磁压缩脉冲发生器的仿真与研究

设计一种应用于水中放电能够输出快前沿纳秒级高压窄脉冲的两级磁压缩脉冲发生器,根据磁脉冲压缩原理设计出磁开关相关参数,击穿水介质产生等离子放电通道需要均匀的电场,因此外置磁复位电路清理剩磁。选用铁基纳米晶磁芯在PSPICE仿真软件中创建磁开关模型并添加封装库,磁开关模型能够很好地模拟MPC(magnetic pulse compression)在实际应用中电压电流逐级压缩的工作状态。频率、脉宽和相位可调的优点使IGBT(insulated gate bipolar transistor)在实际应用中常作为初级控制开关,用于辅助MPC设计一种三极管电压反向放大延时电路封装开关模型,来实现与实际选用IGBT开关参数的对应。由仿真结果,50Ω电阻上输出一个上升沿90 ns,幅值8.5 kV的高压窄脉冲,前沿压缩倍数为6.4。     

典型布局Marx发生器内部过压形成与分布

为深入理解Marx发生器的建立过程,针对典型线路布局建立了基于不同过压耦合方式的发生器内部过电压产生与分配全电路模型.通过理论分析与电路仿真,研究了不同过压耦合方式下发生器内部开关过电压的产生机制与分布变化规律,结果表明:Marx发生器内部开关上的过压源自对已击穿开关上电压的重新分配;针对发生器不同的线路布局,起主要分压作用的参数及其所构成的分压回路也不同,从而形成不同的内部过电压产生方式与分布变化规律.     

一种双回路驱动的纳秒快前沿高重复频率脉冲源

为满足电子设备在高重频、快前沿脉冲下的电磁损伤机理与工作防护技术研究的需要,本文利用漂移阶跃恢复二极管(DSRD)开断速度快、重复频率高等优点,基于正反向电流泵浦原理设计了一种新型双回路驱动的纳秒快前沿重复频率脉冲发生电路。首先计算了双回路驱动脉冲发生电路的主要元件参数,建立了DSRD的PSpice等效模型,通过仿真分析了脉冲电路输入电压、触发时间、负载电阻、DSRD寄生电容等对输出脉冲前沿、脉宽(半峰宽)、幅值的影响规律,并通过电路参数优化得到了预期的脉冲输出指标,所设计的双回路驱动脉冲发生电路有效提升了储能电感充放电效率,提高了脉冲源工作频率。根据所设计的电路参数,最终研制出一台输出前沿1.87 ns、脉宽8.3 ns、幅值1 kV、工作频率3 MHz的纳秒快前沿高重复频率脉冲电源,为研究脉冲功率环境下的电磁效应和防护提供了实验手段和技术支持。     

基于破碎硬岩的高压脉冲放电数值模拟

为了研究破碎硬岩的高压脉冲放电作用过程,该文利用所建立的放电结构扩展物理-数学模型,从定量的角度对高压脉冲放电破碎硬岩进行数值仿真,所获得的破碎硬岩放电电压和电流波形与试验结果基本吻合。在此基础上,对高压脉冲放电破碎硬岩过程中的放电通道和电学特性进行分析。结果表明,当Marx发生器能量在硬岩内形成的电场强度大于硬岩的临界场强时,高压电极与接地电极之间会形成一条树枝状的放电通道,使得剩余能量进入到放电通道内并促使其急剧膨胀导致硬岩破碎。当硬岩发生击穿时,放电通道内的电压、电流、电阻、能量、功率、最大放电通道电导率以及各元器件上的电压均与时间存在强烈的依赖关系,且有超过五分之三的Marx发生器能量被释放到硬岩内形成欧姆量级的主放电通道内。     

