1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE II - PAGE IV -電感儲能型高壓方波脈沖電壓發(fā)生器方案設(shè)計摘要本文對脈沖功率技術(shù)的歷史和發(fā)展前景進(jìn)行了闡述，介紹了幾種脈沖發(fā)生器，并提出了電感儲能型脈沖方波電壓發(fā)生器的設(shè)計方案。脈沖功率技術(shù)在電子加速、激光、核物理、醫(yī)療保健、食品加工、電磁發(fā)射、電磁成形、國防軍事等多個領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。目前，脈沖功率技術(shù)主要向著高功率、高能量、多種轉(zhuǎn)換方式以及重復(fù)脈沖等方向發(fā)展。電感儲能型脈沖發(fā)生器相比電容儲能型，主要是其儲能密度更高，有利于設(shè)備的小型化，尤其在兆焦級以上的裝置中，電感儲能型脈沖發(fā)生器在經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)越性。電感

2、儲能僅受到電磁力的限制，而電容儲能需要考慮電場強(qiáng)度，以防止電容電介質(zhì)的擊穿。方波波形相對于指數(shù)波、交變波等其他波形來看，在某些領(lǐng)域，如食品殺菌領(lǐng)域，優(yōu)勢比較明顯。由于能量的大小不僅和功率有關(guān)，也和脈沖持續(xù)時間有關(guān)，同樣電壓等級下，方波保持足夠的脈寬時可以提供更高的能量。本課題主要工作內(nèi)容有：首先，通過查閱與課題有關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解了脈沖功率技術(shù)這門學(xué)科，了解了各類型高壓方波脈沖電壓發(fā)生器的基本原理，技術(shù)特點(diǎn)，技術(shù)難點(diǎn)，存在的主要技術(shù)問題和未來技術(shù)發(fā)展前景。再者，提出電感儲能型高壓方波脈沖發(fā)生器的主電路方案，并對主電路方案進(jìn)行仿真分析。關(guān)鍵詞脈沖功率；電感儲能；脈沖發(fā)生器；方波Design o

3、f Inductive Energy Store High Voltage Square-wave Pulse GeneratorAbstractIn the paper, the history and prospect of technology on pulse power is explained, and some varieties of pulse generator is introduced. Then a design of inductive energy store square-wave pulse generator is proposed.Technology o

4、n pulse power has applications in many fields, such as electron acceleration, laser, nuclear physics, medical care, food handling, electromagnetic launch, magnetic forming, national defense and military.Inductive energy store pulse generator contrasted to capacitor power-storing pulse generator has

5、advantage in energy density, so it can make the size of equipments smaller. Due to this feature, inductive energy store pulse generator is fit for MJ level equipments. As to inductive energy store pulse generator, what we care about is the influence of electromagnetic force. But in capacitive energy

6、 store pulse generator, we should make the electrical field strength below the breakdown field strength of the dielectric. Square-wave shape by the contrast of exponential wave or alternation-wave shape, in some fields, such as food handling field, is more useful. Energy is dependent on not only pow

7、er but also pulse width. So at the same voltage level, square-wave can hold a longer pulse width, and then provide more energy.In this paper, the main work is: First, after reading domestic and abroad papers about this item, I got some knowledge about technology on pulse power and pulse generators p

8、rinciple, feature, technical difficulties and developing direction. Then I propose the design of the main circuit of inductive energy store pulse generator, and analysis the circuit by simulation.Keywordstechnology on pulse power； inductive energy store； pulse generator；square-wave目錄 TOC o 1-3 h z u

9、 HYPERLINK l _Toc327876085 摘要 PAGEREF _Toc327876085 h I HYPERLINK l _Toc327876086 Abstract PAGEREF _Toc327876086 h II HYPERLINK l _Toc327876087 第1章 緒論 PAGEREF _Toc327876087 h 1 HYPERLINK l _Toc327876088 1.1 脈沖功率技術(shù)概述 PAGEREF _Toc327876088 h 1 HYPERLINK l _Toc327876089 1.1.1 表征脈沖功率的技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc32

10、7876089 h 1 HYPERLINK l _Toc327876090 1.1.2 脈沖功率系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc327876090 h 1 HYPERLINK l _Toc327876091 1.2 脈沖功率技術(shù)的發(fā)展 PAGEREF _Toc327876091 h 2 HYPERLINK l _Toc327876092 1.3 脈沖功率技術(shù)的發(fā)展前景 PAGEREF _Toc327876092 h 3 HYPERLINK l _Toc327876093 第2章 脈沖發(fā)生器 PAGEREF _Toc327876093 h 7 HYPERLINK l _Toc32787609

11、4 2.1 儲能方式 PAGEREF _Toc327876094 h 7 HYPERLINK l _Toc327876095 2.1.1 電容儲能 PAGEREF _Toc327876095 h 7 HYPERLINK l _Toc327876096 2.1.2 電感儲能 PAGEREF _Toc327876096 h 9 HYPERLINK l _Toc327876097 2.1.3 其他儲能技術(shù) PAGEREF _Toc327876097 h 12 HYPERLINK l _Toc327876098 2.2 脈沖功率系統(tǒng)的開關(guān) PAGEREF _Toc327876098 h 15 HYPE

12、RLINK l _Toc327876099 2.2.1 短路轉(zhuǎn)換開關(guān) PAGEREF _Toc327876099 h 15 HYPERLINK l _Toc327876100 2.2.2 斷路轉(zhuǎn)換開關(guān) PAGEREF _Toc327876100 h 17 HYPERLINK l _Toc327876101 2.3 國內(nèi)外研發(fā)的幾種脈沖發(fā)生器介紹 PAGEREF _Toc327876101 h 18 HYPERLINK l _Toc327876102 第3章 電感儲能型脈沖方波發(fā)生器的仿真與分析 PAGEREF _Toc327876102 h 20 HYPERLINK l _Toc3278761

13、03 3.1 電感儲能型脈沖方波發(fā)生器原理 PAGEREF _Toc327876103 h 20 HYPERLINK l _Toc327876104 3.2 電感儲能型脈沖方波發(fā)生器的仿真分析 PAGEREF _Toc327876104 h 22 HYPERLINK l _Toc327876105 結(jié)論 PAGEREF _Toc327876105 h 27 HYPERLINK l _Toc327876106 致謝 PAGEREF _Toc327876106 h 28 HYPERLINK l _Toc327876107 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327876107 h 29 HYPERL

14、INK l _Toc327876108 附錄 PAGEREF _Toc327876108 h 30PAGE II- - PAGE V - PAGE 10 - PAGE 47 -緒論 脈沖功率技術(shù)概述脈沖功率技術(shù)已經(jīng)誕生40余年，并已被中國電氣工程大典收錄，被國務(wù)院定位二級學(xué)科1。脈沖功率科學(xué)與技術(shù)，是研究用某種脈沖高功率裝置首先把能量緩慢地儲存起來并進(jìn)行形態(tài)變換或壓縮的調(diào)節(jié)，最后以極短的時間脈沖地快速釋放給負(fù)載的電物理學(xué)科技術(shù)。 表征脈沖功率的技術(shù)參數(shù)在脈沖功率技術(shù)這一學(xué)科中，通常使用以下幾個參數(shù)表證脈沖功率的特性。(1) 功率數(shù)值。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，109W功率量級的發(fā)電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，世界上

