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脉冲功率技术

脉冲功率技术(Pulse Power)是一门研究高功率、高电压、大电流的新兴学科,又称高功率脉冲技术,它是研究在相对长的时间里把能量存储起来,然后经过快速压缩、转换,最后有效释放给负载的新兴科技领域。


一、脉冲功率技术特点

1.应用范围广、市场潜力巨大:

随着新兴科技的发展,如可控核聚变研究、新兴强激光、高能电子与离子加速器、电磁脉冲、新武器研究等方面的应用,脉冲功率技术得到快速发展,在能源、烟气净化、环境科学、医疗和生物工程领域都取得相当大的进展,具有广泛而其巨大的应用潜力和市场需求。

2.具有四大技术优势:

脉冲功率能量巨大,目前世界上最大的单台脉冲功率装置是美国Sandia国家实验室的PBFA-Z加速器,它释放的脉冲功率可达10^14W(100TW)量级,比全世界发电量的总功率大约高1~2个量级,主要用于高功率脉冲驱动的快速Z箍缩研究。高功率脉冲装置也是高压设备的一种类型,但又与一般高压设备不同,它属于高功率、强电流、短脉冲的一种特殊设备,提供的是一种暂态过程的物理量。

 

二、赛晶电力电子集团技术优势

 

1.赛晶集团拥有丰富的技术积淀和经验:

2.赛晶集团脉冲功率技术应用范围广泛:

可应用于以下多种领域:

3.赛晶集团脉冲功率技术的典型案例:

附:

脉冲功率技术背景知识介绍

 

一、脉冲功率技术概念

脉冲功率技术是指将初级能量(通常为几百千焦至几十兆焦)储存在储能元件中通常为电容器、电感器、飞轮储能等,然后通过快速开关和脉冲成形网络,将此能量在毫微秒、甚至是纳秒时间内释放到负载上,以得到极高的功率。脉冲功率技术主要是解决如何经济地和可靠地储存能量,并将大能量和大功率有效地传输到负载。脉冲功率技术就是要不断提高脉冲的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命等科学技术问题,满足不同领域不断发展的技术要求。

二、脉冲功率技术发展历程

脉冲功率技术正式作为一个独立的技术进行发展研究是从上世纪上半期开始,事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电,早就存在于大自然中,例如雷击放电、静电放电等,而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性,以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施,当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。二十世纪四十年代末期,就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。但是一方面由于当时客观要求并不迫切;另一方面,这样快的脉冲放电,无论在产生技术上,或者在测量技术上都存在着一定的困难。因此,其后十多年这种技术发展并不迅速,而到了上世纪六十年代初期,由于闪光辐射照相和瞬时辐射效应研究的需要,英国原子能武器研究中心的J.C.马丁所领导的研究小组,开拓了称之为脉冲功率加速器的研究领域,使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。同时,一些科学技术在发展中受到障碍,急需找寻新的途径。以微波和激光的发展为例,利用速调管、行波管等原理去产生大功率高效率毫米或亚毫米微波已经不可能,利用一般方法产生大功率、高效率、波长可调的激光束也不可能。正当人们探索和寻找新的解决途径的时候,他们发现脉冲功率技术是解决这些问题的良好途径。为此,美国许多单位,如桑地亚实验室、物理国际公司、海军研究实验室、康乃尔大学、加利福尼亚大学和斯坦福大学等单位,对脉冲功率技术及其在各方面的应用开始了研究和探索工作。这种技术的应用包括:电子及离子加速、核聚变、微波装置、激光(特别是大功率放电激光)、电磁脉冲、闪光辐射照相、瞬时辐射效应和各种各样的工业应用,随着脉冲功率技术的发展,其应用也逐渐拓展到医疗、环保、交通、食品、电力、化工等民用领域,应用越来越广泛。

