淺談脈沖功率技術(shù)的概念和應(yīng)用

本文主要是關(guān)于脈沖功率技術(shù)的相關(guān)介紹，并著重對(duì)脈沖功率技術(shù)的概念及其應(yīng)用進(jìn)行了相近的闡述。

脈沖功率技術(shù)

脈沖功率技術(shù)，就是將緩慢儲(chǔ)存起來的具有較高密度的能量，進(jìn)行快速壓縮，轉(zhuǎn)換或者直接釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。被廣泛應(yīng)用在國(guó)防科研、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域中。

脈沖功率系統(tǒng)發(fā)展概述

1、脈沖功率裝置的構(gòu)成。

脈沖功率技術(shù)，就是將緩慢儲(chǔ)存起來的具有較高密度的能量，進(jìn)行快速壓縮，轉(zhuǎn)換或者直接釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是將脈沖能量在時(shí)間尺度上進(jìn)行壓縮，以獲得在極短時(shí)間內(nèi)的高峰值功率輸出。該技術(shù)是為滿足國(guó)防科研需要而發(fā)展起來的一門新興科學(xué)技術(shù)，它是獲得強(qiáng)流相對(duì)性電子束或離子束的重要手段，被廣泛應(yīng)用在國(guó)防科研、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域中。

現(xiàn)階段常用的初級(jí)能源主要包括：以電場(chǎng)形式儲(chǔ)能的電容器或者M(jìn)arx發(fā)生器、具有磁能的電感或者脈沖變壓器、具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的各類機(jī)械能發(fā)電機(jī)、化學(xué)能裝置、核能裝置。常用的中間儲(chǔ)能系統(tǒng)和脈沖成形系統(tǒng)包括：脈沖變壓器、容性傳輸線（形成線）、感性儲(chǔ)能器、磁通壓縮器（磁放大器）、磁流體發(fā)電機(jī)的通道發(fā)電系統(tǒng)、以及使用機(jī)械能的感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括了電源內(nèi)各種轉(zhuǎn)換開關(guān)，包括閉合開關(guān)和斷路開關(guān)兩類。各種開關(guān)根據(jù)其應(yīng)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?jī)?chǔ)存于初級(jí)能源，而后通過中間儲(chǔ)能和脈沖形成系統(tǒng)充電，最后經(jīng)過壓縮、脈沖成形或轉(zhuǎn)化等過程后，快速放電給負(fù)載。

2、國(guó)內(nèi)外功率脈沖技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。

20世紀(jì)30年代，人們開始嘗試使用電容放電產(chǎn)生X射線，這就是功率脈沖技術(shù)的起源。從1964年，世界上第1臺(tái)強(qiáng)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(jìn)國(guó)家的主要實(shí)驗(yàn)室都先后建造了眾多的高功率脈沖裝置。

Sandia實(shí)驗(yàn)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(gè)闖過100TW大關(guān)的脈沖功率裝置。我國(guó)的高脈沖功率技術(shù)起步相對(duì)較晚，上世紀(jì)70年代，王淦昌教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正式開始高功率脈沖電子束發(fā)生器的研究。1979年北京高能物理所建成了當(dāng)時(shí)我國(guó)最大的強(qiáng)流脈沖電子束加速器閃光-I，應(yīng)用于γ射線模擬源。之后一系列強(qiáng)流脈沖電子束加速器的建成，為我國(guó)在集體離子加速、準(zhǔn)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(shù)領(lǐng)域的研究創(chuàng)造了較好的條件。

脈沖功率技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用

1、靜電除塵。

傳統(tǒng)的直流高壓靜電除塵方式在實(shí)際應(yīng)用中所受粉塵比電阻限制比較嚴(yán)重，尤其是高比電阻粉塵導(dǎo)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(shí)現(xiàn)有序釋放，導(dǎo)致反電暈情況出現(xiàn)，嚴(yán)重影響粉塵收集率。與此同時(shí)，比電阻較小的塵粒的電導(dǎo)率較高，極易向集塵極釋放負(fù)電荷，并帶上正電荷。在電機(jī)電場(chǎng)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(shù)能夠促進(jìn)以上問題的有效解決，高壓脈沖產(chǎn)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(shí)，脈沖電暈?zāi)軌虍a(chǎn)生一定數(shù)量的高能電子，這些電子的數(shù)量較多且分布均勻，能夠產(chǎn)生更多的活性粒子，在以靜電吸附粉塵離子的同時(shí)，通過等離子體消除粉塵中夾帶的有機(jī)物分析和二氧化硫等，從而促進(jìn)脫硫脫硝的有效實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的直流高壓靜電除塵方式相比，脈沖靜電除塵方式更節(jié)省能量，并改善除塵效率。

