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電感儲能型高壓方波脈沖電壓發生器方案設計本科論文.doc

'電感儲能型高壓方波脈沖電壓發生器方案設計本科論文.doc'
?電感儲能型高壓方波脈沖電壓發生器方案設計摘要本文對脈沖功率技術的歷史和發展前景進行了闡述,介紹了幾種脈沖發生器,并提出了電感儲能型脈沖方波電壓發生器的設計方案。脈沖功率技術在電子加速、激光、核物理、醫療保健、食品加工、電磁發射、電磁成形、國防軍事等多個領域具有良好的發展前景。目前,脈沖功率技術主要向著高功率、高能量、多種轉換方式以及重復脈沖等方向發展。電感儲能型脈沖發生器相比電容儲能型,主要是其儲能密度更高,有利于設備的小型化,尤其在兆焦級以上的裝置中,電感儲能型脈沖發生器在經濟上更有優越性。電感儲能僅受到電磁力的限制,而電容儲能需要考慮電場強度,以防止電容電介質的擊穿。方波波形相對于指數波、交變波等其他波形來看,在某些領域,如食品殺菌領域,優勢比較明顯。由于能量的大小不僅和功率有關,也和脈沖持續時間有關,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。本課題主要工作內容有:首先,通過查閱與課題有關的國內外文獻,了解了脈沖功率技術這門學科,了解了各類型高壓方波脈沖電壓發生器的基本原理,技術特點,技術難點,存在的主要技術問題和未來技術發展前景。再者,提出電感儲能型高壓方波脈沖發生器的主電路方案,并對主電路方案進行仿真分析。關鍵詞 脈沖功率;電感儲能;脈沖發生器;方波Design of 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 on 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 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 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 power 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 generator’s principle, 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.Keywords technology on pulse power; inductive energy store; pulse generator;square-wave目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 11.1 脈沖功率技術概述 11.1.1 表征脈沖功率的技術參數 11.1.2 脈沖功率系統的組成 11.2 脈沖功率技術的發展 21.3 脈沖功率技術的發展前景 3第2章 脈沖發生器 72.1 儲能方式 72.1.1 電容儲能 72.1.2 電感儲能 92.1.3 其他儲能技術 122.2 脈沖功率系統的開關 152.2.1 短路轉換開關 152.2.2 斷路轉換開關 172.3 國內外研發的幾種脈沖發生器介紹 18第3章 電感儲能型脈沖方波發生器的仿真與分析 203.1 電感儲能型脈沖方波發生器原理 203.2 電感儲能型脈沖方波發生器的仿真分析 22結論 27致謝 28參考文獻 29附錄 30不要刪除行尾的分節符,此行不會被打印千萬不要刪除行尾的分節符,此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”,然后“更新整個目錄”。打印前,不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 脈沖功率技術概述脈沖功率技術已經誕生40余年,并已被《中國電氣工程大典》收錄,被國務院定位二級學科[1]。脈沖功率科學與技術,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行形態變換或壓縮的調節,最后以極短的時間脈沖地快速釋放給負載的電物理學科技術。1.1.1 表征脈沖功率的。省略部分。提升至180ns并進一步提高脈沖的能量?;谕S特斯拉變壓器和螺旋形脈沖形成線,Korovin[7]制造了一個500-700kV的強流電子束加速器,脈寬達到130ns。Friedman也是用一條改進的螺旋形脈沖形成線產生了180ns的脈沖[8]。盡管,這些螺旋形脈沖形成線的大小依舊很大,而且螺旋形脈沖形成線的分布會導致波形頂端波形不佳[7]。脈沖形成網絡近似于微秒級脈沖發生器,但是脈沖前沿和脈沖后沿通常要長于100ns,而且它的平頂的波動會導致寄生參數的產生[9]。Cassel[10]制造了一個全固態Marx脈沖調制器用于微波管和調速管,而且它所產生的50kV的電壓脈沖的脈寬可以達到2毫秒,前沿和后沿可以達到100ns。通過對比,大電流火花氣隙開關適合產生前沿和后沿小于20ns的脈沖[11]-[13]。峰值切斷火花間隙開關用于對電壓脈沖進行塑形。然而,對于這個使用切斷開關形成的峰值切斷脈沖,主要關注其脈寬在納秒級到亞納秒級之間變化[13][14]。如果我們想產生微秒級的方波脈沖,通常使用的截斷方式不能產生很好的平頂寬脈沖波形。在本文中,介紹了一種基于納秒脈沖和斬波間隙開關的微秒級脈沖發生器,它的前沿短,且波頂很平。脈沖通過兩個火花間隙開關形成,能提供較好的脈沖前沿和脈沖后沿。