15、最大的發(fā)電站的功率也已經(jīng)接近1010W，而對于現(xiàn)代大型脈沖功率裝置，其不同于發(fā)電機(jī)長時間連續(xù)發(fā)電的工作方式，其功率早已達(dá)到1014W。(2) 能量范圍。各種不同的應(yīng)用對于脈沖功率輸出裝置所輸出能量的要求不同，有些小裝置只有幾焦耳，有些較大的裝置輸出能量高達(dá)百兆焦耳量級甚至更高。(3) 脈沖寬度。由于目前的技術(shù)水平和應(yīng)用的需要，脈沖功率輸出的脈沖寬度一般在1ns10s量級范圍內(nèi)。例如強(qiáng)流離子束加速器的脈沖寬度僅有幾十納秒，電爆炸導(dǎo)體裝置和電感儲能型X射線機(jī)所需的輸出脈沖寬度為微秒或幾十微秒量級，電磁發(fā)射中的軌道炮或者線圈炮等所需脈沖輸出的寬度為幾毫秒，電磁彈射飛機(jī)和增程火箭等裝置的脈沖工作時間達(dá)

16、到秒級或幾十秒。(4) 脈沖前沿。通常把脈沖上升幅值的10%90%的期間定義為脈沖前沿時間，它表征了脈沖的上升速度的快慢。一般情況下，需要脈沖前沿時間越小越好。(5) 功率增長速度。功率增長速度，即功率除以上升時間，其單位為W/s，它表征了功率上升的快慢程度?，F(xiàn)代大型脈沖功率裝置的功率增長速度可達(dá)1018W/s或1020W/s。綜上可見，要使脈沖功率裝置對負(fù)載輸出更多能量，不僅需要高功率的輸出，也需要增大脈寬，這是由于其脈沖工作方式所導(dǎo)致的。 脈沖功率系統(tǒng)的組成脈沖功率系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：初級供能能源，功率調(diào)整系統(tǒng)，能量儲存單元，脈沖形成回路，開關(guān)，負(fù)載。初級供能能源可以是化學(xué)供能，電

17、廠交直流電供能，電化學(xué)供能（電池），核能供能，磁流體和一些激勵線圈等各類供能裝置。一般來說，初級供能能源不能直接將能量以很陡的脈沖形式輸送給負(fù)載，而且負(fù)載一般要求高電壓脈沖，初始能源也不能輸出很高電壓的脈沖。功率調(diào)整系統(tǒng)主要是將由初級供能能源輸入的功率進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到較高電壓，將輸入給功率調(diào)整系統(tǒng)的功率變成脈沖形式，是能量易于傳送給能量儲存單元。能量儲存單元的作用主要是：第一，為功率調(diào)整系統(tǒng)提供了恒定的負(fù)載，起隔離功率調(diào)整系統(tǒng)和脈沖形成回路的作用；第二，在輸出一個脈沖到脈沖形成回路后，為產(chǎn)生下一個脈沖儲存能量。脈沖形成回路的作用是將能量儲存單元傳送來的能量以較陡的脈沖形式施加在負(fù)載上。開關(guān)是

18、脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，開關(guān)的選擇直接影響了輸出脈沖的參數(shù)，尤其是輸出脈沖的脈沖前沿時間。 脈沖功率技術(shù)的發(fā)展脈沖功率技術(shù)之所以能出現(xiàn)并快速發(fā)展，是因?yàn)橹T多新興學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的需求以及人類使用電能技術(shù)的提高。人們對于脈沖放電的研究開始于對天然雷電現(xiàn)象的雷電特性的研究，以及它對輸電線路、建筑物等的危害以及防護(hù)。這些研究其放電時間一般在毫秒級或微秒級。20世紀(jì)30年代，脈沖功率學(xué)科逐漸形成，是從對閃光X射線的研究開始的。1938年，Kingdon和Tanis第一次發(fā)表用高壓脈沖電源放電產(chǎn)生微秒級脈沖寬度X射線的文章；幾乎同時，Steenbeck也公布了高功率脈沖電源能產(chǎn)生閃光X射線的結(jié)果。1939年

19、，蘇聯(lián)人又研制出真空脈沖X射線管，并把閃光X射線照相技術(shù)用于彈道學(xué)和爆轟物理學(xué)研究方面。第二次世界大戰(zhàn)期間，企圖用于軍事的電磁炮的研究增加了力度，但由于大量人力財力用于常規(guī)戰(zhàn)爭裝備的改進(jìn)上，這段時間脈沖功率技術(shù)并沒有較大進(jìn)步。1947至1948年間，英國人A.D.Blumlein以專利形式把傳輸線波的折反射原理用于脈沖形成線，在納秒脈沖放電方面取得重要突破，并提出將雙層同軸線原理用于雷達(dá)調(diào)制，使匹配負(fù)載能獲得到2倍的線充電電壓值。20世紀(jì)60年代，英國原子能武器研究中心的J.C.Martin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，成功將Marx發(fā)生器與Blumlein的專利結(jié)合起來，建造了世界上第一臺強(qiáng)流相對論電子束

20、加速器SMOG，脈沖功率可達(dá)到1012量級，把脈沖寬度從微秒級壓縮到幾十納秒。J.C.Martin在脈沖功率科學(xué)技術(shù)上的巨大貢獻(xiàn)使人們看到獲得更高功率脈沖電源的可能。在美國，1967年在Sandia實(shí)驗(yàn)室建成的Hermes = 2 * ROMAN II成為當(dāng)時的最大裝置，它輸出的脈沖電壓幅值達(dá)10MV，使二極管輸出輸出為100kA，脈寬為80ns。陸軍Hary Diamond實(shí)驗(yàn)室建成了Aurora裝置，這個設(shè)備由四臺Marx發(fā)生器組成，加在二極管上的脈沖電壓的幅值為14MV，電流1.6MA，脈寬120ns，效率約為50%，功率可達(dá)1013W，成為脈沖功率發(fā)展史上的里程碑。此后，“磁絕緣”被用

21、在Sandia實(shí)驗(yàn)室的PBFA- = 1 * ROMAN I裝置上，通過磁絕緣傳輸線輻射狀的向中心的二極管傳送能量，其功率的峰值可達(dá)到30TW，束流的能量可達(dá)到1MJ；爾后，由于1986年1月建成了PBFA- = 2 * ROMAN II裝置，這臺裝置具有峰值電壓12MV，電流8.4MA，脈寬40ns，束流能量4.3MJ和功率1014W，它是世界上第一個功率突破100TW的脈沖功率裝置，成為脈沖功率發(fā)展史上的又一個里程碑。脈沖功率的發(fā)展經(jīng)歷了幾次重大的突破。第一階段是Blumlein傳輸線的應(yīng)用，建成了脈沖功率達(dá)到TW數(shù)量級的強(qiáng)流相對論電子束加速器；第二階段是以“水”代替“油”，發(fā)展了低阻抗強(qiáng)