2、臭氧制取。

臭氧是一種強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)中獲得能量，通過與氣體分子碰撞與電離，實(shí)現(xiàn)氧分子的分解和氧原子的瞬間結(jié)合，從而形成臭氧。脈沖功率技術(shù)在臭氧制取方面發(fā)揮著重要的作用，有助于提高臭氧生產(chǎn)效率。在臭氧反應(yīng)器提供雙極性窄脈沖火花隙高壓開關(guān)的電源中，通過對(duì)互相垂直的旋轉(zhuǎn)球隙的有效利用，促進(jìn)正負(fù)直流高壓的斬波的實(shí)現(xiàn)，在對(duì)脈沖電容進(jìn)行充電后，通過另一對(duì)相互垂直的旋轉(zhuǎn)球隙為反應(yīng)器進(jìn)行供電。在對(duì)脈沖電容及反應(yīng)器匹配情況進(jìn)行適度調(diào)整后，電壓脈沖前沿和寬度得以實(shí)現(xiàn)，并以旋轉(zhuǎn)球隙的轉(zhuǎn)速對(duì)脈沖頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而促進(jìn)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(diǎn)，在高壓脈沖電源作用下，液相內(nèi)非平衡電極之間的處理對(duì)象分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的改變，促使質(zhì)量較輕的電子逐漸變?yōu)楦吣茏杂呻娮?，運(yùn)動(dòng)過程中與其他分子碰撞后，水相化學(xué)反應(yīng)生成，在活性物質(zhì)的作用下，水中有機(jī)物被講解，從而實(shí)現(xiàn)廢水的有效處理。

關(guān)于脈沖功率技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1、由單次脈沖向重復(fù)的高平均功率脈沖發(fā)展。

過去脈沖功率技術(shù)主要為國(guó)防科研服務(wù)，并且大多是單次運(yùn)行，而工業(yè)、民用的脈沖功率技術(shù)要求一定的平均功率，必須重復(fù)頻率工作。

2、儲(chǔ)能技術(shù)--研制高儲(chǔ)能密度的電源。

在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機(jī)探測(cè)水下物體技術(shù)、艦載電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈沖功率，而且系統(tǒng)又不能過于龐大和笨重。

3、開關(guān)技術(shù)--探討新的大功率開關(guān)和研制高重復(fù)頻率開關(guān)。

開關(guān)元件的參數(shù)直接影響整個(gè)脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術(shù)中一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。具有耐高電壓強(qiáng)電流、擊穿時(shí)延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復(fù)的脈沖下穩(wěn)定工作的各種類型開關(guān)元件的研制，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外脈沖功率技術(shù)中又一個(gè)十分受重視的研究課題。

4、積極開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，脈沖功率技術(shù)在半導(dǎo)體、集成電路、化工、環(huán)境工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應(yīng)用研究中，已取得了可喜的進(jìn)展。憑借成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，脈沖功率技術(shù)將更多地應(yīng)用于民用技術(shù)方面，民用是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，而市場(chǎng)的推動(dòng)又必將給脈沖功率技術(shù)的發(fā)展帶來新的生機(jī)。脈沖功率技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，作為非平衡態(tài)等離子體中的重要方式，近年來逐漸被廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程領(lǐng)域內(nèi)，在處理環(huán)境污染的過程中，其具備高效、節(jié)能、清潔且便捷等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

脈沖功率技術(shù)的架構(gòu)

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

脈沖功率系統(tǒng)一般由初始儲(chǔ)能技術(shù)（電容器儲(chǔ)能、電感器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、核能等）產(chǎn)生所需的初級(jí)脈沖波形（毫秒到微秒量級(jí)），然后再利用脈沖成形和開關(guān)技術(shù)，在時(shí)間尺度上通過對(duì)能量的脈沖進(jìn)行壓縮、整形，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖峰值功率的放大，并輸出到負(fù)載，為高科技裝置和新概念武器提供強(qiáng)電脈沖功率源。下面本文主要根據(jù)當(dāng)今脈沖功率技術(shù)發(fā)展介紹主要儲(chǔ)能系統(tǒng)及脈沖壓縮成形系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容。

