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1、脉冲功率技术,熊 兰 电气工程学院 2013.5,概 念,目 录,1,发 展,2,技 术,3,应 用,4,其 他,5,2018/8/22,3,什么是脉冲功率?,将储存的能量以电能的形式,用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。 技术指标:,1 概 念,电 压: 103-107V 电子能量:0.3-15M eV(电子伏) 束流大小:103-107A 脉冲宽度:0.1-100ns 束流功率:0.1-100TW 总能量: 1kJ-15MJ,2018/8/22,4,常见波形,1 概 念,上升时间:电压峰值从10%上升到90%所需要的时间。下降时间:同理。上升时间和下降时间主要依赖于负载阻抗。脉冲宽度
2、:定义不明确,有的定义为半高宽-脉冲最大值的50%处的时间宽度,也有定义为底宽-在幅值的90%处的时间宽度。,电子伏特(electron volt),简称为电子伏,缩写为 eV ,是能量的单位。,代表一个电子(所带电量为-1.610(-19)库仑)经过1伏特的电场加速后所获得的动能。电子伏与SI制的能量单位焦耳(J)的换算关系:,1eV=1.610(-19)J,例如,一个电子及一个正子(电子的反粒子),都具有质量大小为 511 keV ,能对撞毁灭以产生 1.022 M eV 的能量。质子,一个标准的重子具有质量 0.938 G eV 。,核爆中带电粒子的能量范围约在 0.3 至 3 M eV
3、,而大气中分子的能量约为 0.03 eV,将粒子的能量从电子伏特转换到开氏温度时,要乘以 11,605。,1 概 念,什么是脉冲功率技术?,1 概 念,研究产生各种强电(纳秒级高压)脉冲功率输出的发生器系统及其相关技术。,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。,教材及参考书,选用教材李正赢,脉冲功率技术,水利电力出版社,1992 主要参考书1)王莹,高功率
4、脉冲电源,原子能出版社,19912) Pai S.T., Qi Zhang, Introduction to high power pulse technology, Singapore : World Scientific, 19953)刘锡三,高功率脉冲技术,国防工业出版社,20054)H.Bluhm著,江伟华、张弛译,脉冲功率系统的原理与应用,清华大学出版社,20085)韩旻,邹晓兵,张贵新,脉冲功率技术基础,清华大学出版社,2010,1938年,美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线;1939 年,苏联人制成真空脉冲X射线管,并把闪光
5、X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。 采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。第二次世界大战期间,企图用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起,也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。,2 发 展,2018/8/22,9,2 发 展,1947年,英国人A.D.Blumlien以专利的形式,把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线,在纳秒脉冲放电方面取得了突破。1962年,英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组,将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来,建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG(3MV,50kA,30ns),脉冲功率达TW(1012
6、W)量级,开创了高功率脉冲技术的新纪元。,之后,大型脉冲功率装置雨后春笋般地在世界各国建立:1986年建成PBFA-II 装置,其峰值电压为12MV、电流8.4MA、脉宽40ns,其二极管束能为4.3MJ,脉冲功率1014W,是世界上第一台功率闯过100TW 大关的脉冲功率装置。,2 发 展,脉冲功率发展里程碑,1962年, 英国AWRC, J.C. Martin, 发展了 Marx+Blumlein, ns量级 1967年, USA, Sandia, 高功率粒子束,10MV,100KA,80ns 1972年,USA, Hary Diamond 实验室,AURORA,14MV, 1.6MA,1
7、20ns 1978 年,USA, Sandia, PBFA-I , Fusion, 30TV, 1MJ 1986年, USA, PBFA-II, 12MV, 8.4MA, 40ns, 1014 W 1985年,俄罗斯, Kalchatov,Fusion,2MV,40MA,90ns中国, 1979, 西南工程物理研究院,6MV,100KA,80ns, 闪光 I 号 1995,合肥,30GW,500KA, FUSION 1980,中国工程物理研究院,星光1,星光2,神光3 西北核技术所,闪光2,1MA, 1MV, 相对论电子束加速器 华中科技大学 “神光III”,美国和俄罗斯目前在脉冲功率技术上处
8、于领先地位。美国从事脉冲功率技术研究的机构有Sandia国家实验室、Lawrence Livermore国家实验室、Maxwell实验室、Los Alamos科学实验室、海军武器研究中心、Texas技术大学等。 1967 年在 Sandia 实验室建成的Hermes2I为当时最大的脉冲功率装置; 1972年美国陆军的Hary Diamond实验室建成了Aurora装置,这个闻名遐迩的设备由 4台 Marx发生器组成 ,是脉冲功率史上的一个里程碑 ; 1986年Sandia实验室又建成了FBFA2II ,是世界上第 1个闯过 100TW 大关的装置。,2 发 展,俄罗斯从事脉冲功率技术研究的机构
