基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。     

单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究

高频脉冲交流环节逆变器电路结构由高频逆变器、高频变压器、周波变换器构成。在不增加电路拓扑复杂性的前提下，如何解决高频脉冲交流环节逆变器固有的电压过冲现象和实现周波变换器的软换流，是这类逆变器的研究重点。单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器能够将输入直流电压先调制成双极性三态的电压波，然后再解调成单极性SPWM波，经输出滤波后得到正弦电压。周波变换器功率开关是在前极输出的双极性三态的电压波为零期间进行开关转换，从而实现了ZVS换流。该文深入分析研究了高频脉冲交流环节逆变器稳态原理特性与单极性移相控制策略。采用状态空间平均法建立了逆变器平均模型，获得了输出电压、滤波电感电流、共同导通时间、单极性SPWM波占空比等关键电路参数的设计准则和逆变器的外特性曲线。设计并研制了1kVA 270VDC/115V400HzAC原理样机，试验结果证实了理论分析的正确性。这类逆变器具有电路拓扑简洁、两级功率变换(DC/HFAC/LFAC)、双向功率流、周波变换器实现了ZVS换流、单极性SPWM波、输出电压波形质量高、负载能力强等优点，包括全桥全波式、全桥桥式两种电路，前者适用于低压输出逆变场合，后者适用于高压输出逆变场合。     

负荷对冲击电压发生器输出能力的影响研究

冲击电压试验中,GIS和高压电缆试品的负载电容可达3 000 pF至10 000 pF。为满足这种大负荷试品的冲击试验输出波形要求,对设计中未考虑大电容试品的常规发生器,需要通过改造提高其输出能力。以15级的3 000 kV冲击电压发生器为例,应用ATP暂态电磁仿真软件建立发生器模型,对在发生器输出端串入高压阻容元件这种改进电路方法进行仿真。定量分析了发生器负载、总电感和等效波头电阻对输出波形的影响,以及输出效率随负载的变化。大负载情况下应用这种改进措施后,发生器的负载能力可从4 000 pF提高到11 000 pF,波形过冲可控制在10%以内。对于高压引线的长度限制也给出了建议。     

振荡雷电冲击电压波形参数分析

为提高气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)可靠性,现场冲击耐压试验至关重要,近年来,振荡雷电冲击电压是该试验常用电压波形。考虑到冲击电压波形随发生器参数及负载变化,它们之间的关系需要从理论上认识清楚。文中根据放电等效电路,建立关于输出电压的三阶微分方程,解得振荡雷电冲击电压及其包络线的时域表达,提取各波形参数,研究它们与负载电容、回路电阻、调波电感之间的关系。结果表明,振荡频率和波头时间由电感和回路电容决定;半峰值时间受波头电阻、波尾电阻和负载电容共同影响;发生器效率随负载电容的增大而急剧下降。当冲击电压发生器参数设计合适时,即使负载电容在大范围内变化,输出振荡冲击电压波形也总能满足标准要求。研究成果对GIS现场冲击耐压试验中电压波形的调节具有很好的指导作用。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

雷电直接效应测试的雷电流C分量测试系统

针对目前碳纤维增强型复合材料(CFRP)雷电直接效应研究中存在的雷电多分量高精度时序控制及连续共同作用的相关测试及控制技术难题,采用大功率整流滤波回路设计了雷电流C分量发生回路,并研究了平波电抗器及负载对C波输出波形的上升时间、纹波系数等参数的影响。研究发现:随着平波电抗器的升高,雷电流C分量的上升时间增加,纹波系数降低。为保证雷电流C分量发生器的安全正常运行,设计并研究了由电感和非线性压敏元件组成的雷电流C分量的耦合/去耦网络(CDN),探索了不同特性的脉冲电流波注入对C分量发生器工作特性的影响规律。实验结果表明:在选用170 m H的平波电抗器情况下,雷电流C分量发生回路的最大输出电压及电流分别为500 V及1 000 A。设计的耦合/去耦网络能够有效阻止雷电流A波、B波及D波对C波发生器中的分流和影响、破坏作用。研究发现,只有在脉冲电流波具备一定能量和持续时间前提下,才能有效引发雷电流C分量的后续注入。研究结果对航空航天器先进复合材料的研究、航天器结构件的设计提供了测试和评估手段。     

一种全固态多匝直线型变压器驱动源的研制

针对脉冲电磁场生物医学应用中高电压大电流宽范围脉冲的应用需求,设计了一种多匝直线型变压器驱动源(LTD)。该LTD脉冲发生器的磁心采用多匝绕制的方式,可输出宽脉宽的脉冲。设计了各级LTD模块同向绕制的驱动供电及储能充电隔离方式,各级磁心隔离电压为LTD模块的工作电压。多匝LTD脉冲发生器共由10级LTD模块组成,各级LTD模块由18个储能电容及MOSFET放电开关并联,并设计了其同步驱动电路。通过对各主要器件的型号进行分析筛选,研制了模块化紧凑型多匝LTD全固态脉冲源样机,可输出脉冲参数为:电压幅值0～5kV,输出脉冲电流高达500A,脉冲宽度200ns～5μs,上升沿30ns,下降沿16ns,其脉冲宽度、幅值等参数均灵活可调,并且可通过增加LTD模块的数量,实现更高电压的脉冲输出。     

