脉冲电源范文

关键词：环境工程领域；脉冲功率技术；应用

Abstract:alongwiththechangeofinternationaleconomicdevelopmentdirection,intheeconomicdevelopment,environmentalprotectionhasbeenmoreandmoreattentionfromvariouscountriesintheworld,arelookingforatthesametimetorealizeeconomicdevelopmentandenvironmentalprotectioneffectiveway.Atthesametime,withthedevelopmentofscienceandtechnology,scienceandtechnologyachievementsinenvironmentalengineeringfieldofappliedmoreandmorewidely,pulsepowertechnologyisoneoftheexamples.So,pulsepowertechnologycontentandthedevelopmentdirectioniswhat,pulsepowertechnologyandenvironmentalengineeringandwhatcombinationofit,thisisthemaincontentofthispaperdiscussion.

Keywords:environmentalengineeringfield;Pulsepowertechnology;application

中图分类号：B82-058文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

脉冲功率技术在我国高新技术发展中有着重要的应用，同时其应用范围也在不断地扩展，在民用部门、手工业、环境保护等领域都有着广泛的应用，并随着科学技术的发展对其的应用技术也在不断成熟。随着生活水平和经济水平的上升，环境问题逐渐成为了众多人关注的焦点，对环境工程领域中的技术应用也提出了更高的要求。

一、脉冲功率技术简述

1.脉冲功率技术在我国的发展

在国际上对脉冲功率技术的研究是开始于二十世纪三十年代的，到六十年代，该技术就成为了一个独立的发展学科，之后美国、日本、俄罗斯等国家都对该技术开始了深入研究。在我国，对脉冲功率的研究是开始于二十世纪七十年代末的，我国对它的研究是开始于“高功率电子束发器的研究”，“1979年北京高能物理所建成了当时我国最大的强流脉冲电子束加速器闪光―I，应用于射线模拟源”，随之而来的是对脉冲功率技术研究的高潮，层出不穷的强流脉冲电子加速器逐渐建成，进而为我国当时高新技术的研究，如准分子激光、集体离子加速、闪光射线照相、电磁轨道炮以及高功率微波等提供了很好的研究条件。

脉冲功率技术发展

（1）脉冲功率装置

通常来讲，脉冲功率的装置包括以下几个部分，如图所示：

图一：脉冲功率装置图示

（2）高功率脉冲发展方向

当前，高功率脉冲的主要发展方向有以下几方面，第一，元件储能密度还需要提高。随着电容制造技术的提高以及分子工程技术的广泛应用，为储能元件储能密度的提高提供了发展条件，同时脉冲电容器储能空间也能够得到一定提升，这就有利于缓解大体积、大重量给脉冲功率系统带来的不良影响。根据不同器件电气强度极限值不同，其要求的储能密度也是不同的。但是，无论密度要求如何，电容的储能密度要远远低于电感储能密度，所以，不仅在我国，在国际上对这种电感储能高功率脉冲电源的研究也非常重视。第二、发展重复高功率脉冲。原来我国应用多是单次的脉冲功率技术，这种技术主要是为我国国防科学研究提供服务，应用范围与社会发展的要求产生了不可避免的矛盾，所以，为了适应民用、工业以及新兴领域对脉冲功率的要求，必须要发展重复频率高且具有平均功率的脉冲功率技术。第三、高频、大功率开关技术的研究。开关元件的相关参数对脉冲功率系统的整体都存在着一定的影响，这也决定了开关元件技术是脉冲功率技术中重点技术之一。随着社会科技的发展以及应用要求的提高，同时，大功率全控型的产品器件被大量生产并且产品化，为开关技术的发展研究提供了可靠的器件基础，为此“高重复率脉冲电源转换开关和开关的串联均压技术被大量使用在脉冲电源中，并取得了较为理想的结果”。第四，脉冲电源多元化发展。脉冲功率应用范围的扩展给脉冲电源的技术标准提出了更高的要求，所以在未来的研究中要加大对脉冲电源多元化的发展，比如低成本化、小型化、多样化等。第五，脉冲功率电源超高功率输出技术。近些年“高电压大功率多电平逆变技术”的发展为超高功率的输出技术的发展有着重要的意义。