9、有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电物理装备所、列别捷夫所等, 建造了许多大型的Marx成形线型联合装置,1985 年建成的 AHrapa25就是其中之一。日本的脉冲功率技术主要应用于强流粒子束加速器,特别重视轻离子的惯性约束聚变。从事脉冲功率技术研究的机构有东京大学、熊本大学、大阪大学 、长岗技术大学等 , 较著名的装 置有大阪大学的Raiden2IV和1986年长岗技术大学建成ETIGO 2II。,2 发 展,我国脉冲功率技术及其应用的研究是从20世纪 70年代末开始的。中科院等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、华中科技大学、清
10、华大学等单位的研究水平居于国内领先地位。国内已有 20 多台的Marx装置在运行,居首者是 1979 年西南工程物理研究院建成的“闪光 I 号”装置 ; 20世纪 90 年代以后,国内相继又建成的装置有西北核技术研究所的 “ 闪光 II 号 ” ,中国工程物理研究院和上海光机所“神光II号 ”,华中科技大学等联合研制的“神光III”。,2 发 展,各国典型脉冲功率装置的性能比较,2 发 展,几次重大突破,首先是Blumlien传输线的应用,建成脉冲功率达到TW量级的强流相对论电子束加速器。 第二阶段是以“水”代替“油”,发展了低阻抗强流电子束加速器,脉冲功率达到了数十TW量级。 第三阶段是激光
11、开关的应用,实现了多台加速器并联运行,脉冲功率达到100TW。,2018/8/22,16,2 发 展,第四次突破-感应加速腔(脉冲功率技术结合直线加速器), 第五次突破口-发展重复频率脉冲技术。 现在世界上脉冲功率正向着更高功率(5001000TW)、更高电压(107V)、更大电流(107A)和高重复频率方向发展。,2018/8/22,17,几次重大突破,2 发 展,高功率脉冲发生器的基本结构,3 设 备,电能(电容器,电感,超导) 机械能 (电动机,惯性储能) 化学能 (火药,蓄电池) 传输线 核能,3.1 储 能,3 设 备,火药:220 kJ/g 核能:104 MJ/g,3.1 储 能,
12、3 设 备,3.1 储 能,储能密度,2018/8/22,22,3.1储能-电容储能(多为陶瓷介质电容),3 设 备,电压形式,在同样的电流下,电感储能密度是电容储能密度的25倍。但目前技术不够成熟。,单级冲击电压发生器,3.1储能-电容储能(多台电容器并联;Marx发生器),3 设 备,电容储能技术成熟,但储能密度低、体积和重量大,价格高,实现高重复脉冲难,对开关要求高。,2018/8/22,24,3.1储能-电感储能,3 设 备,电流形式,用电感储能产生高压脉冲的方法有 4 种: 单级电感储能转换放电(包括电阻性转换和电容性转换); 多级电感储能脉冲发生器(分组时序并联、多级 MEATGR
13、INDER 和逐级压缩的电感储能); 用电流过零方法产生连续脉冲(电桥抵消脉冲、反向抵消脉冲和串联抵消脉冲); 用铁磁元件变换脉冲(铁氧体传输线和非线性电感磁压缩)等。,3.2 脉冲发生装置,图(a)装置,图(b)等效电路,武汉大学研制的中国首台400kV 电感储能型闪光X 射线机,惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能,不仅储能密度高,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-法拉第电磁感应定律。,3.1储能-惯
14、性储能(飞轮、电机),3 设 备,优势:储能密度高,结构紧凑,体积小,成本低,可移动。 应用:近代同步加速器,托卡马克聚变装置,等离子体箍缩,大型风洞装置,大截面金属对头焊接,加热钢坯,泵浦大功率激光,作重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器的电源,烧结金属粉末,电磁喷涂,模拟地震脉冲,脉冲金属成型等。,3.1储能-惯性储能(飞轮、电机),3 设 备,直流换向直流脉冲发电机单极脉冲发电机 交流同步发电机补偿脉冲发电机(优点:具有自开关特性,易快速连续多次运行,无需大功率开关),3.1储能-惯性储能,美国Texas大学研制的作为电磁炮电源的补偿脉冲发电机,6极,4700r/min,转子直径0.8
15、m,外直径1.2m,重11吨,峰值开路电压2kV,电流844kA,脉宽2.54ms,38MJ。三个轨道轮流发射,长3m,80g弹丸加速到2-3km/s,发射率60Hz。,惯性储能机械的典型分类和性能,3.1储能-惯性储能,单极发电机:储能密度大,但输出电压低,实现重复脉冲困难,需要大功率开关。,作为初级高压脉冲电源,通常由电容器构成以下各种发生器: 蓄电池-电容器联合脉冲电源; 电容器并联或串联,多半构成冲击电流发生器; 经典Marx发生器(冲击电压发生器),电容并联充电后串联放电输出高电压脉冲; 高效能Marx发生器; 电感隔离型Marx发生器(包括全电感隔离型和电阻-电感并联隔离型); L
16、-C 倍压器(反向叠加型和振荡级联型)。,3.2 脉冲发生装置,单级冲击电压发生器,3.2 脉冲发生装置,T1:调压器;T2:升压变压器;D硅堆(整理管); C1:储能电容;G:大功率开关,经典Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,重庆大学输变电装备安全与及新技术国家重点实验室2400kV/260kJ,经典Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,工作原理: 电容器并联充电、串联放电,试品得到多大电压? 脉冲极性?,3.2 脉冲发生装置,全电感隔离型Marx发生器,采用集中式限流电感的全固态单极性Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,采用半导体充电开关的单极性Marx发生器,电容器 火花开关 电阻 连接导体 触发方式 变压器油 绝缘,3.2 脉冲发生装置,Marx发生器的零部件,3.2 脉冲发生装置,英飞凌 eupec IGBT,大功率波纹线绕电阻,大功率铝合金线绕电阻,电容器合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型电容器,具有较好的耐冲击电流性能,其储能密度达0.15J/cm3,单只电容器(KJ量级)的总电感可低达10-30nH。“自愈式”电容器,采用镀有金属薄膜(0.1um量级)的有机薄膜或电容器纸在超净条件下紧密卷绕制成,无需油浸,储能密度达到1J/cm3量级。,