电感储能式大功率高压脉冲调制器制造技术

本发明专利技术属于储能，开关，脉冲功率调制等综合技术．本发明专利技术利用电感储能作为初级储能电源，经无触点大功率高压直流快速开关切换电路，利用高能非线性电阻进行能量转换，产生满足一定技术要求的大功率高压脉冲．本发明专利技术具有高压脉冲波形好．对电网的冲击负荷小，造价低，工作安全可靠等优点．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能，开关及脉冲功率调制技术。公知的大功率高压脉冲调制技术，一般使用电容器作为初级储能电源，或者直接利用公用电网经高压整流，辅以仿真线及反馈调整环节，经过调制，获得符合一定波形要求的高压脉冲输出。前者，由于电容器储能密度低，能量利用率差，体积大，造价高，仅适用于容量较小的装置;而后者，由于脉冲功率直接取自公用电网，冲击负荷大，一般还需进行补偿，对地区电网的要求较高，初始投资较大。为了克服上述两种方法的缺陷，我们采取了新的技术途径。本专利技术是利用电感储能作为初级储能电源，经无触点大功率高压直流快速开关切换电路，利用高能非线性电阻进行能量转换，产生在规定脉宽内具有要求顶压降落的大功率高压脉冲。关于电感储能，由于储能密度高，储能量大，单位储能的造价低，使用寿命长等优点，在储能技术中占有相当重要的位置。但是由于能量转换技术及器件的限制，现在应用还不普遍。在脉冲调制技术中，仅有用作脉冲电流发生器的，还没有用作脉冲电压调制器的先例。高能非线性电阻，目前主要是高能氧化锌非线性电阻，是近十多年来出现并迅速发展起来的新型电工元件。但主要在电力系统中用作无间隙避雷器及电路的过电压保护。近年来，用于大型电机的灭磁保护及转子过电压保护也取得了进展。我们由于工作的需要，曾对非线性电阻用作电感储能的能量转换进行了分析研究，证明了在受控核聚变工程中用作绝热压缩试验，是一种理想的换能元件。而无触点大功率高压直流开关，由于其动作迅速、准确、可靠、寿命长、维护简单，是一种理想的开关器件。目前仅有少数发达国家的研制取得了进展。它在电感储能的能量转换中有着重要的作用。本专利技术，将以上三种先进技术结合起来，充分发挥它们各自的特点，实现了电感储能的能量转换与高压脉冲的调制，构成了独具特色的，与现有二种方法根本不同的大功率高压脉冲调制器。经过对迄今为止的专利文献的检索，以及有关学术文献的查阅，目前国内外尚无同样原理的设计或装置。本专利技术是根据本所受控核聚变工程中辅助加热试验的需要，借鉴并应用本所，本课题组长期以来在电感储能，大功率高压直流开关，非线性电阻等方面的研究成果与经验，提出了电感储能式大功率高压脉冲调制器的方案设计，并进行了原理性试验及关键部件试验，均获得成功。我们的目的，在于大幅度减小脉冲功率对所区变电所及地方电网的冲击，降低大功率高压脉冲电源的造价。本专利技术的基本原理与主要结构如附图1所示;由交流整流电源1，直流输出开关2，续流二极管3，储能电感4，主开关5，强迫换流回路6，反峰阻断7，非线性电阻8，顶升或反馈调整环节9，负载或伪负载10，以及微机控制和保护系统11所组成。工作过程如下交流整流电源1通过直流输出开关2及主开关5，对储能电感4充电。当电流达予期值后，直流输出开关2关断，电感中的电流通过续流二极管3续流。与此同时，应用强迫换流原理，使主开关5开断，强迫电流经反峰阻断7流向非线性电阻8及负载9，形成高压脉冲。达予定脉宽后，主开关5闭合，高压脉冲立即切除，从而在负载上得到一个具有要求顶压降落的大功率高压脉冲。典型波形如附图2所示。图中uL，iL为储能电感的电压与电流波形;uNR，iNR为非线性电阻的电压与电流波形uR，iR为负载上的电压与电流波形(此处为电阻性负载)tL为系统充电时间td为系统恢复时间tm为高压脉冲的宽度Um为高压脉冲的幅值Ue为交流整流电源的直流输出电压Δu为高压脉冲的顶压降落Io为储能电感的充电电流值本专利技术中，主开关是一个极为重要的关键器件，要求闭合与开断均快速，准确，可靠。只有无触点高压直流快速开关才能胜任。如附图1所示，主开关5由饱和电抗器及多只晶闸管经均压措施后串联而成。强迫换流回路6主要由换流电容14，以及呈桥式联接的四只高压直流快速闭合开关15，16，17，18所构成。利用电感与电容串联与直流电源接通的强迫振荡，开关元件的单向导电性，以及桥式回路的反复倒向。