然而電路仿真和試驗結果表明,當脈沖電壓不夠高或者截斷開關中的絕緣氣體的氣壓高于所需時是,斷路延時現象就會出現,并且斷路延遲時間可以延長到30ns到幾微秒。另一方面,當脈沖電壓低于所需電壓時,穩定的電壓脈沖以極短的后沿比例加載1k的負載上。通過截斷脈沖的后沿,一個近似方波的脈沖就會產生,它具有1.95毫秒的脈寬和55kV的幅值,當氣隙的氣壓為1.5個大氣壓時,波形平頂的下降率低于5%。根據這些試驗結果,滿足產生長脈寬的脈沖方波的四個必要條件就可以構建一個基于觸發式可控斬波的微秒級的脈沖發生系統,它可以提供用于電子加速和離子源的微秒級高壓脈沖方波產生的新方法[15]。2. 提出脈沖發生器設計方案脈沖發生器的工作原理如圖1圖1 高壓脈沖發生器功能框圖如圖1所示,為了能在輸入端和其余的轉換器之間建立電氣絕緣,并且傳輸所需要的電壓,故使用了一個頻率為60Hz的變壓器,即圖中的T1。輸入電源使用的是由電力公司提供的正弦交流電,要先把交流電壓轉換成直流電壓。一個交流/直流轉換器就是將輸入的交流通過多個二極管進行不可控整流轉換成直流。在這樣的二極管整流電路中,功率只能從交流側傳輸到直流測。即使交流電是變化的,使用一個轉換模式的直流/直流來獲得一個平穩的直流電壓。這個轉換器的輸入是一個不受控的直流電壓,這個直流電壓通過對線電壓的整流而得到,所以它將隨著線電壓大小的波動而波動。直流/直流轉換器將一個不可控的直流電壓轉換為一個可控的直流電壓,并且輸出電壓也可以調整到所需要的電壓等級。一個DC/AC轉換器是用來產生交流電,這個輸出的交流電壓的幅值和頻率都是可以調整的。最后,第二個變壓器為低壓變壓器,它是用來提高電壓等級以達到所需要的電壓,并脈沖電場處置室的電極提供電場,如圖2所示。圖2脈沖電場處置室3. 交流/直流轉換器對直流電壓和電流的整流是通過使用不可控交流/直流轉換器的方式實現的。通常情況下,要使用單相橋式整流電路來實現。使用一個較大的濾波電容器連接到直流輸出端是為了提高直流輸出端的電壓值。這種方式可以需要提供一個有效值為120V,頻率為60Hz的正弦交流電壓輸入。在變壓器T1之后,電壓升壓至有效值為480V的交流電壓,頻率同樣為60Hz。其中5%的電壓紋波被用來進行電容值的計算。例如式1,計算得到了一個電容值為6.18F的電容器??紤]到負載上的電流為0.5安培,然后可以加一個阻抗為27k的負載。如圖3,可以看到這個整流電路以及它在輸入端和輸出端上的波形。(1)(a)(b)圖3 a)含有電容濾波器的交流/直流轉換器。b)輸入端與輸出端波形圖當整流電路的以有效值為480V的交流電壓輸入時,它的直流輸出端的電壓為680V。4. 直流/直流轉換器一個直流/直流轉換器是用來控制輸出電壓達到理想電壓等級的,所謂理想的電壓等級就是脈沖電場殺菌所需要的電壓等級。這個工作主要是由直流/直流升壓轉換器來完成的。圖4顯示了一個典型的升壓轉換器的技術原理。圖4升壓轉換器的工作原理對于一個升壓轉換器,它的輸出電壓總是要比它的輸入電壓要高。當開關閉合時,輸入電壓給電感和電容器提供能量,再對負載輸出能量。當開關斷路后,輸出端的負載就從電感和輸入端獲取電能。在這個轉換器中,輸出端的電壓V0是可以控制的,它隨著開關的工作頻率而變化,其中ton表示的是開關處于導通狀態的時間,而Ts表示的是開關轉換的整個周期長度。通常來講,開關轉換的平率為幾萬赫茲。整流電路的輸出電壓對升壓轉換器進行供電,升壓轉換器的輸入端的電壓為680V。當他需要一個900V的電壓時,升壓轉換器的占空比可由式2那樣計算。(2)如此,它的占空比D就等于0.245。升壓轉換器的設計要考慮到如下兩點要求,首先是保證從680V低壓獲得輸出端900V的電壓和0.5A電流的時候,輸出端的紋波電壓要小于5%,并且它的轉換頻率要達到50kHz。電感和電容器的值可以如式3和式4那樣計算:(3)(4)這里所用的電感不是市面上常見的,它是為了特殊應用而設計并制造的。升壓轉換器工作過程使用PSIM 8.0進行仿真。仿真的輸入波形和輸出波形如圖5所示。從圖中我們可以看到轉換器能提供一個900V的輸出電壓值。圖5升壓轉換器輸入端輸出端電壓波形仿真5.DC/AC轉換器為了在高壓脈沖發生器的輸出端得到一個交流電壓信號,必須使用一個交流/直流轉換器來實現。圖6中給出了逆變器的結構,它給直流/直流升壓轉換器提供了輸出。我們可以從途中看到,逆變器就是一個簡單的方波H型橋式電路組成的轉換器。圖6H型橋式電路轉換器交流/直流轉換器使用幾種不同的操作頻率進行模擬仿真。輸入的直流電壓為VCC設定為900V。這樣就可以產生多個電壓幅值為900V的頻率各不相同的脈沖方波。如圖7所示,仿真的結果為操作頻率為250Hz時的輸出電壓波形。這個轉換器也可以使用其他不同的頻率進行模擬仿真。圖7模擬仿真逆變器在操作頻率為250Hz時的輸出電壓波形這個從逆變器發出的方波被送入變壓器T2,如圖1所示。這個變壓器將電壓升高到15kV,并將電壓施加在電極上。食品放置在處置室的兩電極之間,并通過這個高壓進行脈沖電場殺菌。6.實驗結果圖8和圖9所示的是操作頻率分別為250Hz和30kHz時的電壓波形,它們的負載均為10k。從圖中我們可以看到,這個高壓脈沖發生器在這兩種情況下均能產生脈沖方波。這些信號用來對處置室中的金槍魚汁做處理[10]。圖8 250Hz時的高壓脈沖波形圖9在30Hz時的高電壓脈沖波形7.結論高壓脈沖發生器的設計方案如上所述。頻率可從250Hz到30kHz變化,幅值可以達到15kV的高電壓脈沖。固態半導體技術已被用于產生可變頻率的高壓脈沖。所提出的脈沖發生器設計已經明確描述。試驗結果也證明了發生器的技術特性。
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