的主要作用有能量的转换,通过开关的动作(断开或闭合)来实现能量的转移。开关具有主要特性有电导率的变化范围应尽可能大,即要在完全绝缘体至导体之间变化;电导率的变化速度尽可能快。脉冲功率系统开关的工作主要特点有高电压,大电流,快速(开通时间微妙至纳米级)。脉冲功率开关技术所面对的难点为工作的可靠性,即该动作时必须动作,不该动作是绝不动作;精确的可控性,要求分散性要很小。
脉冲功率开关的的种类有