一类新型三相直接式电流型多电平逆变器拓扑的研究

目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器。随着超导储能技术的发展，电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决，电流型多电平逆变器也将得到广泛应用。文中提出了一类新型三相直接式电流型多电平拓扑。该类拓扑通过合成均流电感的电流而获得阶梯形的多电平。文中分析了由该类拓扑组成的三相6电平、12电平逆变器的工作原理，并研究了在感性负载和容性负载时的两种逆变器的输出电流波形、均流电感电流波形。仿真结果验证了新拓扑的正确性。     

一种电流均衡控制PWM单相5电平电流型变流器

在传统单相5电平电流型变流器拓扑的基础上,提出了一种新型单相5电平电流型变流器拓扑。结合仿真,详细分析了产生1/2电平电流不均衡的机理, 并提出了一种通过直流侧电流反馈来实现均流调节的脉宽调制（PWM）控制方法。最后,以感性负载为例,建立试验样机进行了验证。实验结果表明：在该方法控制下,均流电感电流基本接近于1/2电平,输出的PWM电流波形比较对称,滤波后的电流波形接近于正弦波。     

基于柔性励磁功率控制的载波同步策略

基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电力电子元件的柔性励磁功率控制系统响应速度快,满足现今发电机大电感励磁回路的场合,但因功率回路并联引发的环流问题会导致输出电流畸变,增加系统损耗甚至造成系统崩溃。为此提出一种柔性载波同步策略抑制并联型功率控制器的环流问题。在功率控制并联模型的基础上,设置一个同步信号输出单元和若干个并联的功率控制器模块。同步信号输出单元向功率控制器模块内部的模拟载波发生器发出同步脉冲信号,模拟载波发生器同步清零,产生从零开始的锯齿波信号;实际载波发生器与模拟载波发生器同步清零,产生从零开始的三角波信号;通过模拟载波发生器的同步达到实际载波发生器的同步。此外,上述方法无需增加额外的硬件,提高了系统效率。实验验证了载波同步方法能够在不同功率点下实现很好的环流抑制效果,同时输出电流波形质量得到很大改善。     

单极性移相控制双向电压源高频环节逆变器

分析研究了双向电压源高频环节逆变器电路拓扑、单极性移相控制策略、高频变压器绕组端电压波形．以及一个开关周期内的开关过程等关键问题;获得了共同导通时间、单极性SPWM波占空比、周波变换器换流重叠时间、高频变压器匝比、滤波电感电流、输出滤波电感和输出滤波电容等关键电路参数的设计准则。原理试验结果表明,这类逆变器具有电路拓扑简洁,两级功率变换（DC/HFAC/LFAC）,双向功率流,周波变换器实现了ZVS换流．以及单极性SPWM波等优点。     

一种新型的双极性脉冲电流源

在瞬变电磁探测领域中,发射电流波形的质量将会直接影响到地质体感应信号的检测。瞬变电磁法理论基于阶跃波电流源激励,为了探测浅层部地质信息,要求脉冲电流关断延时短、上升下降沿线性度高,探测系统动态性能好,但由于发射线圈呈感性,在大电感负载下实现理想的阶跃脉冲是非常困难的。研究改善发射电流脉冲波形前、后沿波形质量的电路拓扑、控制方法,并研究了电磁发射机整流方案。分析了电路的工作原理,讨论了电路参数优化计算,从负载电流上升、下降沿波形的线性度和稳压电容电压波动范围出发,给出了恒流电路中电感值和钳位电容值的最优值选取方法,并通过仿真实验,验证了理论分析的正确性。与已报道电路相比,该电路结构简单,上升、下降沿线性度好,动态性能好。     

电流型多电平变流器拓扑分析

对电压型和电流型多电平变流器的研究主要集中在拓扑结构和相应的开关控制策略方面.分析了一种新型的单相5电平电流型变流器的拓扑结构.将新拓扑结构和原先的拓扑结构进行比较分析,可以看出新拓扑结构有许多突出的优点,如所需开关器件和均流电感数目少,结构更加简单.在对开关的控制上采用载波位置相反分布型控制策略,控制简单且容易执行.为了使负载输出电流谐波减少,可以通过对输出电平的宽度进行调节,以得到更平滑的负载输出电流.Matlab仿真波形验证了新拓扑结构的正确性和谐波消除法的可行性.     