22、流電子束加速器，脈沖功率達(dá)到數(shù)十TW量級；第三階段是激光開關(guān)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多臺加速器并聯(lián)運(yùn)行，脈沖功率達(dá)到100TW；目前正處于第四階段的突破口，即發(fā)展重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)。當(dāng)今世界上脈沖功率技術(shù)正朝著更高的功率，更高的電壓，更大的電流和高重復(fù)頻率方向發(fā)展3。 脈沖功率技術(shù)的發(fā)展前景近年來，脈沖功率技術(shù)是主要結(jié)合高新技術(shù)和國防建設(shè)的需求和研發(fā)而發(fā)展起來的。在核聚變的慣性約束聚變的研究中，一個直徑為1mm的氘-氚靶丸欲實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，要求在10-8s的時間內(nèi)給靶丸提供1MJ的能量，即要求脈沖功率要達(dá)到1014W。當(dāng)今世界上最大的發(fā)電廠能提供的功率只有1010W量級，這就需要人類探索新的技術(shù)途徑，促

23、進(jìn)了脈沖功率科學(xué)技術(shù)的研究和發(fā)展。美國自20世紀(jì)70年代，以Sandia、Los Alamos、Lawrence Livermore三大國家實(shí)驗(yàn)室為主，在脈沖功率科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一直代表著當(dāng)今的發(fā)展方向，是世界最高水平。另外，俄、英、日、法、德等國家也先后研制成功眾多高功率脈沖裝置。我國在脈沖功率技術(shù)方面主要是與可控核聚變研究、電子束和粒子束加速器以及新興強(qiáng)激光等重大科學(xué)項(xiàng)目和國防需求緊密結(jié)合起來而發(fā)展的。近來，備受重視的新概念電磁武器等應(yīng)用，要求連續(xù)脈沖發(fā)射，促進(jìn)了產(chǎn)生連續(xù)大功率脈沖的技術(shù)快速發(fā)展。不僅大功率重復(fù)開關(guān)技術(shù)得以發(fā)展，高電壓、大電流的粒子束加速器也迅速崛起。繼1982年美國Lawre

24、nce Livermore國家實(shí)驗(yàn)室研制出使用多臺Marx-Blumlein線型脈沖電源激勵加速管的直線感應(yīng)加速器后，比直線感應(yīng)加速器更有前途的環(huán)形、跑道型循環(huán)感應(yīng)加速器等相繼出現(xiàn)，它們不但能產(chǎn)生高電壓和大束流，而且占據(jù)的空間小、成本低。近來電磁發(fā)射(電磁炮)技術(shù)又迅猛發(fā)展起來。自1978年澳大利亞國立大學(xué)的R.A.Marshall小組用500MJ、1.6MA的單極發(fā)電機(jī)作電磁軌道炮(發(fā)射器)的脈沖電源將質(zhì)量3g的彈丸加速到5.9km/s之后，使全世界的軍事、航天、受控?zé)岷司圩?、高壓物理研究等領(lǐng)域非常振奮，均積極試驗(yàn)，研究用電磁發(fā)射器為己服務(wù)。目前已能把15kg重的炮彈以2.4km/s的速度發(fā)

25、射到200海里，這就極大地刺激著高功率脈沖電源向多樣化、高比能、小體積和低成本方向發(fā)展。由于電磁發(fā)射需求大儲能(100MJ)、長脈沖(ms)的脈沖電源，因此電磁發(fā)射所用的電源種類十分廣泛，可用電容儲能、電感儲能的脈沖電源，也可用化學(xué)儲能、機(jī)械儲能的高功率脈沖電源乃至核能的高功率脈沖電源。因此，過去一度被冷落的機(jī)械慣性儲能電源和化學(xué)能電源(含電池組)再展宏圖，同時還促進(jìn)核能高功率脈沖電源研究步伐的加快以及補(bǔ)償式交流脈沖發(fā)電機(jī)(compulsator)的發(fā)展。同時促使重復(fù)爆炸的磁通壓縮發(fā)生器和脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展。當(dāng)然，電磁炸彈(含微波彈)的需求也是這兩種電源規(guī)模發(fā)展的原因之一。脈沖功率技

26、術(shù)作為當(dāng)代一門重要的高技術(shù)之一，它的發(fā)展與其他學(xué)科的發(fā)展有密切的關(guān)系。當(dāng)前，為提高脈沖功率的性能和擴(kuò)大其應(yīng)用的領(lǐng)域，主要研究以下幾個方向：（一）有關(guān)高儲能密度的脈沖發(fā)生器的研制有些初始能源在單位體積中儲存的能量固然很高，但是在脈沖功率系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換為電脈沖功率的效率卻較低。由于脈沖功率系統(tǒng)對于體積和重量的要求，若初始能源過于龐大，會使脈沖功率系統(tǒng)的造價增加。在某些情況下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，為減小脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量，就必須研發(fā)出儲能密度更高的脈沖功率系統(tǒng)。例如近年來備受關(guān)注的用飛機(jī)探測水下（如深海）物體（如潛艇）的技術(shù)，由于藍(lán)綠激光具有良好的穿透海水的能力，要采用藍(lán)

27、綠激光作為探測的手段，就要在飛機(jī)上安裝能產(chǎn)生藍(lán)綠激光的激光發(fā)射器，而這種激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是高電壓、大功率的脈沖的產(chǎn)生，顯然，產(chǎn)生電壓高、功率大的脈沖發(fā)生系統(tǒng)如果過于笨重就會不便于機(jī)載。又比如艦艇載電磁炮，同樣需要產(chǎn)生很大的脈沖功率，這種脈沖發(fā)生系統(tǒng)的體積過于龐大笨重，顯然也不便于運(yùn)載。因此，各種形式的儲能密度高的利于小型化的脈沖功率發(fā)生器的研制是當(dāng)今重要的研究課題之一。（二）有關(guān)高性能開關(guān)元件的研制開關(guān)元件在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊地位，這是由于開關(guān)元件的技術(shù)參數(shù)和特性對脈沖上升時間、幅值等產(chǎn)生最直接、最敏感的影響。一個脈沖功率系統(tǒng)即使各個組成部分都具有比較良好的性能，而唯獨(dú)開關(guān)元件的性能