二、环境工程领域脉冲功率技术的应用

1.脉冲功率技术在除尘中的应用

传统的除尘系统中在集尘极和放电极之间是使用直流的高压电源，这就导致了在除尘中出现了一些问题，比如，除尘的效率受到粉尘比电阻限制比较严重。在高比电阻之下，粉尘的导电率是非常小的，所以粉尘就容易在集尘极端积聚，一旦粉尘集中太多就会很多电荷无法通过集尘极释放，进而也就导致了集尘层电势升高而产生电晕，相反极离子就会被动的进入电晕场，最终会导致粉尘吸收率严重下降。而在比电阻比较小的情况下，电阻率就会比较高，负电荷和其转带的正电荷就会被大量释放入集尘极，同时因为电场力的存在，就导致了气流的进入，之后这一过程会重复进行，所以说，在这种情况下，除尘效果也不是很理想。

那么，若脉冲功率技术应用于除尘系统当中，就会解决以上的麻烦。高压脉冲所制造的电晕流能够贯穿两级之间，这样就会使得在高比电阻情况下，积尘层被击穿，能够通过电荷的释放来抑制反电晕的发生，进而提高除尘效率。除此之外，脉冲电晕能够在放点空间之内产生很多高能电子，它是一种气体成分，能够产生活性粒子，此时，除尘器除了吸尘之外还能消除粉尘携带的SO2以及有机物分子等，起到了净化空气，环境保护的作用。在相等的电压之下，应用脉冲功率技术中的高压脉冲电源，能够比直流电源的使用跟家节省能量，净化空气、节能环保，是该技术应用的环境保护效果，这也是该技术被大量应用于环境工程领域的重要原因。

2.脉冲功率技术在废水处理中的应用

由高压脉冲电源输出的电压波形有着前沿比较陡，脉冲比较窄的特点，如果将其施加在液相内部的非平衡电极中间，很容易引起处理对象的分子发生结构性的改变，其中，质量轻的电子在获得一定的能量之后就会变成高能的自由电子，在这种高能的自由电子运动时，会与其他分子发生碰撞，也就会导致水相化学过程的发生，会产生水等活性的物质，从而能够降解污水中的各种有机物。在发生这些电化学反应过程中，因为分子被电离了，电子的跃迁会产生很多的物理效应，比如说超声波的产生、冲击波的产生等，而这些物理效应也会有力的降解有机物。

首先，电子辐射作用的产生。在废水中会有很多的分子和原子，而脉冲电源放电会导致很多等离子体产生，而这些等离子体中又含有高能电子，这些电子会与废水中的分子发生碰撞，会产生很多活性粒子，比如过氧自由基、双氧水、水合电子、水合氢离子等。其次，会产生臭氧氧化反应。臭氧是一种强氧化剂，在水中的氧化途径如公式所示：

再次，紫外光线的分解作用。在脉动电源放电过程中能够产生一些紫外光线，这些紫外光线对有害物质有分解作用。最后，能够产生超声波作用。液相的超声波能够产生很多的空化气泡，这些气泡能够裂解形成高压和局部的高温状态，这样就会产生氢自由基，同时，超声波还能够分解水中所含有的溶解氧。

污水处理中尤其是有机污水处理中的脉冲电源的能量利用率相对来说比较高，控制起来也比较方便，还不会产生二次污染，比较清洁，在环保工程领域中的应用具有较强的优势，发展空间也比较广阔。

三、结束语：

其实，脉动功率技术是电力技术中的一部分，拥有比较强的高效节能作用。也正是因为其有着快放慢充的独特特性，使其成为了非平衡态等离子产生的有效手段之一，这也恰恰适应了近些年社会发展的新要求，为环境保护工程做出了很多的贡献，在除尘方面、废水处理方面都有着重要的作用，推动了破坏环境的重要因素――废水的处理高效化实现。本文只是简单的从几个方面进行了论述，还望能够为实践活动提供帮助。

参考文献：

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[2]严萍.脉冲功率技术学科发展方向专题研讨会在西安召开[J].高电压技术.2011(06)

[3]王莹.脉冲功率技术综述[J].电气技术.2009(04)

脉冲电源范文篇2

关键词：机械制造技术电火花

电火花加工设备分为五大类：电火花穿孔成型加工机床；电火花线切割机床；电火花磨削螺纹加工机床；电火花表面强化机；电火花刻字装置等。应用最广、数量最多的是电火花线切割机床和电火花成型机床。尽管电火花加工机床类型较多，都包含四个基本部分。

