脉冲电源对电弧放电等离子体温度的控制研究

等离子体温度是电弧放电过程中的重要参数,控制等离子体温度能够有效的控制等离子体化学反应过程。为此,在研制电感储能和电容储能2种脉冲电源的基础上,测定了在不同放电频率、电容电压和储能电容条件下的脉冲电弧放电等离子体发射光谱,并计算了对应条件下的温度。结果显示:电弧放电等离子体温度可以通过改变电感储能电源中的放电频率和电容储能电路中的电压和电容值控制,其线性关系良好,相关系数分别为0.946、0.974和0.979。     

混合储能脉冲电源中电容重复利用方案设计及仿真

在基于超导电感-电容混合储能脉冲电源中,两个储能电感比值较大时转换电容的容量要求也较大,降低了超导储能的体积优势。针对这一问题,本文分析了转换电容对单模块电路工作特性的影响,提出了多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的设计思路,并以三模块为例对同时放电和延时放电模式进行了仿真验证。仿真结果表明:多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路可以共用一个转换电容支路,两种放电模式对负载电流脉冲都进行了改进,但同时放电模式进一步降低了超导储能的优势,而延时放电模式可大幅提高超导储能的优势。     

等离子体气动激励系统电特性的实验研究

为了研究大尺度等离子体激励器和调整电源电感、电容的情况,笔者对等离子体气动激励系统的电特性进行了实验研究,得出等离子体气动激励系统的电感和电容是影响电特性的关键因素。实验结果表明,一定的电源输入电压下,减小电源电感或串联电容分压器,等离子体气动激励系统的谐振频率、电源输入电流和放电电流增大,等离子体气动激励器的放电电压基本保持不变;随着电源频率的增大,等离子体气动激励系统放电有3个典型的方式,电源频率小于谐振频率时,放电电流波形有突变;随着电源频率增大,激励系统的感性不断增大,放电电流增大,电流突变消失;电源频率大于谐振频率后,电容将电压的高次谐波滤掉,放电电流减小。     

电磁轨道发射用脉冲电源系统的发展与现状

脉冲电源系统是电磁发射系统的重要组成部分,其性能影响着电磁发射技术的工程化应用进程。本文针对不同储能形式下(电容储能、电感储能和惯性储能)脉冲电源系统的研究现状进行了总结和展望。电容储能型脉冲电源运行可靠、调控灵活,在不同口径和射频需求下普遍适用;电容的低储能密度制约了在可移动平台上的发展,但由于技术成熟度最高,未来短期内是电磁发射工程应用的首选电源方案。电感储能型脉冲电源已初步完成千焦级模块的研制和兆焦级系统的搭建,但存在开关器件关断应力高和系统传输效率较低的问题,与工程应用存在一定差距。惯性储能型脉冲电源的储能密度最高,研究多集中于空心脉冲发电机,在理论分析、多物理场仿真等方面取得一定进展,高速实体电机的研制处于发展初期。     

基于meat-grinder脉冲电源的感应线圈炮发射性能仿真分析

为了减小脉冲电源的体积,探索电感储能脉冲电源用于感应线圈炮的可行性,在线圈炮系统中引入了电容转换的meat-grinder脉冲电源电路。首先对该脉冲电源驱动感应线圈炮负载的工作原理进行了分析。然后基于Maxwell 2D仿真环境,建立了单级感应线圈炮的2维有限元模型,瞬态仿真确定了触发放电位置,并分析了驱动线圈电感和电容器电容值对发射性能的影响。仿真结果表明:电容转换的meat-grinder电路用于驱动感应线圈炮是可行的;触发放电位置、驱动线圈的电感和电容器的电容值对发射性能都存在影响;选择合理的参数可以提高发射效率。在系统设计时,驱动线圈电感和电容器电容值的选取需要从降低断路开关电压,保持较高发射效率,以及降低电容器容量要求等方面综合考虑。     

基于Marx电路的固态高压脉冲电源设计

针对高压脉冲放电和低温等离子体应用的要求,设计了一种基于Marx电路的高重复频率的固态高压脉冲发生装置。该脉冲电源利用Marx电路电容并联充电、串联放电的原理,选取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为放电开关,控制电路的模态切换。Marx主电路由84级单元组成,每级单元包含IGBT开关管、快恢复二极管和储能电容。实验结果表明,在输入电压为480 V直流电压,并且在300 Hz的频率下,该电源可以产生幅值为20 kV、脉宽为500 ns的高压脉冲,满足设计要求。     

低频高压脉冲放电水处理电源设计

采用电容作为储能元器件,气体放电管作为脉冲开关,设计了低频高压脉冲放电水处理电源。结合电流电压双闭环负反馈控制方法,设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变直流充电电路,可对储能电容进行恒压限流充电。基于PIC16F72单片机,研制了专门的放电触发时序控制电路,实现了3路高压脉冲放电电路交替放电,脉冲电源放电频率可达200Hz。将该高压脉冲电源应用于日落黄模拟印染废水处理,降解效果显著。     