28、不好，最終還是不能得到符合要求的輸出脈沖波形。另外，開關(guān)在高電壓、強(qiáng)電流的條件下工作，工作條件惡劣，開關(guān)中的擊穿現(xiàn)象和開關(guān)電極上的放電物理過程都十分復(fù)雜，開關(guān)電極材料在擊穿時的燒損程度將直接影響到開關(guān)的性能和使用壽命。因此，具有耐受高電壓強(qiáng)電流、擊穿時延短且分散性小、電阻和電感小、電極燒損小以及能在重復(fù)脈沖下穩(wěn)定工作的各類開關(guān)元件的研制，是當(dāng)今脈沖功率技術(shù)中又一個十分受關(guān)注的研究課題。最近，國外一些從事脈沖功率技術(shù)研究的單位和高等學(xué)校，提出了關(guān)于開關(guān)的若干研究專題，主要有：（1）開關(guān)中放電模型的研究。其中包括具有高電場強(qiáng)度的絕緣氣體以及混合氣體的放電過程、放電參數(shù)、影響放電的因素、等離子體穩(wěn)定

29、性、等離子體化學(xué)，以及外加磁場對等離子體不穩(wěn)定的影響等。（2）放電產(chǎn)物的研究。包括在高壓強(qiáng)流下，放電的產(chǎn)物對開關(guān)性能、開關(guān)恢復(fù)特性的影響，以及對開關(guān)中電弧發(fā)展的影響等。（3）開關(guān)中電極表面的放電物理過程的研究。（4）固體介質(zhì)開關(guān)的研究。（5）液體、氣體中放電流體動力學(xué)的研究。（6）超導(dǎo)材料與磁開關(guān)的研究。（7）各種形式的切斷開關(guān)的研究。（三）有關(guān)脈沖功率作用下電介質(zhì)放電特性的研究固體、液體、氣體電介質(zhì)，在直流、工頻交流和沖擊電壓（指脈沖上升時間和脈寬都在微秒數(shù)量級的沖擊電壓）下的擊穿特性，多年以來已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)充分的研究，然而在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，即在很陡的脈沖電壓下的電介質(zhì)的擊穿特性，尚缺少比

30、較系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。這是脈沖功率技術(shù)當(dāng)前面臨的十分迫切的研究課題，因?yàn)閷﹄娊橘|(zhì)放電特性的了解，關(guān)系到脈沖功率系統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)的合理選擇，開關(guān)元件絕緣的合理采用，同時，電介質(zhì)的選擇也與脈沖的幅值、功率大小、脈沖寬度和頻率有密切關(guān)系。所以，在陡脈沖條件下，電介質(zhì)的特性也是很受關(guān)注的研究領(lǐng)域。（四）有關(guān)脈沖功率應(yīng)用的研究脈沖功率技術(shù)在粒子加速器、激光、核物理、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來在半導(dǎo)體、集成電路、化工、廢水和煙霧處理、食品殺菌等方面的應(yīng)用研究，已經(jīng)得到了廣泛的重視，而且在某些應(yīng)用領(lǐng)域的研究中，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。例如，用脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生高能帶電粒子束，能使合成材料，如聚乙烯等的熱負(fù)載和

31、機(jī)械負(fù)載能力提高許多倍；有些用高能帶電粒子束處理后的半導(dǎo)體材料和器件的動作特性和可靠性都明顯增強(qiáng)了?？傊?，脈沖功率學(xué)科還是一門年輕的學(xué)科。對于未來脈沖功率技術(shù)的發(fā)展方向可以這樣評估：（1）繼續(xù)向單次超高功率水平發(fā)展。自脈沖功率科學(xué)與技術(shù)誕生以來研制重點(diǎn)一直是產(chǎn)生更高功率的脈沖，目前已突破1014W的里程碑，正向更高的功率水平發(fā)展。（2）向高平均功率的重復(fù)脈沖方向發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，重復(fù)脈沖功率技術(shù)就被更多的人重視，并取得了更快的發(fā)展，重復(fù)功率脈沖技術(shù)的關(guān)鍵在于儲能速度和能大功率重復(fù)轉(zhuǎn)換的開關(guān)的研制?，F(xiàn)在采用半導(dǎo)體斷路開關(guān)的109W級的重復(fù)脈沖功率裝置已經(jīng)研發(fā)成功。（3）向更高的能量水

32、平發(fā)展。以往為滿足一些領(lǐng)域的要求，一直追求高功率。但功率高不等于能量高，高能量的輸出還需要有足夠的脈寬，例如，某一個脈沖功率裝置以10ns的單脈沖輸出1014W的功率，其能量僅為1MJ。這樣的能量對于某些應(yīng)用來說微不足道，例如，從20世紀(jì)80年代興起的電磁發(fā)射技術(shù)（電磁炮），它一般要求每個脈沖能量達(dá)到10100MJ，脈寬達(dá)到幾毫秒，其功率在1010W量級，況且它常以每秒幾十發(fā)射彈的頻率工作；有時發(fā)射103kg級質(zhì)量的射彈，每個脈沖要近102MJ量級能量。（4）向多種類能量轉(zhuǎn)換方向發(fā)展。最早，脈沖功率技術(shù)所用的脈沖電磁能量是來自電站提供的電能，后來又用慣性儲存的機(jī)械能，即用各種脈沖發(fā)電機(jī)單獨(dú)直接

33、供電；現(xiàn)在和未來，開始把化學(xué)能和核能用于脈沖發(fā)電，正如磁通壓縮發(fā)生器和脈沖磁流體發(fā)電機(jī)那樣提供脈沖發(fā)生器 儲能方式能量的儲存系統(tǒng)是脈沖功率裝置的重要組成部分。直接從電網(wǎng)獲取一定波形的大功率脈沖是不可能的。一般都是經(jīng)較長時間將能量儲存在能量儲存系統(tǒng)中，再將能量快速地以脈沖的方式釋放出來，得到脈沖強(qiáng)電流和大功率。常用的儲能方式有電容儲能、電感儲能和機(jī)械儲能，另外還有傳輸線儲能、化學(xué)儲能等。各種儲能方式都各有所長，相互補(bǔ)充。電容儲能方式應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟，可用于毫秒、微秒、納秒量級的脈沖功率裝置中，但其缺點(diǎn)是儲能密度較小，在107J以上的裝置中使用不夠經(jīng)濟(jì)且體積較大。電感儲能方式的主要優(yōu)點(diǎn)是儲能

34、密度較大。從表2-1中可以看出，一個直徑約為125cm、高60cm的電感線圈，當(dāng)電流5kA時，電感儲能方式的儲能密度大約為電容儲能的25倍。因此在建造兆焦級以上的裝置時用電感儲能系統(tǒng)比電容儲能系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)越性。但電感儲能技術(shù)尚不成熟，其關(guān)鍵問題是換流技術(shù)，核心是開斷開關(guān)的研究。電感儲能目前一般用于毫秒級強(qiáng)流脈沖放電裝置中。機(jī)械儲能是把能量儲存在運(yùn)動的物體中，使運(yùn)動的物體突然急劇減速，把能量釋放出來。常見的有電動發(fā)電機(jī)組機(jī)械儲能系統(tǒng)，適用于107至109J級的放電裝置。高級炸藥所儲存的化學(xué)能約為5106J/kg，爆炸可在微秒量級的時間內(nèi)釋放能量。磁流體發(fā)電機(jī)也可作為強(qiáng)脈沖功率源。表2-1