脉冲放电激发反电晕的研究

针对高压脉冲电源反电晕放电进行实验研究。采用正极性固态Marx脉冲发生器作为放电电源，以中间添加蜂窝介质的针板作为放电电极，设置正极性矩形高压脉冲输出电压为0～20 kV可调，工作频率为0～1000 Hz可调，脉冲宽度为10～500 μs可调，进行反电晕放电实验，并根据电源和电极参数对影响放电电流大小的因素进行分析。进一步，在相同放电电极参数条件下，将高压脉冲反电晕与直流反电晕进行了对比研究。研究结果表明：介质厚度、针板间距、脉冲宽度和放电频率均对反电晕放电电流有一定影响；在脉冲放电频率为100～1000 Hz时，发生反电晕的相同电压下，脉冲反电晕放电电流大于直流反电晕放电电流，证明高压脉冲激发反电晕放电效果更好。     

空气暖等离子体射流发生器降温系统设计

为了更好满足等离子体射流发生器便携、易操控、应用环境多样性等要求，针对传统水冷笨重、难以移动等缺点，在发生器电极、冷却结构等方面设计了以空气为工作气体并且兼具冷却功能的气体回路便携式暖等离子体射流发生器，研究了工作气体流量、放电频率、放电电压对等离子体射流温度的影响规律.研究发现，冷却气体的引入明显降低了射流温度，在5.5 kV电压、22 kHz频率和7 L/min流量条件下，冷却气体的引入使得射流温度降低了302℃.射流温度随着气体流量和放电频率的增加而减小、随放电电压的增加而增加.相对于放电频率或放电电压，射流温度的降低对气体流量依赖性更强.     

行波电压叠加器的电路模型与输出特性

为了研究行波电压叠加器(TVA)的输出特性以及影响输出特性的因素,将传输线和放电支路进行简化,给出了传输线、放电支路、屏蔽电极与外筒体间的分布电感与分布电容等参数的计算方法,建立了8级串联TVA电路模型。通过仿真得到了8级串联TVA驱动匹配负载时的输出特性,研究了开关闭合时序与分散性以及传输线阻抗等对输出特性的影响。仿真结果表明：当每级开关触发闭合时序为理想感应电压叠加器(IVA)时序时,传输线输出电压峰值随串联级数n的增长近似线性增长,电压脉冲前沿逐级陡化,在匹配负载上的输出电压为899 kV,脉冲前沿与第一级相比缩短10 ns;屏蔽电极上的电压峰值逐级减小,电压波形存在高频振荡;开关闭合时序对TVA传输叠加与输出特性有显著影响,TVA按理想IVA时序触发时的匹配负载电压前沿比同时触发时要陡,相差约50 ns,随着触发时序系数增大(>1),脉冲前沿逐渐陡化;当开关触发闭合分散性增大时,输出脉冲重复性变差;随着传输线阻抗从匹配阻尼增大至3倍阻尼,匹配负载电压峰值增大,前沿缩短约30 ns,波尾时间增大约200 ns。研究结果可为TVA型脉冲功率源装置的结构优化和研制提供一定的参考...     

新型多开关脉冲功率技术

摘要阐述一种基于TLT(Transmission-Line-Transformer)的新型多开关脉冲功率技术。该技术可以像Marx发生器一样实现多个火花开关的自动同步,而无需外部同步触发电路或光路。与传统的多开关电路相比,不仅可以通过电压叠加获得高电压输出,而且可以通过电流叠加实现大电流输出,或者用于驱动多个独立的负载。该技术已被成功应用于高效高重复率大功率纳秒短脉冲电源的开发。该电源采用10个火花开关,它们可以在约10nm内实现同步。输出脉冲上升沿约10ns,脉冲宽度55ns。输出峰值功率300～810MW,输出电压40～77kV,输出电流6～11kA,能量转换效率93%～98%。由于总的开关负荷由10个开关均分,与基于单个火花开关的系统相比,系统寿命可大幅度提高。当采用闸流管时,还可以用来产生大电流微秒脉冲,可行性已经在具有3个闸流管的小型实验设备上得到验证。此外,该技术独特的多开关连接方式可以拓展到其他脉冲电路中,如Blumlein发生器和感应叠加器,从而派生出其他新型多开关电路。     

