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脉冲功率技术
摘要：脉冲功率技术是以较慢的速度将能量储藏在电容器中或者电感线圈中，然后将此电场能获磁场能迅速的释放出来，产生幅值极高的，但持续时间极端的脉冲电压及脉冲电流，从而导致极高功率的脉冲。
关键词：脉冲功率，储能技术
引言：脉冲功率技术中的储能技术包括惯性储能，电容储能，电感储能
一.、脉冲功率技术的发展
脉冲功率技术正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。但是, 一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面, 这样快的脉冲放电, 无论在产生技术上, 或者在测量技术上都存在着一定的困难。因此, 其后十多年,这种技术发展并不迅速。六十年代初期, 由于闪光辐射照相和瞬时辐射效应研究的需要, 英国原子能武器研究中心的J.C.马丁所领导的研究小组，开拓了称之为脉冲功率加速器的研究领域, 使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。同时, 一些科学技术在发展中受到障碍, 急需找寻新的途径。以微波和激光的发展为例, 利用速调管、行波管等原理去产生大功率高效率毫米或亚毫米微波已经不可能。利用一般方法产生大功率、高效率、波长可调的激光束也不可能。正当人们探索和寻找新的解决途径的时候, 他们发现脉冲功率技术是解决这些问题的良好途径。为此, 美国许多单位, 为桑地亚实验室、物理国际公司、海军研究实验室、康乃尔大学、加利福尼亚大学和斯坦福大学等单位, 对脉冲功率技术及其在各方面的应用, 开始了研究和发展工作。这种技术的应用包括：电子及离子加速、核聚变、微波装置、激光（特别是大功率放电激光）、电磁脉冲、闪光辐射照相、瞬时辐射效应和各种各样的工业应用。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。不断提高的能量、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题, 诸如：能量的储存, 能量和功率的传输, 脉冲的形成和压缩, 开关技术, 绝缘特性, 磁绝缘传输线, 二极管和有关诊断技术等。由于军事、科学实验和工业上的需要, 脉冲功率技术已经发展到相当高的水平。
脉冲功率技术经过半个多世纪的发展, 已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业、民用领域延伸。作为当代高新技术领域的重要组成部分, 它的发展和应用与其他学科的发展有着密切的关系。分析当前脉冲功率技术的发展趋势, 可以概括为以下几个方面:
(1)由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务, 并且大多是单次运行, 而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率, 必须重复频率工作。
(2)储能技术——研制高储能密度的电源。在很多应用场合下, 脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素, 如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等, 都要求产生很大的脉冲功率, 而且系统又不能过于庞大和笨重。因此, 高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。
(3)开关技术——探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能, 是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。美国空军武器科学家认为, 目前大功率开关技术包括以下几个方面: 短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术, 而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此, 具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制, 是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。
(4) 积极开辟新的应用领域。如前所述, 脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、电磁发射等领域已得到日益广泛的应用。近年来, 脉冲功率技术在半导体集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究, 已引起各界的广泛重视, 而且在某些应用研究中, 已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验, 脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面, 民用是一个巨大的市场, 而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。
作为当代高新技术研究的重要技术基础之一, 脉冲功率技术的发展和应用与其他学科的发展有着密切的联系。随着研究的不断深入, 储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展, 而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。总之, 脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术, 它是高新技术研究的重要技术基础之一, 有着非常广泛的发展和应用前景。
二、脉冲功率技术的储能技术
l 高能量密度
l 高娜压强度
l 高放电电流
l 长存储时间
l 高充电与放电效率
l 高功率倍增

l 高重复频率和长使用寿命
l 低成本
脉冲功率技术的储能方法有：电容储能；电感储能；机械储能；化学能储能等
2.1惯性储能
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，使其储存足够的动能，然后利用其转动惯性脉冲地驱动合适地发电设备，把机械能转变成电磁能。