35、電容儲能與電感儲能密度比較3脈沖電容器電感線圈電容C=2.8電感L=80mH電壓U=50kV電流I=5kA儲能W=3.5kJ儲能W=1MJ體積V=6.3104體積V=74104儲能密度W=5.510-2J/cm3儲能密度W=1.35J/cm3 電容儲能電容儲能也稱作電場儲能，儲能元件為脈沖電容器，能量儲存在電場中。如圖2-1為電容儲能放電原理圖。直流電源E0經(jīng)電阻R0對電容器C進(jìn)行充電，使C兩端電壓達(dá)到U，Rp為電容器的絕緣電阻，電容器的自放電常數(shù)c=RpC。當(dāng)使用低感高壓脈沖電容器使c是幾十分鐘或幾分鐘的量級，這樣可以用很小的充電電流。因此，對于這樣的電容器充電時間可以為幾秒鐘或幾十秒，即長

36、時間充電，對充電電源的功率要求就可以降低。當(dāng)開關(guān)S閉合時，放電回路接通，儲能電容C就將能量在毫秒或微秒時間內(nèi)對負(fù)載ZL進(jìn)行放電，這樣在負(fù)載上就可以得到瞬時的脈沖高功率。圖2-1 電容儲能及放電原理圖在電容器中，若電容為C，和分別為真空的和相對的介電常數(shù)，Ac是電極表面及，S為電極板間距離，Uc為充電電壓，則電容器儲能可表示為：電容量：所以，絕緣材料的儲能密度為：可見，對于已確定的電容器體積和介電常數(shù)，想要提高儲能密度eV的值，惟一的方法是提高電場強(qiáng)度E。從參量反面考慮，希望同時采用最佳的、Ac/S和E。因此有兩種優(yōu)化方案：一種是利用分子物理學(xué)設(shè)計出具有較高和E的介質(zhì)薄膜，這樣有可能把以前的紙質(zhì)

37、電容器儲能密度水平提高一個數(shù)量級；另一種是優(yōu)化電容表達(dá)式中的Ac/S。這兩種方案使電容器的研制分成兩個方向，使用第一種優(yōu)化方案研制出的電容器叫做高壓脈沖電容器，研制工作主要是研究如何提高電介質(zhì)的相對介電常數(shù)和擊穿場強(qiáng)Eb；使用第二種優(yōu)化方案研制出的電容器叫做雙電層型電容器。脈沖電容器作為儲能元件和一般的電容器有所不同，除對電容器的一般要求外，主要要求是低電感、長壽命、高儲能密度、可短路放電和重復(fù)頻率等。脈沖電容器常用的固體絕緣材料有：電容器紙、聚砜薄膜、聚丙烯薄膜等。常用浸漬劑有：礦物油、烷基苯、二辛基鄰苯、蓖麻油等。選用蓖麻油等大的材料可以大大提高電容器的儲能密度。經(jīng)典Marx發(fā)生器在高電壓

38、工程中又稱為沖擊電壓發(fā)生器。其工作原理是：由于單個電容器的充電電壓不是很高，首先對多個儲能電容進(jìn)行并聯(lián)充電，然后進(jìn)行串聯(lián)放電，通過電壓倍加獲取更高的脈沖電壓幅值。如圖2-2所示。圖2-2 經(jīng)典Marx發(fā)生器工作原理圖在圖2-2中，變壓器T和整流器D組成的高壓直流電源經(jīng)保護(hù)電阻R0給各級主電容C0進(jìn)行并聯(lián)充電，充電至電壓U0，即1、3、52n-1各點(diǎn)對地電位為U0，而下排2、4、62n各點(diǎn)電位仍為零。事先調(diào)節(jié)各球隙電極的距離使其自擊穿電壓稍大于U0，以保障在充電過程中它們不會發(fā)生自擊穿。當(dāng)外來觸發(fā)信號觸發(fā)間隙G1使其主間隙擊穿時，點(diǎn)1的電位瞬間地從U0降至零。由于電容器兩端的電壓不能躍變，點(diǎn)2的

39、電位由原來的零瞬時地下降至-U0。由于點(diǎn)1、3和點(diǎn)2、4間各存在充電電阻R，雜散電容C30來不及通過點(diǎn)1瞬時放電，所以點(diǎn)3仍保持原電位U0。若暫不考慮分布電容的影響，間隙G2承受的電壓將由原來的U0突然升至2U0，則G2被過電壓擊穿。G2擊穿后，點(diǎn)3電位從U0降至-U0，點(diǎn)4電位瞬時地降至-2U0，而點(diǎn)5電位仍為U0，此時因G3承受3U0的過電壓而被擊穿。以此類推，各間隙開關(guān)G被快速擊穿。 電感儲能電感儲能也被稱作磁場儲能，即能量儲存在線圈的磁場中。電感儲能技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中，諸如離子體物理、受控核聚變、電磁發(fā)射、重復(fù)功率的大功率激光器、高功率雷達(dá)、強(qiáng)流帶電粒子束的產(chǎn)生以及強(qiáng)脈沖電磁輻射等領(lǐng)

40、域都有極重要的作用。相比于電容儲能，電感儲能的最大優(yōu)勢在于其儲能密度比電容儲能大數(shù)十倍甚至百倍，不像電容儲能受到電場強(qiáng)度的限制，只受電磁力的限制；另一個與電容儲能方式不同之處在于，電感儲能需要使用斷路開關(guān)（opening switch），而電容儲能卻用短路開關(guān)進(jìn)行充放電轉(zhuǎn)換。電感儲能裝置包括充電電源G、儲能電感Ls、轉(zhuǎn)換裝置（主要是斷路開關(guān)Sop），閉合開關(guān)Sc以及負(fù)載ZL。如圖2-3所示是兩種原理基本相同的電路。充電狀態(tài)時，斷路開關(guān)Sop處于閉合狀態(tài)、Sc處于開斷狀態(tài)，此時充電電流源G以電流I對儲能電感Ls進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到所要求的儲能值時，將Sop斷開并同時閉合Sc，從而把電感儲存的磁能傳遞

41、給負(fù)載。就其實(shí)質(zhì)而言，在Ls內(nèi)建立的電流以脈沖形式傳輸負(fù)載，使負(fù)載獲得比用充電電源直接供電時更高的功率。所謂斷路開關(guān)斷路，就是快速增加開關(guān)的阻抗，迫使電流向負(fù)載轉(zhuǎn)換。閉合開關(guān)工作既可以通過過電壓使其擊穿，也可以用外觸發(fā)受控閉合。圖2-3 電感儲能基本電路許多能源可以作為電感儲能型脈沖發(fā)生器的初級充電能源。根據(jù)要求的不同并考慮其經(jīng)濟(jì)性后，可以選用電容器組、Marx發(fā)生器、交流發(fā)電機(jī)-整流器聯(lián)合裝置、直流發(fā)電機(jī)組、單極發(fā)電機(jī)、蓄電池組以及磁通壓縮發(fā)生器或磁流體發(fā)電機(jī)中的任何一種。上一節(jié)介紹的電容放電電路，是經(jīng)保護(hù)電阻對電容器組C充電，此時因電容泄漏電阻Rp較大，電容器自放電時間常數(shù)也較大，常達(dá)數(shù)十