经若干次循环后，换流电容14上的电压逐次上升，直至达到所需要的值为止。从而为整个调制器的首次运行提供了条件。而一旦首次运行之后，上述振荡充电过程即无须再重复进行。此线路的优点在于既省略了一套对换流电容予先进行充电的高压充电机，又使调制器的高重复率运行成为可能。而桥式回路的二相邻桥臂尚可兼作备用保护撬棒使用，充分发挥了各元件的功能，提高了装置运行的可靠性。直流输出开关2也是一个无触点直流高压快速开关，只是工作电压较低而已。高重复率运行时，它可一直保持导通，无需关断，以便连续不断地向电感补充能量。此时，储能电感中的电流波形如附图2中的粗虚线所示。至于强迫换流技术，或称为人工过零技术，已为专业工作者所知晓。另外，本专利技术的中心控制包括一台微计算机，及其相应的光电耦合接口，驱动线路和触发线路等。保护部分除了一般的常规保护之外，高压过压保护12是采用高压压敏电阻检测过压信号，高压过荷保护是利用负载板流或阴流检测13检测过流信号，启动主开关兼撬棒，瞬时切除高压。同时，由于本专利技术的特定原理及结构而具有自限流与自限压功能，结合主动保护措施，为整个电源提供了极为可靠的保护。本专利技术比前述二种方式的高压脉冲调制器的高压脉冲的波形质量好，对电网的冲击负荷小，本身具有自限压，自限流功能。工作安全可靠，造价仅为前二种的1/2～1/4，当脉冲功率愈大时，经济性愈为明显，克服了上述二种方法的固有缺陷，是一种理想的大功率高压脉冲调制器。在受控核聚变试验装置、高能粒子加速器等电物理装置中均可广泛应用。在雷达等大功率脉冲调制技术中，也具有潜在的应用价值。实施本专利技术，需结合负载对高压脉冲的技术要求，按所述原理进行设计计算。主要部件应按计算结果决定技术参数。其中交流整流电源1可为一般三相交流不控整流器，容量可按电感的平均充电功率及最大充电电流设计。直流输出开关2与主开关5均为无触点高压直流快速开关，以晶闸管开关最为理想，容量合适的离子管开关也可使用。强迫换流回路6由四台联成桥式的具有单向导电性的可控高压闭合开关及换流电容等组成。开关可由晶闸管或离子管或间隙构成。换流电容须串联一高压熔断器，以保护开关逆弧或重燃时的短路故障。储能电感4作为装置的初级电源，可以是各种形式的电感线圈，如常温或低温，或超导线圈;空芯或铁芯线圈;环形螺管或饼式筒形线圈等等。其中以超导环形螺管线圈在减小本身的能量损耗，缩小电源容量，以及形成一个封闭的磁场位形方面最为理想;但是常温空芯园筒形线圈较易加工，所以应结合技术要求及加工、运行等条件决定取舍。但是，任一种线圈的储能量、磁通量均应满足高压脉冲的要求。反峰阻断7，用于隔离任何施于负载及非线性电阻上的反向电压，并控制高压脉冲的前沿，也是具有单向导电性的高压可控闭合开关，可由晶闸管、离子管或间隙构成。非线性电阻8，现采用高能氧化锌非线性电阻器，我们利用它在宽阔的电流变化区间内具有极为平坦的伏安特性及其高能量密度的优异性能，实现近于恒压的高压脉冲的形成。但应按调制器的具体要求确定元件的额定电压，通流容量，能量容量等，并须按平均能耗采用一定的散热措施。顶升装置或反馈调整环节9，利用了自补偿性能或反馈调节的特性使高压脉冲的顶压降落进一步减小，根据需要决定取舍。微机控制与保护系统11，提供了一个基本的时序控制及中断保护程序，当任一故障发生时，立即进入保护程序中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率高压脉冲调制器，其特征在于采用电感储能装置（４）作为初级储能电源，采用无触点大功率高压直流快速开关（２）和（５）切换电路，采用高能量密度的非线性电阻（８）进行能量转换，采用反峰阻断（７）隔离任何加于负载的反向电压，并控制高压脉冲的前沿。

【技术特征摘要】
1.一种大功率高压脉冲调制器，其特征在于采用电感储能装置(4)作为初级储能电源，采用无触点大功率高压直流快速开关(2)和(5)切换电路，采用高能量密度的非线性电阻(8)进行能量转换，采用反峰阻断(7)隔离任何加于负载的反向电压，并控制高压脉冲的前沿。2.如权利要求1所述的无触点大功率高压直流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正之，郭祥玉，潘永东，黄河，王绍华，冯志，段泽民，章元德，刘彦琴，程济昌，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]