圖示1：脈沖功率系統(tǒng)構(gòu)成拓?fù)鋱D

一、儲(chǔ)能或脈沖發(fā)生系統(tǒng)

目前脈沖功率技術(shù)的儲(chǔ)能方法有：電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等幾種。

01電容器儲(chǔ)能型系統(tǒng)

電容儲(chǔ)能是被研究最早的一種儲(chǔ)能方式，也是目前應(yīng)用最廣的儲(chǔ)能方式。其技術(shù)成熟，可用于毫秒、微妙、納秒量級(jí)的脈沖功率裝置中。作為儲(chǔ)能器件，具有容量大、內(nèi)部電感極小、耐壓高的特性，儲(chǔ)能達(dá)數(shù)千焦耳至數(shù)兆焦耳，缺點(diǎn)是儲(chǔ)能密度低，在107J以上的裝置上使用不夠經(jīng)濟(jì)。

02電感儲(chǔ)能型電源系統(tǒng)

相比電容儲(chǔ)能，電感儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度高，系統(tǒng)體積小、重量輕、造價(jià)降低，因此應(yīng)用電感儲(chǔ)能有潛力得到更高的能量利用率和脈沖功率，并且電感儲(chǔ)能系統(tǒng)的絕緣問題相對(duì)容易解決。目前被廣泛應(yīng)用于等離子體物理、強(qiáng)激光、電磁輻射等研究領(lǐng)域。

03化學(xué)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)

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

04機(jī)械儲(chǔ)能電源系統(tǒng)

機(jī)械儲(chǔ)能裝置最常見的是脈沖發(fā)電機(jī)和單機(jī)發(fā)電機(jī)，并且多是先用透平機(jī)或電動(dòng)機(jī)把大質(zhì)量飛輪驅(qū)動(dòng)起來旋轉(zhuǎn)到高速度，使飛輪慣性地儲(chǔ)存動(dòng)能，然后突然轉(zhuǎn)接到脈沖發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，使其產(chǎn)生電脈沖輸出，同時(shí)飛輪因釋能而被減速或停轉(zhuǎn)。

二、脈沖壓縮或成形系統(tǒng)

脈沖成形系統(tǒng)是通過能量或時(shí)間壓縮方法，對(duì)儲(chǔ)能或發(fā)生系統(tǒng)輸出的功率脈沖進(jìn)行整形和變窄，以達(dá)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(jí)式脈沖變壓器。

02大功率短路開關(guān)

大功率短路開關(guān)可以隔離或閉合脈沖功率裝置，轉(zhuǎn)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(guān)種類繁多，主要有：①用電極觸發(fā)的氣體放電開關(guān)（包括三電極放電器和四電極短路開關(guān)）；②激光觸發(fā)的短路開關(guān)；③觸發(fā)真空開關(guān)（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(guān)）；④固體開關(guān)（包括可控固體開關(guān)、半導(dǎo)體功率器件和光電導(dǎo)通脈沖功率開關(guān)）；⑤表面放電開關(guān)；⑥自擊穿開關(guān)（包括二電極自擊穿開關(guān)和多開關(guān)型整流器）；⑦大功率氣體和液體場(chǎng)畸變開關(guān)；⑧連續(xù)－重復(fù)脈沖開關(guān)；⑨磁開關(guān)。

大功率斷路開關(guān)常用于電感儲(chǔ)能脈沖功率裝置，其功能是切斷電路、升高電壓和時(shí)間壓縮脈沖，主要有：①電爆炸導(dǎo)體斷路開關(guān)（金屬絲或箔）；②等離子體融蝕斷路開關(guān)（融蝕模型和雪犁模型）；③機(jī)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(guān)）；④金屬等離子體弧開關(guān)；⑤交叉場(chǎng)管；⑥等離子體槍或ＤＰＦ開關(guān)；⑦熱驅(qū)動(dòng)斷路開關(guān)；⑧超導(dǎo)斷路開關(guān)；⑨非線性電阻固體開關(guān)；⑩反射開關(guān)；電子束控制開關(guān)（含閉合功能）；***爆炸斷路開關(guān)（單向碎裂型和無感型）。

結(jié)語

關(guān)于脈沖功率技術(shù)的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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