42、分鐘，所以可用很小的電流對之充電，充電電源的功率可以很低；當(dāng)電容向負(fù)載放電時，放電電流比充電電流要大許多，因此可把這類電容性放電裝置看成是電流放大器。而對電感儲能電路充電時，若電感器本身電阻為Rs，則電感自放電的時間常數(shù)，通常只有數(shù)秒左右，這就要求對電感儲能電路應(yīng)當(dāng)快充電，因此必須使用較高功率的充電電源；而且當(dāng)斷路開關(guān)瞬間斷路時，除能把電流換路到負(fù)載上去之外，還能在負(fù)載兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓（LsdI/dt），因此可以把電感放電裝置看成是電壓倍增器。斷路開關(guān)除了能將電流換路外，還能壓縮能量，使負(fù)載得到脈沖功率。盡管現(xiàn)在斷路開關(guān)概念不少于20多種，但其斷路工作機(jī)理實(shí)質(zhì)只有兩種，一種是在電流過零時

43、斷開電路，另一種是開關(guān)自增大阻抗直接斷路。其中第二類斷路開關(guān)又分為有功斷路開關(guān)和無功斷路開關(guān)兩種。斷路開關(guān)將明顯地影響負(fù)載的電物理特性，在分析電感儲能電路時必須考慮所用斷路開關(guān)的機(jī)理和性質(zhì)。電感儲能高功率脈沖電源的負(fù)載，根據(jù)不同的應(yīng)用要求和目的，可以是電阻性的、電感性的或電容性的，或者它們中的某二種聯(lián)合或三者同時存在。由于種種原因，電容性負(fù)載用得較少，而用得最多的是電感性負(fù)載和電阻性負(fù)載。而它們又分為線性和非線性負(fù)載。負(fù)載的性質(zhì)往往反過來影響斷路開關(guān)的工作性能。從儲能密度角度來看，電容儲能的密度可以表示為：，其中為電容介質(zhì)的相對介電常數(shù)，E為電容極板間的電場強(qiáng)度，顯然受到介質(zhì)的電場強(qiáng)度的限制，

44、而且介質(zhì)承受電壓時間較長時，介質(zhì)容易被擊穿，所以，電容儲能型脈沖發(fā)生器的充放電時間也會影響到儲能的大小。電感儲能的儲能密度可以表示為：，僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，且最高電場僅會出現(xiàn)在向負(fù)載轉(zhuǎn)換的最后一段時間內(nèi)，比電容儲能情況要短很多，儲能密度只受到與B有關(guān)的電磁力，而電場強(qiáng)度對其限制不大。通過合理的計算，也能發(fā)現(xiàn)電感儲能（）是電容儲能（）儲能密度的102103倍，即電感儲能密度在1040MJ/m3或3050kJ/kg之間。最早應(yīng)用電感儲能作為高功率脈沖電源始于40多年前的脈沖變壓器。專門研究電感儲能的最早工作是H.C.Early等人開創(chuàng)的，當(dāng)時他們用常溫電感器制造了換能兆焦耳的電源。20世紀(jì)50年

45、代后期，人們開始在超速音速風(fēng)洞、固體激光脈沖氙燈、托卡馬克磁場等慢放電裝置系統(tǒng)中使用電感儲能電源。60年代初，超導(dǎo)體的研究和應(yīng)用使電感儲能技術(shù)發(fā)展得較快，1963年Early載文說：“儲存磁能最適合幾毫秒脈沖的應(yīng)用；如果快速斷路開關(guān)技術(shù)有所突破，電感儲能可以經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生微秒級高功率脈沖。”但當(dāng)時因受到相關(guān)的斷路開關(guān)技術(shù)和電感負(fù)載效率低（最大25%）的限制，曾使人們對電感儲能失望和淡漠。1975年S.A.Nasar和H.H.Woodson研究了脈沖功率的儲能方式，得出電感儲能在脈沖功率技術(shù)中有重大應(yīng)用潛力的結(jié)論。后來由于斷路開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得人們再度對電感儲能技術(shù)發(fā)生興趣。僅在19761983年

46、的四屆國際脈沖功率會議上，有關(guān)電感儲能的論文就增加了三倍之多，這足以看出電感儲能技術(shù)的發(fā)展勢頭。電感儲能技術(shù)之所以對人們有強(qiáng)烈的吸引力并在20年中有了重大進(jìn)展，是因?yàn)樗膬δ苊芏雀吆蛡鬏數(shù)墓β蚀?，從而使得電感儲能裝置體積小、成本低。電感儲能技術(shù)目前有四個發(fā)展方向：1.超導(dǎo)電感儲能器的建造。一旦實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)（R0），將有效地降低對充電電源的功率要求，從而能將功率放大系數(shù)增大105倍，超導(dǎo)狀態(tài)能長期無損地儲存能量，并且能量釋放的時間可從微秒擴(kuò)大到若干小時，使得電感儲能不僅能在微秒、毫秒放電領(lǐng)域與電容器競爭，在秒級放電領(lǐng)域與旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲能裝置和電池組相競爭，而且使它能在諸如電磁發(fā)射等許多領(lǐng)域大顯身手。原理

47、性研究業(yè)已證明，超導(dǎo)電感儲能和常規(guī)的具有電阻的電感儲能一樣能實(shí)現(xiàn)微秒和毫秒級放電，完全可用于脈沖功率中；事實(shí)上，已用于托卡馬克的磁場系統(tǒng)。目前已有建造3.61013J的超導(dǎo)電感儲能裝置的計劃。作為脈沖功率的超導(dǎo)電感儲能器的應(yīng)用，取決于超導(dǎo)材料在充電和能量向負(fù)載轉(zhuǎn)換期間磁場變化速度的臨界性。目前高溫超導(dǎo)體研究的突破性進(jìn)展，已為電感儲能在脈沖功率技術(shù)中的應(yīng)用展現(xiàn)了美好前景。2.向快放電方向發(fā)展。對于脈沖功率技術(shù)，快速放電就是使能量的時間壓縮倍數(shù)提高和功率的增大。因此，電感儲能向微秒放電發(fā)展極為重要。在這方面，前蘇聯(lián)的電物理裝備研究所曾成功地將線圈分成多組，串聯(lián)充電，然后并聯(lián)放電，建成了60MJ的環(huán)