水下冲击大电流间接测量方法研究

分析了水下冲击大电流放电等效回路的微分方程;根据其中的电压方程,采用信赖域算法对测得的储能电容器放电电压波形数据进行数值计算,获得冲击电流的衰减系数,进而通过电流方程间接获得电流波形。该方法不影响脉冲功率装置的工作状态,避免了在水下放电电极之间接入罗科夫斯基线圈而带来的电感额外增加问题;也避免了罗科夫斯基线圈的防水密封问题,获得的电流波形数据反映了脉冲功率装置在水下的真实放电状态,可作为水中等离子物理研究的间接测量手段。     

基于触发回路的Marx装置同步性能优化

Marx装置中气体开关的可靠击穿是同步的关键,必须对其触发回路进行研究,使开关能在极短时间内依次连续击穿。利用ATP-EMTP软件进行触发回路的仿真研究,得到模拟实际触发开关中的触发脉冲。通过研究分析触发电缆的长度、波阻抗以及触发电阻对触发脉冲的影响,并结合气体开关的电压建立时间以及触发脉冲波形的要求,给出了Marx装置触发回路合理的参数选择;并仿真产生了符合要求的触发脉冲波形,保证气体开关的可靠击穿与装置的同步性能。     

负极性振荡雷电冲击电压下SF_6尖板模型局部放电特性

为了深入研究尖板模型振荡雷电冲击电压下局部放电特性,首先搭建了振荡冲击电压发生器,产生符合IEC 60060-3标准的振荡型雷电冲击电压,基于特高频法和脉冲电流法,建立了冲击电压下局部放电测量系统,进而构建了SF6尖板模型,对负极性振荡雷电冲击电压下局部放电进行了测量,对比了特高频法和脉冲电流法测量局部放电的灵敏度,分析了放电时延、放电幅值、放电数目和放电相位随外施电压的变化规律。结果表明:特高频法测量灵敏度更高,适合在气体绝缘组合电器(GIS)现场冲击耐压试验中使用;局部放电集中在外施电压各波峰附近;随着外施电压的升高,放电时延和放电起始相位急剧减小,放电结束相位则稍有增大;各周期放电幅值和数目随波峰电压的升高而线性增加。进一步分析表明,在负极性振荡雷电冲击电压下,局部放电的产生和发展可用金属电极表面发射、负离子场致碰撞脱附和电晕稳定化作用进行很好的阐释。研究成果有助于GIS现场冲击耐压试验中局部放电的检测与分析。     

脉冲功率器件RSD热阻的计算与研究

热阻是半导体功率器件的基本特征和重要参数。本文首次提出RSD热阻的计算,根据RSD热阻网络模型,引入加热、测量电流合二为一的方法计算RSD的热阻,最终得到RSD的热阻值为0.3℃/W。较小的热阻可使RSD应用于重频脉冲功率领域而不发生热失效。实验得到了500Hz频率下RSD的开通特性,RSD运行时间为20s,以保证器件达到热平衡。波形显示RSD重复开通特性良好,通过对电流电压积分得到RSD消耗的功率约为8W。据此,可得到RSD在1.2kV峰值电压下运行20s时的结温为60.8℃(RSD运行频率为500Hz)。结果表明RSD是理想的脉冲功率开关,其工作频率可大幅提高。     

放电电压形式对空心阴极甲烷放电等离子体组分及离子能量的影响研究

为了优化空心阴极结构中有机气体放电制备类金刚石薄膜的放电电压形式,掌握放电等离子体组分及能量特性,采用直流和重复频率脉冲两种外施电压形式,运用发射光谱诊断法结合数值仿真研究了不同放电电压形式下空心阴极甲烷放电等离子体组分特性。研究结果显示,放电平均电流接近时,直流电压作用下的甲烷分子解离程度比重复频率脉冲电压作用下更高。升高直流电压或脉冲电压幅值,增加脉冲宽度,提高脉冲频率,均可促进甲烷分子解离。不同放电电压形式下甲烷放电等离子体中的单碳离子比例差异较大,重复频率脉冲电压作用下,放电等离子体未充分发展,且电子能量更高,利于单碳离子的生成,使单碳离子比例更高。同时,利用减速电场法获得了不同放电电压形式下到达基底的离子能量分布情况,发现重复频率脉冲电压作用下的离子能量更高,并呈双峰分布,直流电压作用下离子能量呈单峰分布。离子能量与外施直流电压或脉冲电压幅值呈正相关性。     