三、 脉冲功率技术原理及系统组成

脉冲功率技术简单地概括,就是对能量实现低功率的储存和高功率的释放。低功率能量储存就是将市电或电池等能量通过充电方式储存到脉冲电容、电感、脉冲交流发电机等相对储能密度比较高的能量储存系统中;高功率的能量释放就是将储存的能量通过高功率开关和脉冲成形网络对放电波形进行调制,使能量在时间上的压缩,提高释放能量的瞬时功率,以一定的脉冲电压、脉冲电流、脉冲上升前沿、重复频率等要求的波形对负载进行放电,满足不同负载的应用需求。

脉冲功率系统主要包括初级能源、储能系统、脉冲成形系统、负载等。初级能源一般用市电或电池等能量储存单元经过充电系统将能量储存在储能系统中,储能系统的技术方式有很多,在脉冲功率技术中常用的是电容储能、电感储能、化学储能和机械储能等。脉冲成形系统是通过能量或时间压缩方法,对储能系统释放的能量脉冲进行压缩整形,以达到需要的脉冲功率值、脉冲形状、脉宽及重复频率特性要求,脉冲成形系统的主要形式包括脉冲传输成型线及其倍压器、脉冲功率变压器、大功率短路开关、大功率断路开关配合辅助阻抗进行波形调节等几种类型。负载是为某种应用脉冲功率放电的对象,进而产生所需要的等离子体、微波、激光或一定的电磁场等。

四、脉冲功率的关键技术及发展趋势

脉冲功率技术不断提高的能量、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求,给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题,涉及的关键技术有能量的储存技术,能量和功率的传输,脉冲的形成和压缩,开关技术,绝缘技术,磁绝缘传输线,二极管和脉冲功率诊断技术等。

脉冲功率技术经过半个多世纪的发展,已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业、民用领域延伸。作为当代高新技术领域的重要组成部分,它的发展和应用与其他学科的发展有着密切的关系。分析当前脉冲功率技术的发展趋势可以概括为:高功率、高重频放电、高可靠性、快上升前沿、小型化、长寿命等方向发展。目前脉冲功率技术进步的方向和热点有:  

(1)由单次脉冲向高重频脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务,并且大多是单次运行,随着脉冲功率技术的进步,单次脉冲可靠稳定后,许多应用领域提出了脉冲功率重复使用的要求,而且在满足一定功率的情况下重复频率要求越来越高。 

(2)储能技术——研制高储能密度、小型化的储能电源。在很多应用场合下,脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素,如飞机探测水下物体技术、电磁炮等,都要求产生很大的脉冲功率, 而且系统又不能过于庞大和笨重。因此,高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。

(3)开关技术——探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能,是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。目前大功率开关技术包括以下几个方面: 短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术,而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此,具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制,是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。 

(4)积极开辟新的应用领域。脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、电磁发射等领域已得到日益广泛的应用。近年来,脉冲功率技术在半导体集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究,已引起各界的广泛重视,而且在某些应用研究中,已取得了可喜的进展。随着脉冲功率技术更多地在民用领域的应用,市场的推动必将促进脉冲功率技术更快地发展。

五、脉冲功率技术应用

过去和现在脉冲功率技术的主要在高新技术、国防科研等领域应用,包括可控聚变、电热炮、高功率微波、高功率激光、电磁轨道炮、强电磁脉冲、X射线拍照、航母电磁弹射、无人机弹射等方面,目前也逐渐发展到民用部门,如人工电磁环境产生、脱硫脱硝、电除尘、污水处理、灭菌消毒、勘探探测检测、油井截堵疏通、医疗碎石、表面工艺处理等领域,应用越来越广泛。

1、国防军工领域

电热炮:是全部或者部分利用电能来推动弹丸的发射装置。依据等离子体产生和工作方式,可分为直热式电热炮和间热式电热炮,前者全部利用高功率脉冲电源供给发射装置,利用高温高压等离子加速弹丸;间热式电热炮又包括电热化学炮和电热轻气炮,电热化学炮是利用等离子体发生器代替传统火炮的点传火机构,通过高功率脉冲电源放电使等离子体发生器喷射等离子体,点燃并控制发射药的燃烧过程,推动弹丸前进。电热轻气炮是利用脉冲电源产生脉冲电能注入到工作液体,如水、水中添加铝等物质、加入氧化剂的燃料等,产生高压轻工质气体推动弹丸运动。电热炮能突破传统火药发射的速度极限,大幅提升火炮的初速。