48、形儲能線圈，實(shí)現(xiàn)了6MA、50kV和150200s的放電，此舉已接近大容量電容器組的快放電水平。3.向新型斷路開關(guān)和換流技術(shù)發(fā)展。這是既重要又困難的工作。電感儲能對斷路開關(guān)的要求甚高。從早先簡陋的電爆炸導(dǎo)體斷路開關(guān)發(fā)展到現(xiàn)在的等離子體融蝕開關(guān)，目前已有20余種型式的斷路開關(guān)。但電阻性斷路開關(guān)用于單級電感儲能電路時其轉(zhuǎn)換效率較低。另一方面也發(fā)展了其他換流技術(shù)。為了提高放電效率，發(fā)展了電容換流技術(shù)。采用電容換流技術(shù)，幾乎能使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到100%，但所需的電容器組儲能容量通常卻要有電感儲能的一半；所以，又出現(xiàn)了用直流發(fā)電機(jī)和單極發(fā)電機(jī)作為換流電容的技術(shù)。4.向高功率脈沖放電以及高阻抗負(fù)載發(fā)展。這是近

49、來一些高新技術(shù)領(lǐng)域的要求所致。由于電感儲能具有很大的儲能能力、高的儲能密度、大功率水平和單位能量成本隨尺寸增加而減少等特性；因此采用電感儲存能量進(jìn)行高功率連續(xù)脈沖放電極為有利。但因要求連續(xù)脈沖重復(fù)放電的技術(shù)起步較晚和難度較大，目前尚有不少困難。采用爆炸導(dǎo)體斷路開關(guān)陣列級聯(lián)的方法，每次能獲得35個脈沖，重復(fù)率可達(dá)50kHz；使用其他合適的斷路開關(guān)，可獲得更高的重復(fù)脈沖，其關(guān)鍵在于開關(guān)連續(xù)斷路工作的性能。未來發(fā)展方向是高阻抗負(fù)載、100Hz至幾十kHz的重復(fù)率和大平均電功率。 其他儲能技術(shù)上面兩小節(jié)介紹的電容儲能技術(shù)和電感儲能技術(shù)都是通過從電能到電能的轉(zhuǎn)換得到脈沖的，儲能元件儲存的能量都是電能。產(chǎn)

50、生脈沖的儲能方式除了以電磁能的形式儲存外，還可以用其他元件提供脈沖功率，主要有慣性儲能脈沖發(fā)電機(jī)和化學(xué)能脈沖電源等。慣性儲能技術(shù)，其實(shí)就是借助驅(qū)動飛輪儲存起來的機(jī)械能進(jìn)行脈沖發(fā)電的功率技術(shù)。機(jī)械能分靜態(tài)和動態(tài)兩種。如舉起重物所儲存的勢能是靜態(tài)機(jī)械能，但它對慣性儲能脈沖功率應(yīng)用的意義不大。動態(tài)機(jī)械能又分直線的和旋轉(zhuǎn)的。拋射物體（如炮彈）屬直線動能性質(zhì)，雖然可達(dá)10GJ/m3的儲能密度，但因發(fā)射器尺寸和被拋射體行走距離等因素的限制，對脈沖功率的實(shí)用性也不大。儲存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械或飛輪中的動能是旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，不僅儲能密度高，而且提取也較為方便。本章的任務(wù)就是研究把旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)脈沖電磁能的方法。實(shí)際上，

51、這些方法都屬于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換范疇，因此必須借助于耦合場的作用來實(shí)現(xiàn)。一方面耦合場從輸入系統(tǒng)吸取機(jī)械能對它本身的儲能進(jìn)行補(bǔ)充；另一方面它釋放能量給輸出系統(tǒng)。一般說來，可以使用較小功率的拖動機(jī)構(gòu)，以相對長的時間把一定大質(zhì)量的轉(zhuǎn)子或飛輪慢慢地加速，使其轉(zhuǎn)動起來，利用轉(zhuǎn)動慣性儲存足夠的動能；然后以此動能驅(qū)動合適的發(fā)電設(shè)備，利用其轉(zhuǎn)動慣性把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成強(qiáng)電磁能脈沖能量。作高功率脈沖電源用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械目前主要有兩類四種：一類是直流發(fā)電機(jī)，它包括換向直流脈沖發(fā)電機(jī)和單極發(fā)電機(jī)；另一類是交流發(fā)電機(jī)，它包括同步發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)（compulsator）。盡管在脈沖工作條件下分直流和交流似乎沒有實(shí)際意義，但

52、從區(qū)分結(jié)構(gòu)和性能的觀點(diǎn)看仍然有必要。這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)電原理仍然都是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。此外，新近提出的無鐵芯異步發(fā)電機(jī)2，其優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用對人們也很有吸引力。旋轉(zhuǎn)磁通壓縮器和其他各種機(jī)電脈沖放大機(jī)也值得重視。旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲能裝置的儲能規(guī)模很大，現(xiàn)代渦輪發(fā)電機(jī)可儲存109J的動能，不久可能建造成1010J的渦輪發(fā)電機(jī)，慣性儲能的極限目標(biāo)是1010J。此外，旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有儲能密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低和易做成移動式等優(yōu)點(diǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械慣性儲能的高功率脈沖電源現(xiàn)在被廣泛地用于下列場合：近代同步加速器，托卡馬克熱核聚變裝置，等離子體箍縮，大型風(fēng)洞系統(tǒng)，大截面金屬對頭焊接，加熱鋼坯，泵浦大功率激光，作

53、重復(fù)發(fā)射的粒子束武器的電源和電磁發(fā)射器（特別是線圈發(fā)射器）的電源，燒結(jié)金屬粉末，電磁噴涂，模擬地震脈沖和調(diào)諧聲音，脈沖金屬成形，超高電流和磁通密度效應(yīng)研究等等?；瘜W(xué)能具有極高的儲能密度，例如炸藥的儲能密度4MJ/kg，它們已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到了脈沖功率技術(shù)當(dāng)中。目前，主要有三種基于化學(xué)儲能的高功率脈沖電源，它們是化學(xué)脈沖電源、各種化學(xué)能源的磁通壓縮發(fā)生器和脈沖磁流體發(fā)電機(jī)?；瘜W(xué)脈沖電源主要有蓄電池組構(gòu)成，其儲能水平約為510810108J，其提供的脈沖電壓幅值約為5kV，電流約為105A量級，脈寬約為10-1103秒量級，儲能密度最高可達(dá)到104J/g或5103J/cm對于用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械能量

54、直線地壓縮磁通的裝置，可分為兩大類。一類叫做“能量密度產(chǎn)生器”，人們僅對這種裝置的磁通密度感興趣，這種裝置主要是針對超高強(qiáng)度脈沖磁場領(lǐng)域的應(yīng)用；另一類裝置叫做“脈沖電流發(fā)生器或能量產(chǎn)生器”，就是所謂的磁通壓縮發(fā)生器（MFCG），在這里負(fù)載往往與發(fā)生器分離開，人們僅對它放大的電流脈沖感興趣。除了旋轉(zhuǎn)MFCG外，多數(shù)MFCG都是由化學(xué)能源驅(qū)動的。用來驅(qū)動MFCG的化學(xué)能來源于化合物，既有天然也有人工合成的。化合物儲存的能量的多少同樣是以儲能密度來衡量的，但所能提供給MFCG的能量大小也取決于能量轉(zhuǎn)換效率的大小。例如，汽油的儲能密度約為35000J/cm3，而TNT炸藥僅是它的15%，但由于汽油轉(zhuǎn)換