压敏电阻限制电压测试回路参数的仿真计算

仿真计算非线性压敏电阻限制限压测试回路的参数得出了回路及负载参数与回路输出波形参数间的关系。计算和试验结果表明 :选择合适的调波电阻、电感等回路参数可在负载动态电阻变化范围较大的情况下满足 IEC和国标规定的冲击电流波形     

35kV干式空心电抗器匝间绝缘振荡波试验

匝间绝缘缺陷是造成干式空心电抗器烧毁事故频发的重要诱因,而振荡波试验是干式空气电抗器匝间绝缘考核和缺陷检测的重要手段。为此分析了振荡波试验电源的主要技术路线及其优劣,采用电触发型气体间隙作为振荡波试验电源主开关,并针对电路拓扑和关键器件进行了优化,最终研制输出电压200 kV、重复频率50Hz、振荡频率10~100 kHz的衰减振荡电压脉冲发生器,可针对0.3~30 mH的35 kV干式空心电抗器进行匝间绝缘的振荡波考核试验。针对10 mH电感负载进行匝间绝缘考核的验证试验,电抗器无缺陷条件下,装置输出振荡波幅值为160 kV,振荡频率26.3 kHz,脉冲振荡周期数超过12个;存在匝间短路缺陷时,振荡波幅值158 kV,振荡频率增大至31.1 kHz,波形衰减加快,振荡周期数减小至9个。试验结果表明,研制的振荡波试验装置可用于检测35 kV干式空心电抗器匝间绝缘缺陷。     

GIS对接冲击试验方法及冲击电压波形分析

大容量GIS冲击电压试验电压波形受回路电感影响较大,影响输出波形波前时间,降低冲击试验绝缘缺陷检测的有效性。笔者从冲击试验时电压引入方式入手,基于研制的2 000 kV紧凑型冲击电压发生装置,提出了GIS对接冲击试验方法,开展了145 kV和252 kV GIS对接冲击试验。该方法利用变阻抗转接段和液压升降装置,可将冲击电压发生器电压输出端直接与GIS预留对接口相连,回路紧凑,减小了因高压导线引入的电感,提高了冲击试验波形质量。最后通过仿真软件,分析了当负载电容量较大时,回路电感对冲击电压波形参数的影响规律,缩小回路电感是解决大容量设备标准LI试验的关键。     

高压直流发生器特殊结构对其内部局放测量的影响

为测量具有特殊结构高压直流发生器内部局部放电,笔者分析了其工作原理并得出发生器输出电压波形与负载的关系曲线图,研究了此发生器在试验和运行中出现的3种不同负载情况(电容性、电阻性和阻容性)对其内部局部放电测量的影响。理论和试验结果均表明:在电阻性负载下,可以准确检测该高压直流发生器内部局部放电。     

等离子体高压脉冲电源

研制了一种基于Marx发生器用于工业废水处理的高压脉冲电源,介绍了其工作原理、同步驱动电路及主要参数。Marx发生器共32级使用固态绝缘栅型双极晶体管(IGBT)和快恢复二极管为发生器的结构元件,聚丙烯(CBB)电容为储能元件。结构上采用顺/逆时针分部的紧凑型拓扑,降低了回路电感,实现了电源体积小型化;为防止IGBT因负载短路而损坏,驱动电路中加入无源保护电路。实验表明其在处理工业废水中效果优良。     

一种基于耦合电感的非对称脉冲电路

在等离子电解氧化过程中采用非对称双极性脉冲可有效避免单极性脉冲所导致的单向极化效应,具有优化膜层结构和改善膜层性能的作用。现有非对称双极性脉冲电路往往需要两台直流源,结构复杂、成本高,并且存在环流问题,为此,提出一种基于耦合电感的非对称脉冲电路拓扑,采用单直流源供电,结构简单,利用耦合电感的储能和电压变换特点实现正脉冲输出和反极性的负脉冲输出。介绍该电路拓扑的工作原理,分析各个模态的工作波形,并推导相应的表达式。仿真和实验结果证明了该电路的可行性,在此基础上进一步进行等离子电解氧化的膜层性能分析,表明该电路对等离子电解氧化膜层性能改善有效。     

一类新型的单相直接式电流型多电平变流器拓扑

目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器.随着超导储能技术的发展,电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决,电流型多电平逆变器也将得到广泛应用.文中提出了一类新型单相直接式电流型多电平拓扑.该类拓扑结构非常简单,所用开关器件和均流电感的数目非常少.文中分析了由该类拓扑组成的单相五电平、七电平变流器的工作原理,并研究了它们在感性负载和容性负载时的变流器输出波形.针对该类拓扑,还给出了一种通过调节输出电平宽度消除低次电流谐波的方法.仿真和实验结果验证了新拓扑的正确性和谐波消除法的可行性.