脉冲电源储能电容反向充电电压释放方法

在放电主开关放置于储能电容支路的脉冲功率电源放电过程中,储能电容存在反向充电现象,反向电压无法释放,影响储能电容的使用寿命,并降低了脉冲功率电源的使用效率。在详细推导电容储能型脉冲功率电源放电过程的基础上,分析影响储能电容反向充电电压的因素,讨论降低储能电容反向充电电压的途径,将放电主开关放置于负载支路的电路结构,实现了储能电容反向充电电压的释放。仿真和实验结果表明:调整放电开关位置后的脉冲功率电源负载电流特性与调整前基本一致,完全满足电磁发射的需求;同时,反向电压的及时释放提高了储能电容的使用寿命,增加了电磁发射系统的效率。     

新型电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑

提出了一种用于电磁发射的电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑。该拓扑中两储能电感充电时串联,放电时并联,以实现电流倍增。与meatgrinder电路相比,该电路两储能电感之间不需要磁耦合,具有设计简单灵活、容易制造的特点。为避免电感储能断路时断路开关出现过电压问题,用电容作为能量转换器件可实现开关的零电压断路。对该脉冲电源系统的工作原理进行了理论分析,搭建了小型实验系统,验证了该电源拓扑的可行性。以轨道炮为负载,对电感、电容参数对系统性能的影响进行了仿真分析,结果表明多个电源模块的并联运行能明显提高系统能量转换效率。     

晶闸管Marx发生器电路及充放电特性

为满足新兴工业对中小储能功率脉冲电源日益增长的需求,设计了一种采用晶闸管作为主开关的Marx发生器,它由脉动直流电源供电,增加晶闸管组合模块就可方便地扩展级数提高输出电压,晶闸管组合模块有对负载的单向、双向和续流3种放电工作模式。该设计改进了充电拓扑电路,并给出了充电电阻及其功率的计算方法,有效地避免了负载上的预脉冲,实现了各储能电容充电电流的一致,有效地抑制了环流和提高了充电效率。变负载放电特性分析表明,感性负载时减小电感的输出能使电流脉冲幅值提高、脉宽变窄,特性曲线为设计和用户的使用提供了依据;容性负载时储能电容的实际等效参数对小容量的电容放电参数有较大影响,有必要减小回路的总电感,以获取陡前沿电压脉冲和窄电流脉冲。感性及容性负载的实验放电波形与仿真结果比较相符。所设计的Marx发生器在工业应用中既可用来产生较强脉冲磁场,又可用来产生放电等离子体。     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.     

面向等离子体高能合成射流应用的重频脉冲源研制

等离子体合成射流是高速流场控制的一种重要手段,而高重频、大能量的等离子体合成射流可以产生更好的流动控制效果。为此研制了一台可实现高重频等离子体高能合成射流的脉冲电源,输出参数为:电压幅值0~10k V,重复频率0~1 000 Hz可调,脉宽15μs,放电电流峰值320 A,放电能量超过150 m J。首先,对脉冲源的拓扑结构进行了设计,对其工作原理进行了说明。其次研究了放电电容对于输出波形的影响,并在高重频条件下进行了放电特性和能量特性分析。最后,利用纹影系统观察了射流流场的发展过程。实验结果表明:高重频条件下输出电压稳定性良好;随着放电电容的增大,放电持续时间延长,放电电流增大,放电能量增加;此外,纹影系统观测表明合成射流速度可达150 m/s。该电源可应用于流动控制领域。     

超导电感储能高功率脉冲技术及其仿真研究

提出了利用超导磁储能系统(SMES)来提高电力系统稳定性、提供紧急备用电源和实现新概念武器脉冲电源的“一机三职”功能的基础上,研究了一种基于超导电感储能系统和超导开关的脉冲功率成形技术,探讨了超导脉冲功率技术需要解决的重要基础问题;并根据超导电感储能系统及超导开关特性,提出了超导磁体和超导开关的理想结构,设计了一种脉冲成形网络模型;通过控制外加电流触发超导开关失超来控制超导开关断路,实现高密度无损耗储能、可控脉冲整形,并在电阻负载下,进行了脉冲成形回路放电仿真实验,得到了较理想的脉冲功率输出。     

电感储能连续脉冲电源驱动电磁发射系统仿真

为探索连续电磁轨道发射用超导电感储能脉冲电源,建立基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,对脉冲电源电路驱动电磁发射系统的不同放电阶段进行数学建模,仿真分析电路参数对电磁发射特性的影响,最后实验验证脉冲电源的可行性。仿真中基于储能27.72 kJ的单模块的高温超导脉冲变压器,当耦合系数为0.95,转换电容为400μF,副边电感为9.2μH,抛体质量为21.61 g时,得到510 m/s的发射速度,原边电感在放电结束后可回收剩余能量6 kJ。结果表明基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源用于电磁发射系统是可行的,并有利于系统能量利用效率的提高和连续电磁发射的实现。     