55、成動能的效率較低，所以目前MFCG使用的主要是炸藥。如表2-2可見，MFCG所用的炸藥儲能密度最高，高效能的化學(xué)能源不僅有更高的儲能密度，也提供更強(qiáng)的電流和脈沖持續(xù)時間。表2-2 各種初級能源和儲能系統(tǒng)2能源能量密度/（MJ/m3）脈沖長度/s轉(zhuǎn)換效率/（%）化學(xué)炸藥80000.12電容器組0.010.10.0180旋轉(zhuǎn)電機(jī)10050010030電感儲能10可充電電池50010000.5磁流體動力（MHD）發(fā)電機(jī)簡稱磁流體發(fā)電機(jī)，一般用于電力工業(yè)，而脈沖MHD發(fā)電機(jī)用來做高功率脈沖電源，其原理與普通的MHD發(fā)電機(jī)的原理基本相同。MHD發(fā)電機(jī)最早在1910年就出現(xiàn)了，近20年來MHD發(fā)電機(jī)有了重

56、大的發(fā)展。磁流體發(fā)電的最根本原理是導(dǎo)電的流體高速切割磁場。根據(jù)工作性質(zhì)，可分MHD發(fā)電機(jī)為直流工作和脈沖工作兩種；根據(jù)工作流體，分為液態(tài)金屬和等離子體的MHD發(fā)電機(jī)；根據(jù)不同電離方式，分為平衡電離和非平衡電離的等離子體發(fā)電機(jī)；根據(jù)所用能源可分為化學(xué)燃料以及核燃料MHD發(fā)電機(jī)，也有少數(shù)的太陽能MHD發(fā)電機(jī)；依據(jù)通道形式，有曲線型和直線型MHD發(fā)電機(jī)；根據(jù)工作流體的循環(huán)形式，有簡單或聯(lián)合的開式循環(huán)和簡單或聯(lián)合的閉式循環(huán)兩種；依據(jù)激勵方式，有自激和它激MHD發(fā)電機(jī)。用作高功率脈沖電源的脈沖MHD發(fā)電機(jī)，多采用開式循環(huán)工作的方式，偶爾也采用閉式循環(huán)方式。所謂開式，就是高溫高速的導(dǎo)電流體通過發(fā)電通道后進(jìn)

57、入普通的熱電站蒸汽設(shè)備，除了將其中添加的導(dǎo)電“種子”回收外，其余均作為廢氣排放到大氣中；一般多用化學(xué)燃料。所謂閉環(huán)，工作流體自成閉合回路，加熱、做功循環(huán)不已，常與核反應(yīng)堆聯(lián)合運(yùn)行，使用核燃料。脈沖MHD發(fā)電機(jī)有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）具有較高的效率。使用化學(xué)燃料時，發(fā)電機(jī)本身的效率可達(dá)到20%30%，系統(tǒng)總效率在10%以上；使用核燃料時，具有更高的效率。（2）無轉(zhuǎn)動部件。MHD發(fā)電機(jī)是一種靜止的發(fā)電機(jī)械，從電工學(xué)角度看，它不是電機(jī)，而是一種電器，所以有時也稱之為MHD發(fā)電器。（3）直接啟動快。工作流體充滿發(fā)電通道的時間即是發(fā)電機(jī)啟動的時間，工作流體的速度常達(dá)到1000m/s以上，所以短于毫秒量級

58、的時間即可以啟動，而且工作流體通過發(fā)電通道的時間即為脈沖寬度。（4）不需要中間儲能元件，可以由發(fā)電機(jī)直接向負(fù)載傳遞能量。（5）不用大功率開關(guān)。對高功率脈沖電源這是一個特別重要的優(yōu)點(diǎn)。（6）由于使用了化學(xué)能或核能，以及不存在中間儲能器和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所以脈沖MHD發(fā)電機(jī)的體積小對較小，工作可靠，成本低。（7）和其他高功率脈沖電源相比，它能提供秒級甚至毫秒或微秒級的大能量脈沖。脈沖功率系統(tǒng)的開關(guān)在脈沖功率系統(tǒng)中，開關(guān)具有十分重要的意義，開關(guān)性能的好壞，會影響到輸出電壓的波形。開關(guān)的主要作用是電路轉(zhuǎn)換，即脈沖功率系統(tǒng)充電狀態(tài)與放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。脈沖功率技術(shù)所用的儲能技術(shù)中，通常以電容儲能和電感儲能居多。因

59、為它們產(chǎn)生的脈沖功率是從電功率到電功率，比較方便。對低感高壓脈沖電容器可長時間充電幾十分鐘，時間常數(shù)較大，所用的充電電流比放電時負(fù)載獲得的電流小得多；所以把電容性放電電路可以看成是“電流放大器”。而對于電感充電，時間常數(shù)為幾秒量級，要求用較短時間大電流充電，然后通過斷路產(chǎn)生的幅度為的高電壓加在負(fù)載上；因此，可以把電感放電電路看成是“電壓倍增器”。對于電容儲能網(wǎng)絡(luò)多使用短路轉(zhuǎn)換開關(guān)；對于電感儲能網(wǎng)絡(luò)，主要采用斷路轉(zhuǎn)換開關(guān)。 短路轉(zhuǎn)換開關(guān)短路轉(zhuǎn)換開關(guān)簡稱短路開關(guān)，又稱為閉合開關(guān)，其作用就是把原來斷開的電路接通。在脈沖功率系統(tǒng)中所使用的短路開關(guān)都是高電壓、大電流的大功率開關(guān)，并非一般電力或電工系統(tǒng)中

60、所使用的開關(guān)。在開關(guān)兩極間所加的脈沖電壓通?？蛇_(dá)到幾十千伏甚至幾兆伏到十幾兆伏，通過開關(guān)的電流可達(dá)到幾千安培甚至幾兆安培，開關(guān)的容量（功率）達(dá)到109W以上。短路開關(guān)具有兩個主電極，有時還需要配備各種形式的觸發(fā)電極。短路開關(guān)具有以下幾種功能：（1）短路轉(zhuǎn)換功能。首先，短路開關(guān)兩個主電極的間隙以及電極間的電介質(zhì)使整個電路或部分電路處于斷路狀態(tài)；當(dāng)主電極間的電壓達(dá)到擊穿場強(qiáng)而自擊穿或用觸發(fā)電極電壓改變場強(qiáng)而觸發(fā)擊穿時，開關(guān)就會擊穿放電而閉合，使電路短路導(dǎo)通，即使電路從原來的斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)換為短路狀態(tài)。（2）隔離功能。顯然，如果開關(guān)事先接通處于短路狀態(tài)（或者無開關(guān)），外加電壓脈沖將不受阻隔，使電流順利通