1、脉冲电源

将工频交流电或者直流电流转换成具有一定频率的单项脉冲电流的脉冲电源，是电火花加工用的脉冲电源，用来向电极的放电间会放出大量的对金属产生蚀除的能力。脉冲电源在对技术的经济指标有着很大的影响力，如，在对在对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极消耗等脉冲电源的种类有很多，可以分为RC、PLC线路脉冲电源，电子管、闸流管脉冲电源和晶体管、可控硅脉冲电源等三类。脉冲电源不一样的它的脉冲宽度和在应用上是不一样的，它是根据加工对象和需要加工的要求合理的选择。

由两个回路组成的充电回路RC线路，它是脉冲电源也是最基本路线，由直流电源E，充电电阻R（调节充电速度，同时限流防止电流过大转变为电弧放电，又称限流电阻）和电容器C组成；另一个回路是放电回路，由电容器C、工件电极和工具电极及放电间隙组成。电容器有时候会进行充电有的时候在放电，一弛一张，所以就会叫做张弛式脉冲电源。

在利用率上，RC线路脉冲电源其利用率比较低，是因为在许多地方电能转换成了热能；在生产率上，电容器放电的时间短，充电的时间远远的超过了放电的时间。RLC的出现是为了将RC线路脉冲电源的缺点弥补，是将有着空气隙的铁心电感L放入充电回路当中组成RLC。限流电阻R可以分为，一部分电阻用来作为限制短路电流，剩下的另一部分则作为电感L代替。虽然纯电阻的电阻值在直流电路当中很小，但是在交流电和脉冲电流当中有着抵抗性，可以作为限流将因发热使得消耗的电能大大的减少，因此RLC线路脉冲电源的在利用率上相比会比RC的线路高，能够达到百分之八十到百分之九十之间，即使在实际的应用当中也能够达到百分之六十到半分之八十之间。将电容器C在充电的时间大大的缩短也就是将脉冲间歇时间大大的缩短，也就是将脉冲率大大的提高。

RC、RLC线路脉冲电源它的电源为张弛式脉冲电源，线路安全可靠又简单，在成本上的低价，在技术上的易懂好掌握。它的缺点是：对工具磨损的厉害，生产效率不高，在进行工作的时候其稳定能力差，（其中，RLC线路较RC线路电能利用率高，脉冲间歇系数较小），由于张弛式脉冲电源，它电容器储存的电量教少使得放电的时间短，在生产量上很难到达高要求高标准，对机器的损耗也是非常的高的长脉冲，并且这样的电源它自己并没有单独的形成和发生脉冲，只是依靠在电极间工作液对脉冲进行击穿和消电离使得其能够让电流导通和切断。若是间隙太过于狭窄，使得间隙当中电蚀产物受到的污染以及对外排除的状况都能成为对脉冲参数的重要影响，脉冲的频率、宽度、能量稳定性不强，并且通过限流电阻要和直流电始终接通的放电间隙，没有开关原件的隔离所以放电这种情况能够随时发生，还能够转换为电弧放电。面多这些问题，经过分析研究，研发出能够有着独立的脉冲的电源，能够互相之间没有联系的脉冲电源，如闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式等，这就会把电极间隙物理状态参数变化对其的影响就会降到最低。

目前。因一些特殊要求出现了各种的多种的脉冲电源，这些脉冲电源的出现，能够将脉冲的利用率大大的提高并能够速度快、耗能低和在加工上能够稳定持续工作等，这些脉冲电源，如高、低压复合脉冲电源，多回路脉冲电源，自适应控制脉冲电源，高频分组和梳形波脉冲电源等。

2、工作液及其循环过滤系统

电火花加工在工作液中进行。工作液需具有绝缘、压缩通道、产生局部髙压、冷却、消电离等作用。

工作液循环过滤系统包括工作液（煤油）箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。放电间隙中的电蚀产物不仅能够自然扩散，还可以经过定期的抬刀以及在工具的使用过程当中附加的震动之外，一般多会采取强迫的手段进行循环的办法将其排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度。除此之外会有一部分的热量被带走。

为了保持工作液的干净，不影响其加工的性能，就会进行过滤或者是净化，具体办法是：自然沉淀法。此法速度太慢，周期太长，只用于单件、小批量加工。介质过滤法。常用黄砂、木屑、棉纱头、过滤纸、硅藻土、活性炭等为过滤介质，各有优缺点。但对中小形工件、加工用量不大时，一般都能满足过滤要求，可就地取材，因地制宜。其中过滤纸效率较高，性能较好。高压静电过滤、离心过滤等。因技术上比较复杂，采用较少。