用于轨道炮的超导储能脉冲电源设计

针对轨道炮的应用需求,为解决电感储能型脉冲电源炮口消弧与剩余能量回收的问题,在绞肉机电路基础上提出了一种新型超导储能脉冲电源拓扑。建立了脉冲电源与简单轨道炮的仿真模型,仿真实现了轨道电流在电枢出炮口前降为0的设计并进行了能量回收,分析了电容参数和终止放电时机对系统性能的影响。仿真与实验结果表明:该拓扑可以实现充电、放电、终止放电、能量回收4种工作模态;在充电电流16.5 A的条件下,最终输出的脉冲电流峰值达到了166 A,而且在放电过程后,回收了部分能量,回馈电流为11.2 A,这减少了系统45.78%的能量损耗;电容参数的设计应同时考虑对系统电压应力和脉冲电流波形的要求,终止放电时机应在考虑延时的前提下尽量后移。     

大气压刷形等离子体羽的放电特性

为了研究大气压刷形等离子体羽的放电特性,利用针-针直流放电系统,通过氩气的流动,在大气压空气中获得了稳定的较大体积的刷形等离子体羽,发现等离子体羽长度随电源输出功率的增大而增大。通过研究不同电源输出功率下放电电压、放电电流和发光信号相对光强的时间演化,发现了放电存在自脉冲现象,且自脉冲频率随电源输出功率增大而减小,随气体体积流量增大而增大。通过对等离子体羽发光信号进行空间分辨测量,研究了自脉冲形成机制,发现电压达到击穿电压后放电首先在电极间产生,随后电极间的等离子体沿着气流移动,且随移动距离增加而衰减,因此刷形等离子体羽即为吹出喷嘴后衰减中的等离子体。采用光谱学方法,对分子转动温度、振动温度和谱线相对光强比(I391.4/I337.1)进行了空间分辨测量,发现这些参数均沿气流方向降低。     

一种LCC逆变充电混合储能脉冲功率电源

为了获取万伏以上的高压窄脉冲输出,设计了一种采用高压脉冲变压器混合储能脉冲功率电源,同时为了提高电源的重复频率,设计了LCC逆变充电器。省去中间的高频变压器,电源采用逆变输出直接整流对初级储能电容充电的拓扑结构,文中首先通过充电电容等效为电压源的方法分析逆变器的工作原理,并给出参数选取原则和计算方法。接着分析了电容充电及向脉冲变压器电感放电的过程,说明了在放电电流最大时断路可在负载侧获取高压窄脉冲。电源实验表明,按所选取的参数,电源可实现前沿1.0μs幅值30 kV脉宽1.5μs(90%幅值)的高压脉冲输出,重复工作频率可达2.5 kHz以上,也可实现前沿8 ns幅值4 800 A的脉冲电流输出,充电器实现了对初级电容的快速充电。该电源结构较简单、成本较低,容易做成紧凑一体化的结构,可作为废气处理电源或其他需要数万伏高压窄脉冲工作的场合。     

基于可控LC串联谐振的高重频高精度脉冲充电电源

针对集成电路光刻用准分子激光光源的高重复频率、高精度和高稳定脉冲充电应用需求,设计了一种基于可控LC串联谐振的脉冲充电电源,采用实时检测电路总能量、短路电感中断谐振过程和储能电容精准泄放的技术方案,实现了输出的高重频、高精度以及每脉冲充电电压精确可调。对该充电电源的工作过程进行了理论分析,研究了系统的要点和难点,完成样机并与高重频准分子激光系统联机运行。在激光器初级储能电容5.44μF的条件下,实现了最大充电电压1.92 kV、充电重复频率4 kHz、充电电压精度0.05%的输出特性,系统的能量传输率达到40 kJ/s,各项指标均满足集成电路光刻用准分子激光光源的实际应用需求。     

三电极等离子体合成射流的尖尖放电特性

为了准确把握电弧放电电阻的大小,提高等离子体合成射流的能量利用率。进行了三电极尖尖放电的实验,通过改变电极间隙、环境气压、电容、电压,得到电弧电阻的大小以及放电效率、电弧电阻和放电形态随参数的变化。结果显示:大气压条件下,随着放电初始电压的增大,放电效率和电弧电阻逐渐降低;大气压条件下,对于同一电容能量(≥250 m J),电弧电阻不会随着电容值的变化而变化;高气压条件下(50 k Pa),电容越大,电弧电阻和放电效率越高;增大电极间隙,可以增大电弧放电的电阻和放电效率。随着气压降低、电压增大或电极间隙增小,放电区域面积会增大。     

大储能爆炸丝模拟试验放电现象的研究

本文讨论了大储能爆炸丝模拟试验放电现象研究的试验装置、分析方法及试验结果。并得出结论:大储能爆炸丝模拟试验放电现象是以金属丝为先导的电弧振荡过程,其放电特性主要由放电回路的储能电容、充电电压和回路电感所确定。