一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置及其方法，包括直流电源模块，用于输出直流电压，第一级陡化模块与直流电源模块连接，将直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，升压模块与第一级陡化模块连接，放大周期在微秒级的脉冲电压，第二级陡化模块与升压模块连接，将放大的周期在微秒级的脉冲电压陡化，实现输出幅值较大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。通过两级陡化模块陡化脉冲电压，升压模块放大脉冲电压，使得本发明专利技术结构简单，易于长期运行，本发明专利技术的高压重频脉冲产生装置能够提供上升沿在400ns以内，电压幅值200kV，频率5Hz，单发能量900J的高压脉冲，配合放电电极，可以完成多种岩石和多晶硅棒料的破碎工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电脉冲岩石破碎领域，更具体地，涉及一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置。
技术介绍
岩石破碎一直是人类改造自然、获取资源的一种生产方式。利用高压脉冲放电对岩石进行破碎是近些年来发展起来的一种新型破碎方式。其原理是利用脉冲放电产生的等离子通道的膨胀应力对岩石形成破碎，相比于传统的机械破碎和炸药爆破破碎，高压脉冲破碎具有无飞石、无污染、输出能量易于控制和破碎效率高的优点。国内外研究表明，对用于岩石破碎的高压脉冲波形主要要求为在500ns的上升沿和足够高的电压幅值。常用的高压脉冲源有Marx电路和脉冲变压器电路两种方式，Marx电路结构复杂，开关器件多，容易发生故障，维护不便，长时间稳定运行困难，且耗能元件多，能量利用率低。脉冲变压器电路结构简单，开关器件少，但由于脉冲变压器本身固有的电气特性，脉冲变压器输出的脉冲上升沿一般都在微秒量级，达不到破碎用高压脉冲的要求。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提供一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，旨在解决现有高压重频脉冲产生装置中由于自身电气特性导致不能兼顾输出的高压重频脉冲的上升沿在500ns以内以及长期稳定运行的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供的一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置包括直流电源模块、第一级陡化模块、升压模块以及第二级陡化模块。直流电源模块用于输出直流电压；第一级陡化模块，其输入端与直流电源模块的输出端连接，用于将直流电源模块输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压；升压模块，其输入端与第一级陡化模块的输出端连接，用于将周期在微秒级的脉冲电压进行升压，输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压；第二级陡化模块，其输入端与升压模块的输出端连接，用于将幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压转化为幅值放大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。通过第一级陡化模块将直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，通过升压模块提升周期在微秒级的脉冲电压的幅值，并通过第二级陡化模块将幅值放大后的周期在微秒级的脉冲电压进一步陡化，输出高幅值且周期在纳秒级的脉冲电压，本专利技术中仅采用了两级陡化实现输出上升沿在纳秒级的脉冲电压，升压模块输入端与第一级陡化模块连接，升压模块的输出端与第二级陡化模块连接，能够避免由于第一级陡化模块和第二级陡化模块直接连接造成的结构复杂的问题，能够有效降低第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压，且采用升压模块对脉冲电压进行放大，使得本专利技术提供的高压重频脉冲产生装置结构简单，避免使用大量的开关器件，易于长期运行。进一步地，第一级陡化模块包括第一储能电容、放电开关和电阻，放电开关阴极与直流电源模块的负输出端连接，放电开关阳极与电阻一端连接，电阻另一端与直流电源模块的正输出端连接，第一储能电容一端与升压模块第一输入端连接，第一储能电容另一端与放电开关阳极连接，升压模块的第二输入端与直流电源模块的负输出端连接；第一储能电容，通过对第一储能电容充放电输出周期在微秒级的脉冲电压；放电开关，用于控制周期在微秒级的秒冲电压的幅值；电阻，用于防止直流电源模块正输出端与负输出端短接。直流电源模块输出的直流电压向第一储能电容充电，当第一储能电容中电压达到放电开关的闭合电压时，放电开关闭合，第一储能电容通过升压模块放电；当第一储能电容的电压下降到放电开关的断开电压时，放电开关闭合，直流电源模块对于第一储能电容充电，第一陡化模块输出周期在微秒级的脉冲电压。第一级陡化模块中仅包含一个开关件，能够显著提高本专利技术提供的高压重频脉冲产生装置的使用寿命，且采用升压模块连接第一级陡化模块和第二级陡化模块，能够避免由于第一级陡化模块与第二级陡化模块直接连接导致结构复杂的问题，能够减少第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压。进一步地，第一储能电容的充电回路为直流电源模块负输出端到第一储能电容连接导线和直流电源模块负输出端到第一储能电容连接导线；第一储能电容的放电回路为放电开关、升压模块以及连接导线；第一储能电容的容值和放电回路的等效电阻的乘积小于10-5；第一储能电容的容值和充电回路的等效电阻的乘积小于10-5。通过限制第一储能电容容值和充电回路的等效阻值，能够加速第一储能电容的充电速率，同时通过限制第一储能电容容值和放电回路的等效阻值，能够加速第一储能电容的放电速率，能使第一陡化模块输出周期更小的脉冲电压，再经过第二级陡化模块陡化，使得高压重频脉冲产生装置能够输出上升沿更陡的脉冲电压。进一步地，放电开关为三电极可触发气体开关，该气体开关电感小、耐压高以及结构紧凑，有利于提高压重频脉冲产生装置的运行寿命，且利于陡化脉冲电压。进一步地，第二级陡化模块包括第二储能电容第一储能电容和陡化开关，第二储能电容一端连于升压模块的第一输出端，第二储能电容另一端连于升压模块的第二输出端，陡化开关的阳极连于升压模块的第一输出端，陡化开关的阴极用于与放电单元连接；第二储能电容通过充放电使第二储能电容两端的电压的上升沿在纳秒级；陡化开关，用于控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的幅值；升压模块输出端到第二储能电容的连接导线等效电阻在兆欧级。