3、间隙自动调节系统

在电火花运作的过程当中，需要在工件和工具两者之间需要有着一定的距离，也就是放电间隙。因为工件一直在受到腐蚀除，工具也会有着消耗破损，使得在间隙之间会不断的将间隙拉大。要给工具电极及时的补进才能够将继续的工作。电火花加工机床的自动调节系统在加工过程中使工具慢慢进给，维持间隙在一个合理的平均放电间隙范围内。

自动调节系统由由测量、比较和放大的环节和执行环节构成。测量环节测量与放电间隙成比例的参数。弛张式脉冲电源测量电流、电压变化信号；独立式脉冲电源检测击穿电压和击穿延时变化信号。把电参数传给比较环节，测量参数与预先给定值比较，输出控制信号。经放大器放大后传输给电-机械转换器，使主轴运动调节放电间隙。

在电火花成形机床当中作为最重要的部件，主轴头有着自动执行系统。对主轴头其结构需要简单，要求传动链、传动间热变形都是需要短和小的，并且在精度和刚度上要有着足够的应用，能够满足自动调节系统的高要求能够承受高载荷的要求。由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节是组成主轴头的主要组成分，目前，我过在生产电火花成形机床采用的主轴头，一般都采用液压主轴头。

参考文献

[1]王先逵.机械制造工艺学（上册）.北京：清华大学出版社，1989.

[2]郑志达.仪器制造工艺学.北京：机械工业出版社，1994.

脉冲电源范文

关键词：STRETCHMeatgrinder；脉冲功率源；耦合电感；有限元分析；磁场

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.044

1引言

在电磁发射技术中，为满足作战的需求，电源小型化显得尤为重要[1]。相比较而言，电感储能型脉冲功率源以其储能密度高、传输功率大、结构紧凑、体积小、成本低等优点[2]成为了研究的热点。

对于电感储能型脉冲功率源的研究，美国IAT通过对传统的Meatgrinder电路进行改进提出了STRETCHMeatgrinder拓扑[3-4]，该拓扑引入耦合电感，利用磁通压缩的原理，通过互感实现电流倍增，大大提高了带负载的能力[5]。STRETCHMeatgrinder电路中为了提高能量的传输效率，耦合电感的优化设计是关键，以前的研究主要集中在提高两电感的耦合度上，如今耦合度已提高到0.9以上，在高耦合度情况下强磁场的影响将会凸显出来，基于此本文在仿真分析拓扑结构的背景下以其高耦合度电感为模型，利用有限元方法分析了其磁场特性以及耦合电感线圈受力情况。

2STRETCHMeatgrinder拓扑仿真分析

STRETCHMeatgrinder仿真电路如图1所示，初级电源的充电电压为6kV，电感L1=1249μH，L2=321.5μH（耦合系数0.974），脉冲电容C1=105.2mF，放电电阻R2=100KΩ，等效负载中电感L3=1.4Μh，电阻R1=0.5mΩ；仿真电压电流波形如图2、图3所示。

根据STRETCHMeatgrinder电压电流波形图并结合开关器件的触发时间引起的电路工作状态的变换可将拓扑的工作过程划分为五个阶段。

第一阶段：闭合开关Sop（IGCT，仿真过程中是用GTO替代），让初级电源Us给电感L1、L2充电，电流增加到满足要求的值时关断全控器件Sop，进入第二个阶段。（7.55ms以前）

第二阶段：当Sop关断后，电感L1中的磁通都会迅速的减小，由于L1、L2间耦合连接磁链守恒，所以L1中的电流和磁通就会快速增加，并通过二极管D1给负载供电；L1、L2不可能理想耦合，必然有漏磁通的存在，为防止击穿主管，拓扑中加入了脉冲电容C，漏磁通产生的电流将对其充电。（7.55-7.7ms）

第三个阶段：晶闸管GTO2没有导通，电容上的电压将保持不变，仅由电感L2给负载供电。（7.7-8.25ms）

第四阶段：触发晶闸管GTO2，C1释放在第二阶段储存的L1的漏感能量给负载，此过程中可等效的看着是两个电感同时给负载供电，负载电流将达到一个峰值直到电感L1中的电流再次降为0。（8.25-8.8ms）

第五阶段：只有L2给负载供电，然后电容上的电压保持负值不变。只要合理的控制触发晶闸管GTO2的时序，是能够很好的使先前储存的电容中的能量得以利用的。（8.8ms以后）