110kV固态气体灭弧防雷间隙工频续流遮断试验

为了验证110 kV固态气体灭弧防雷间隙的工频续流遮断能力,需要对其进行雷电冲击放电试验,确定间隙距离和50％放电电压,再进行工频续流遮断试验,测量工频续流幅值和工频续流持续时间.依据GB/T 16927和IEC 60060中的相关规定使用3000 kV/675 kJ冲击电压发生器对间隙进行雷电冲击放电试验,试验确定1...     

水下臭氧发生器的参数设计与特性研究

阐述了水下臭氧发生器的工作原理,建立了回路的微分方程,研究了回路中主要电气参数对高压脉冲放电电压幅值的影响。然后通过matlab/simulink对水下臭氧发生器的电气回路进行仿真,并根据电气回路仿真结果确定回路电气参数,设计并加工一台水下臭氧发生器进行试验研究。仿真和试验结果表明：适当选择回路参数和电源频率可以在电容C2上产生接近或超过两倍电源电压幅值的高压,为水下臭氧发生器参数选择提供理论依据。     

改善直接转矩控制性能的SVPWM方法

针对异步电动机直接转矩控制系统存在转矩和磁链脉动、器件开关频率不定等缺点,提出一种直接转矩空间矢量脉宽调制(SVPWM)预测控制方法。根据转矩和定子磁链的误差,通过驱使误差为零的原则确定参考电压矢量,然后利用SVPWM合成该矢量。由于采样时刻的电压和磁链误差,可在下一个控制周期内得到补偿,因此转矩和磁链的误差始终很小,二者的脉动很小。SVPWM算法保证了逆变器的开关频率恒定。仿真和实验的结果表明,利用这种方法在低于3kHz的恒定开关频率下,可以实现定子磁链近似为圆、异步电机电磁转矩脉动不明显的性能。     

三相电压型SVG的直接电流控制方法及仿真

分析了采用三相电压型逆变器为主电路结构的静止无功发生器(SVG)装置的工作原理.通过对比不同控制方法的优缺点,采用了基于瞬时无功功率理论的三角波直接电流控制方法.该方法具有控制精度高、稳态性能好、瞬时响应快等优点.对其做了MATLAB仿真研究,结果表明,无功情况得到了很好的补偿,验证了设计方法的可行性.针对不同IGBT开关频率,对逆变器输出波形做了比较分析.     

三相电压型SVG的直接电流控制方法及仿真

分析了采用三相电压型逆变器为主电路结构的静止无功发生器(SVG)装置的工作原理。通过对比不同控制方法的优缺点,采用了基于瞬时无功功率理论的三角波直接电流控制方法。该方法具有控制精度高、稳态性能好、瞬时响应快等优点。对其做了MATLAB仿真研究,结果表明,无功情况得到了很好的补偿,验证了设计方法的可行性。针对不同IGBT开关频率,对逆变器输出波形做了比较分析。     

大功率下特殊直流变换器的软开关仿真研究

现如今,高电压输入的DC-DC直流变换器在开关电源中得到越来越广泛的应用,要求其输入的高电压与输出的高精度。本文研究了一种基于交错并联双管正激变换器的零电压转换(ZVT)软开关技术,并应用于总电路中实现开关管的软开关。最后,应用MATLAB仿真软件对零电压转换的交错并联双管正激变换器进行了仿真实验,在仿真中不断优化电路参数,并对仿真结果进行了分析。     

永磁同步电机直接转矩控制系统的改进

介绍了一种恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法,通过定子磁链及幅值给定、定子电流来计算在恒定开关周期内加在电机定子绕组上的电压,采用空间电压矢量调制方法使逆变器的开关器件处于恒定的工作频率.开关频率越高,其控制性能越好.仿真结果验证了方法是有效的.