惯性储能优点是储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。惯性储能应用于：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。常用惯性储能设备有换向直流脉冲发电机，单极脉冲发电机，同步发电机，补偿脉冲发电机。
2.1.1直流发电机
直流发电机由激磁磁场，转子电枢和端部换向器组成，从电刷引出直流电压。为了获得更高能量的脉冲，应当使用飞轮惯性储能。发电机转子和更大质量的飞轮常用异步机拖动，使它们逐渐储存大量的动能。当达到额定转速后，再向发电机提供激磁电流以建立激磁磁场，于是发电机便产生空载电压。使电动机与电网脱离，同时接通外电路负载，负载便获得电流。发电机开始减速，储存于转子和飞轮中的机械能被脉冲地转变成电磁能，完成一个脉冲的工作。发电机在空载启动和加速飞轮过程中必须切断激磁绕组。直流发电机可以单台独立运行，也可多台串并联运行。
2.1.2单极脉冲发电机（HPG）
通常所说的HPG储能，是指HPG转子惯性储存的动能，由于HPG使用的转子即是储能体又是感应电势所用的单匝线圈，所以HPG的输出电压较低，一般在几十伏到几百伏之间。由于HPG的内阻较低（<10uΏ），弥补了电压低的缺点。HPG特别适合作脉冲电源用，特别是所需的储能达几十至几百兆焦耳时。HPG所用的激磁的场线圈异常简单，且转子无绕组，所以转子很快能被加速到高速度，并且能以毫秒时间把惯性储存的动能转变成电能。恒流激磁时，HPG可以被看成一个大容量低压等效电容𝐶𝑒𝑓。这个等效电容很大，可以达几千法拉。为了有效地传递能量，HPG与电感负载配合将不方便。
𝐶𝑒𝑓=2𝐸𝑘𝑈2 ,
𝐸𝑘是存储在转子中的动能。
𝐶𝑒𝑓=2𝐸𝑘𝑈2 =4𝜋2𝐽Φ2=2𝜋𝜌ℎ𝐵2 ，
x588;转子的材料密度，h是转子的厚度。
减小𝐶𝑒𝑓，可能通过改变相关参量（ρ,h,B），但要考虑相应的制约因素。
第一，过分减小转子材料密度，难于保障转子的机械强度和电导率。此外，如果使用非铁磁材料时，𝜌减小将导致激磁的场线圈和电源的成本提高。
第二，不能使h太小，转子太薄将引起转子振动，并且电磁力可能损坏转子，而且由于储能成本几乎与转子厚度和直径之比成反比，所以减小h将使储能成本增大。
第三，磁感应强度Ｂ的增大受磁轭的磁饱和限制，过分加大Ｂ将使场线圈和它的电源成本增加。
减小等效电容的有效办法。采用HPG本身给它的场线圈供电的自激式HPG，此时的场线圈即起激磁作用又起电感储能器作用。将若干个HPG串联使用，尤其在相邻的转子共用一个激磁线圈时，效果更好。它不仅能使等效电容变小，而且还能提高输出电压。
自激HPG的工作过程：转子被电动机（或其它原动机）驱动而旋转，当转子达到额定转速后，使转子脱离驱动电机以惯性转动。首先启动外部电路或利用电感储能线圈的剩磁提供少量磁通，转子切割此磁通，同时用驱动器接入电刷，与电感线圈串联的电路便获得电流，这个电流产生的磁场再激励HPG，使转子和电感线圈的电流迅速增大起来。当电感线圈电流达到额定值后，使断路开关断开，以高压把能量传递给外负载。
2.2电容储能
电容储能是以电场方式进行储能的。高压脉冲电容器,内感尽可能地小，能够多次重复短路放电。双电层电容器储能密度达30kJ/kg 。在使用电容器作为储能元件时，可以将电容器串并联，或者蓄电池与电容器组合使用。以电容器作为储能元件的应用有经典marx发生器，新型marx发生器（高效能，电感隔离型），L-C倍压器等。
2.2.1电容器组放电
电容器组脉冲放电装置非常简单，但用途却非常广泛。受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点，脉冲强磁场，电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模拟，液电爆炸，飞行器除冰等。
电容器放电时，脉冲电流的幅值Im均与电容储能W和电感值有关。若增大Im，减小电感L，增大电压U0或增大电容C。回路电流幅值Im与放电回路电阻R有关。R减小，可以使U0/R增大。电流上升率与电感大小有关，Ldi/dt=U0。
2.2.2电容器组放电技术要点
减小回路电感。如果满足脉冲功率技术中电流上升陡度大的要求，应当减小回路电感。在应用中选用低感电容器，在结构上采取合理措施。电容器并联时，圆形对称排列，引线电缆长度相等。同时要考虑电动力作用。由于运行电流可达100MA，在导线间产生极向的电动力。这种力随导线间距离的减小而增大，但距离减小时电感也减小。在这个矛盾下，首先应当满足减少回路电感的要求，然后再考虑加固导线的机械强度防止物电动力的破坏。传输线的设计也要注意以下几个原则：
l 较小的电感和电阻，或较低的波阻抗
l 承受较大的电动力
l 连接点有很好的接触，以减少接触电阻
l 足够的绝缘强度
2.3电感储能
电感储能是以磁场方式进行储能的。电感储能技术在现代科学技术领域中，如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生及强脉冲电磁辐射等领域，都有极为重要的应用。
2.3.1电感储能的缺点
向负载转换能量需要大容量的断路开关，并且开关动作要快，工作可靠和寿命较长。断路开关技术是决定电感储能技术能否发展的因素之一。
单级电感储能装置向负载馈电的能量转换效率低，对电感负载最大不超过25%。虽然多极电感储能可提高效率但使电路和设备复杂性，导致体积庞大和造价升高。
结论
本文介绍了脉冲功率技术的发展历史及发展现状。作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展和应用与其他学科的发展有着密切的联系。随着研究的不断深入，储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展，而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。本文着重介绍了脉冲功率技术中的储能技术惯性储能储能密度高，体积小，可移动，但维护比较繁琐。电容储能应用的关键技术是开关技术，限制了其应用。电感储能能量不易保存，能量耗费大，超导技术技术复杂，实现比较困难。
总之，脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术，它是高新技术研究的重要技术基础之一，有着非常广泛的发展和应用前景。
参考文献
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