电磁炮:是利用电磁力推动弹丸的发射装置,其全部利用电磁能工作,相比直接或间接利用化学能发射的技术具有划时代意义。电磁炮主要分两大类:电磁轨道炮和电磁线圈炮。电磁轨道炮是利用轨道和电枢构成回路,轨道上的大电流产生的强磁场与电枢上的电流产生洛伦磁力推动弹丸高速发射,理论加速能实现电磁波的速度,目前已经实现发射体初速达7km/s以上。电磁线圈炮是利用分布式线圈产生磁行波来驱动带有线圈或磁性材料的弹丸的发射装置,由于是靠感应磁场产生推力,所以整个发射速度不会太快,适合发射大质量低速发射的应用需求。由于电磁能较化学能具有传播速度更快、控制更灵活、使用更安全、成本更低、获取更便捷等特点,所以电磁能发射相比化学能发射,具有初速更高、速度容易调控,发射过程更安全、成本更低、能量补充更容易、发射征候更小等优点。

电磁弹射:是利用直线感应电机的模式,初级通上电流后,产生交变磁场,在直线感应电机的次级(运动部分)产生感应电流,使次级变为有感应电流的导体,通电导体在磁场中受到洛伦磁力的作用向前运动,电磁弹射可代替传统蒸汽弹射用于航母的舰载机的起飞,也可用于大型无人机的电磁弹射,或代替卫星或火箭的初级点火发射,实现初级冷发射。与传统蒸汽弹射器相比,电磁弹射具有弹射效率高、重量轻,运行和维护费用低等优点。

定向能武器:是利用脉冲功率能量对不同负载放电,产生定向发射的电磁波束、高能激光束、高能粒子束直接攻击目标的武器。包括激光武器、电磁脉冲武器和粒子束武器等。

激光武器:是利用脉冲功率的能量使原子发生受激辐射,使其从较高的能级跃迁到较低的能级,在干扰光的作用下通过合适的谐振腔选择激光工作模式就能瞬间放大产生激光,形成单色性、方向性和相干性极好的激光束传输超强能量,直接作用于目标,使之毁伤或失效的一种定向能武器。它与传统武器的不同之处在于它的投射能量与毁伤能量都是光能,可实现光速打击,这种能量的投射形式是一种全新的概念。激光武器的特点就是光速发射,发现即打击,缺点是光速在雨雾等潮湿天气的作用效果将大大降低。

电磁脉冲武器:是脉冲功率电源进行波形调制,作用到电磁脉冲负载上产生高能量脉冲电磁波束,通过天线进行定向辐射,产生电磁波干扰、破坏电子设备或杀伤有生力量的定向能武器。电磁脉冲武器按照工作频带和工作原理可以分为两类:一类是低频电磁炸弹,即不使用微波器件,产生的电磁脉冲频段在几百兆赫兹以下,通常所说的电磁脉冲弹指的是这一类;另一类是高功率微波武器,其利用高功率微波源产生峰值功率很高的微波,对设备的电子器件进行干扰或毁伤,从而使设备不能正常工作。

粒子束武器:是利用脉冲功率产生强电磁场对粒子进行加速,利用接近光速的密集粒子束流毁坏目标或使目标功能失效,由粒子源、粒子加速器和聚焦瞄准系统等组成。分为带电粒子束武器和中性粒子束武器。

2、工业应用应用

可控聚变:利用脉冲功率电源释放的大电流产生强磁场,约束高温等离子体到很小的范围内,使较轻的原子核聚合成较重的原子核,同时释放出巨大的能量的过程。为实现磁力约束,需要一个能产生足够强的环形磁场的装置,这种装置被称作“托克马克装置”。受控核聚靠约束高温等离子团控制反应物密度,从而使该聚变过程可控,达到可人工利用的地步,为人类提供一种无限的、清洁的、安全的新能源。

