熊兰的讲座-脉冲功率技术

感知电世界讲座-电能的应用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52020/2/93什么是脉冲功率？？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：0.3-15MeV（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-15MJ2020/2/94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：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(electronvolt)，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-1.6×10^(-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=1.6×10^(-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511keV，能对撞毁灭以产生1.022MeV的能量。质子，一个标准的重子具有质量0.938GeV。核爆中带电粒子的能量范围约在0.3至3MeV，而大气中分子的能量约为0.03eV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，高功率脉冲电源，原子能出版社，19912）PaiS.T.,QiZhang，Introductiontohighpowerpulsetechnology，Singapore:WorldScientific,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2020/2/992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（1012W）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,HaryDiamond实验室，AURORA,14MV,1.6MA,120ns1978年，USA,Sandia，PBFA-I,Fusion,30TV,1MJ1986年,USA,PBFA-II,12MV,8.4MA,40ns,1014W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,哈尔滨工程大学等联合“神光III”美国和俄罗斯目前在脉冲功率技术上处于领先地位。美国从事脉冲功率技术研究的机构有Sandia国家实验室、LawrenceLivermore国家实验室、Maxwell实验室、LosAlamos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HaryDiamond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ETIGO2II。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。第三阶段是激光开关的应用，实现了多台加速器并联运行，脉冲功率达到100TW。2020/2/9162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（500~1000TW）、更高电压（107V）、更大电流（107A）和高重复频率方向发展。2020/2/917几次重大突破2发展初始能源中间储能脉冲压缩和变换负载msusns输出：激光、粒子束、等离子体、强磁场、强电场、EM枪、微波等0.1MW10MW1TW高功率脉冲发生器的基本结构3设备Marx发生器脉冲形成线馈电传输线二极管电子束或离子束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：2～20kJ/g核能：104MJ/g3.1储能3设备3.1储能储能密度2020/2/9223.1储能-电容储能（多为陶瓷介质电容）电容储能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2020/2/9243.1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：①单级电感储能转换放电（包括电阻性转换和电容性转换）；②多级电感储能脉冲发生器（分组时序并联、多级MEATGRINDER和逐级压缩的电感储能）；③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）；④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-惯性储能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θ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3设备常用惯性储能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3.1储能-惯性储能类型能量密度kJ/kg功率密度kW/kg典型脉宽s典型电压V短路电流kA储能时间s体比能密度MJ/m3直流发电机0.320.311800110020单极发电机8.5700.1-0.51002000415150同步发电机1.30.77169006300030补偿交流发电机3.825010-4-10-3600071254100惯性储能机械的典型分类和性能3.1储能-惯性储能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：①蓄电池-电容器联合脉冲电源；②电容器并联或串联，多半构成冲击电流发生器；③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；④高效能Marx发生器；⑤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）；⑥L-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脉冲发生装置经典Marx发生器3.2脉冲发生装置多级发生器工作原理(电容器并联充电、串联放电)试品得到多大电压？3.2脉冲发生装置全电感隔离型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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。Marx发生器的零部件3.2脉冲发生装置火花开关两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电部件，利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体传导通道而接通电路。三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极，可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工作性能。Marx发生器的零部件3.2脉冲发生装置Marx发生器的零部件3.2脉冲发生装置火花开关气体火花开关还可以利用激光、X光、电子束等进行触发，Marx发生器的气体火花开关通常都是电触发的。气体火花开关可以说是Marx发生器中最为关键的部件。基本要求是电感小、性能稳定、寿命长。性能稳定分静态稳定和动态稳定。静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。动态性能稳定指开关在触