从以上电路工作状态可以看出，第二阶段是关键，脉冲功率源的实质就是将初级能源进行压缩储存然后再以脉冲的形式传给负载，在本拓扑中此功能就靠两耦合电感通过磁通压缩的原理将能量传给负载。在设计中让L1是L2的几十倍，这样电感L2中的电流就会急剧上升，将两电感大部分的能量都加到负载，传递到负载的能量大小就取决于两电感的耦合程度，在分析计算中电感间的耦合程度可以用耦合系数K来表示。

从这个式子可以看出，要想提高耦合度，就得增大两电感间的互感M，M的大小与两线圈的形状、匝数、磁介质的种类及它们的相对位置有关[6]。空间两个圆线圈可由r0，d0，α三个量来确定其位置关系，由此建立单匝线圈之间的互感计算模型如图4所示。

得到线圈间的互感计算公式为[7]：

式中R、r为两线圈的半径，N1、N2为两电感的匝数，r12为两线圈上电流元间的矢径，α为线圈1与y轴夹角，显然，当α为0时尽量缩小r12可以得到较大的互感，从而得到较高的耦合度，利用这种原理得到的高耦合电感。

3耦合电感磁场有限元分析

3.1仿真模型的建立

本文的仿真结构采用L1、L2交互相隔的方法来保证耦合系数，先对两电感进行小单元分组，然后各组之间依次间隔排列，最后再在各层之间填充环氧树脂来保证绝缘。采用的材料为铜片，最小单元有两类，一类厚度为4mm，一类厚度为8mm，其匝间间隙都为1.2mm，电感L1为1249uH，被分为7组，由13个第一类单元串联组成，其中有6组是由两个第一类单元叠加串联而成；电感L2为321.5uH，分为6组，由6个第二类单元串联而成，最终的耦合电感就由L1的7组电感与L2的6组电感交互相隔叠在一起构成。在对称坐标系RZ平面下建立耦合电感的磁场分布仿真模型，如图5所示。

图5（a）中每个小矩形代表每匝线圈，每一排小矩形代表每一层线圈，相对较矮的矩形代表电感L1的部分，相对较高的代表L2的部分。大的矩形部分代表求解区域。仿真中的加载电流如图3，从图中可以看出，在0到7.55毫秒内的电流为线性变化，而7.55毫秒以后为非线性变化，因此在加载耦合电感电流的时候，可以分为这两个过程进行加载。

3.2仿真结果分析

通过以上的仿真，得到的结果如图6、图7、图8、图9所示。

从图6可以看出耦合电感的能量主要分布在靠近电感的内外侧，能量的最大值在耦合电感内部中心处，从电感端部的能量密度来看，磁场对外有漏磁存在；从图7可以看出磁场的最大值为1.267T，最大磁场处在电感L2的内侧，在实际中L2中的电流是L1的几十倍且电流是从L2的内侧流入的，说明仿真与实际相符。从图8中的磁场方向可以大致判断电感将受到一个径向向外的电磁力，图9刚好验证了这一点，从电磁力矢量图可以清晰的看出耦合电感将受到一个向外侧中心挤压的力，仿真数据显示所受力最大处为149.695N，最大力主要出现在第二层和第十七层线圈处。

为了进一步具体的研究线圈受力情况，在仿真的过程中也求解了每层线圈在垂直方向上受力的情况，如图10所示，横坐标为每层线圈的编号，编号如图5（b）所示，纵坐标为每层线圈在纵轴方向所受的力。

从图中可以看出在1-9层线圈受力的方向为纵轴正方形，而11-19层线圈受力为纵轴的负方向，因此线圈将会有向中间收拢的趋势，同时也可以从图中看出中间层的线圈受力较小，上下层的线圈受力较大，其中第二层线圈受力最大，为49.47kN，所以在实际制作耦合电感的过程中必须对两端加强固定。

4结论

本文通过对电感储能型脉冲功率源的仿真分析可以得出如下结论：

（1）从STRETCHMeatgrinder仿真电压电流波形可以看出电感L1的能量能够通过耦合高效率的传给电感L2继而传给负载，就算有漏磁的存在，由于脉冲电容的加入，迫使这部分能量再次传递到负载而被利用。

（2）耦合电感储能密度较高，储存的能量主要集中在耦合电感的内外靠近电感处，且最大能量值出现在耦合电感的中心处。

（3）耦合电感中的磁场强度较大，最大值出现在电感L2的内侧。

（4）耦合电感在通电后将会受到一个向外部中心处挤压的力；在构成耦合电感的所有线圈层中在垂直方向上受力较大，电感线圈会有向中间收拢的趋势。

参考文献：

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