升压模块输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压，并向第二储能电容进行充电，由于升压模块输出端到第二储能电容的连接导线等效电阻在兆欧级，使得第二储能电容两端的电压的上升沿在纳秒级，当第二储能电容的电压达到陡化开关的闭合电压时，陡化开关转到闭合状态，升压模块对第二储能电容继续充电，同时第二储能电容向放电单元放电，当第二储能电容的电压降低到陡化开关的断开电压时，陡化开关断开，通过陡化开关控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的输出幅值。第二级陡化模块仅采用了一个陡化开关，能够显著提高高压重频脉冲产生装置的寿命，且采用升压模块连接第一级陡化模块和第二级陡化模块，能够避免由于第一级陡化模块与第二级陡化模块直接连接导致结构复杂的问题，能够减少第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压的上升沿。进一步地，陡化开关为两电极自击穿导通开关，具有工作可靠性高的优点，有利于提高高压重频脉冲产生装置的运行寿命。进一步地，直流电源模块包括整流滤波单元，用于将三相交流电转化为直流电流；全桥逆变单元，其输入端与整流滤波单元的输出端连接，用于将直流电流转化为交流电流；升压单元，其一端通过谐振电容与全桥逆变单元一端连接，其另一端通过谐振电感与全桥逆变单元另一端连接，用于放大交流电流幅值；整流滤波单元，其输入端与升压单元输出端连接，用于将幅值放大后的交流电整流为直流电流输出。通过整流滤波单元将三相交流电转化为直流电流，全桥逆变单元将直流电流转化为交流电流，通过升压单元对交流电流进行升压，再由整流滤波单元输出幅值放大的直流电流，用直流电源模块为第一储能电容充电提供稳定且幅值较高的直流电。作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种高压重频脉冲产生装置的产生高压重频脉冲方法，包括如下步骤：(1)通过对第一电容充放电的方法将直流电压源转化为周期在微秒级的脉冲电压；(2)将周期在微秒级的脉冲电压进行放大处理；(3)通过对第二储能电容充放电的方法将经过放大处理的周期在微秒级的脉冲电压转化为上升沿在纳秒级的脉冲电压。通过对第一储能电容充放电的方法将直流电压转化为周期在微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，包括直流电源模块、第一级陡化模块、升压模块以及第二级陡化模块；所述直流电源模块用于输出直流电压；所述第一级陡化模块，其输入端与所述直流电源模块的输出端连接，用于将所述直流电源模块输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压；所述升压模块，其输入端与所述第一级陡化模块的输出端连接，用于将所述周期在微秒级的脉冲电压进行升压，输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压；所述第二级陡化模块，其输入端与所述升压模块的输出端连接，用于将所述幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压转化为幅值放大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。

【技术特征摘要】
1.一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，包括直流电源模块、第一级陡化模块、升压模块以及第二级陡化模块；所述直流电源模块用于输出直流电压；所述第一级陡化模块，其输入端与所述直流电源模块的输出端连接，用于将所述直流电源模块输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压；所述升压模块，其输入端与所述第一级陡化模块的输出端连接，用于将所述周期在微秒级的脉冲电压进行升压，输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压；所述第二级陡化模块，其输入端与所述升压模块的输出端连接，用于将所述幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压转化为幅值放大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。2.根据权利要求1所述的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，所述第一级陡化模块包括：第一储能电容、放电开关和电阻，所述放电开关阴极与所述直流电源模块的负输出端连接，所述放电开关阳极与所述电阻一端连接，所述电阻另一端与所述直流电源模块的正输出端连接，所述第一储能电容一端与所述升压模块第一输入端连接，所述第一储能电容另一端与所述放电开关阳极连接，所述升压模块的第二输入端与所述直流电源模块的负输出端连接；所述第一储能电容通过充放电输出周期在微秒级的脉冲电压；所述放电开关用于控制周期在微秒级的脉冲电压的幅值；所述电阻用于防止直流电源模块正输出端与负输出端短接。3.如权利要求2所述的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，所述第一储能电容的容值和所述放电回路的等效电阻的乘积小于10-5；所述第一储能电容的容值和所述充电回路的等效电阻的乘积小于10-5；其中，充电回路为直流电源模块负输出端到第一储能电容连接导线和直流电源模块正输出端到第一储能电容连接导线；放电回路为放电开关、升压模块以及连接导线。4.根据权利要求2或3所述的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，所述放电开关为三电极可触发气体开关。5.根据权利要求1所述的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，所述第二级陡化模块包括：第二储能电容和陡化开关，所述第二储能电容一端连于所述升压模块的第一输出端，所述第二储能电容另一端连于所述升压模块的第二输出端，所述陡化开关的阳极连于所述升压模块的第一输出端，所述陡化开关的阴极用于与所述放电模块连接；所述第二储能电容通过充放电使第二储能电容两端的电压的上升沿在纳秒级；所述陡化开关用于控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的幅值；所述升压模块输出端到第二储能电容的连接导线等效电阻在兆欧级。6.根据权利要求5所述的高压重频脉冲产生装置，其特征在于，所述陡...

【专利技术属性】
技术研发人员：何孟兵，刘俊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42