岩石钻孔:利用高压短脉冲对坚硬的岩石进行粉碎、钻孔是脉冲功率技术在民用工业中的新应用。利用液体和固体介质的动态击穿场强不同的特点,当一高能量短脉冲施加于液体-固体界面时,固体介质表面比液体更容易发生击穿,来实现对岩石的钻孔和粉碎。

电爆炸焊接:电爆炸是指在一定的介质(如惰性气体、水等)环境下,强脉冲电流通过导体丝时,导体材料自身的物理状态急剧变化,并迅速把电能转化为其他形式能量(如热能、等离子体辐射能、冲击波能等)的一种物理现象。电爆炸焊接是一种固相焊接方法,可以使不同金属之间,如钛、铜、铝、钢等金属之间焊接在一起,获得强度很高的焊接接头,用其他的焊接方法很难实现。现代工业需要多种多样的金属复合材料,爆炸焊接工艺应运而生。

矿藏勘探:利用脉冲电源产生的强的冲击波放电作为震源,在地质层中或水下进行传播,当冲击波遇到一般的岩石层所产生的反射与遇到石油和其它地质矿藏所产生的反射波有明显的差异,通过分析这些差异可以判断海底或陆地下是否有石油等矿藏,并且这一技术也可用于地震勘探。

微波除冰:在水泥或石子路面上加入少量电导率较高的材料,利用脉冲电源产生高功率微波,对于冬天结冰的路面进行加热,使路面与冰的结合处融化,从而使冰容易从路面脱离,达到除冰的目的。同样的技术也可以应用在风力发电机的扇叶的覆冰处理。

表面改性处理:利用脉冲功率技术产生强脉冲离子束,离子束撞击金属和非金属材料表面使材料表面性能发生改变,是正在发展中的新兴表面改性技术,成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺,在改善材料表面硬度、磨损、摩擦、抗疲劳或抗氧化等性能方面都有明显效果。

臭氧制备:脉冲功率电源产生共频、高频或脉冲等交变的电场作用下,气体分子中原有少量载流子从外电场中获得能量,使其加速运动并与气体分子碰撞、电离,氧分子分解为氧原子,与其它水分子结合为臭氧。臭氧具有极强的氧化能力,可用于杀菌、消毒等工业应用。

纳米粉制备:电爆炸使处于阳极和阴极间的金属丝产生高电压放电,在金属丝的内部瞬间通过强电流,产生焦耳热,使金属丝整体瞬间达到上万度的高温,远高于金属的气化点,使之气化。金属蒸汽与惰性原子碰撞,交换能量并迅速冷却形成尺寸在纳米到亚微米范围的球形颗粒。由于纳米材料的良好应用前景,电爆炸合成纳米粉体技术也越来越受到关注。

3、环境保护领域

我国的环境形势异常严峻,长期积累的环境问题和新污染源的出现使生存环境进一步恶化。近年来,脉冲功率技术开始大量应用于污水处理、废气处理、静电除尘和杀菌消毒等方面,逐渐成为环境工程中重要的处理手段之一。

脱硫脱硝:该技术利用高压脉冲电源产生的高能电子激活燃煤烟气中的二氧化硫和氮氧化物,加入氨作为反应剂,生成硫酸铵和硝酸铵肥料。脉冲电源产生的等离子体对该脱硫脱硝过程起到催化的作用,提高干法脱硫脱硝的转化效率。该技术成本较低,无二次污染,形成的副产物可回收利用,有较好的应用前景。

高压静电除尘:高压静电除尘使烟尘发生电离,气流中的粉尘荷电后在电场作用下与气流分离,在电场力的作用下,荷电的尘粒迅速趋向与之电极相反的电极,最后在电极上释放电荷并沉积在电极上,当粉尘沉积到一定数量时,通过振打装置作用使粉尘落入灰斗,被除去粉尘的净化气体则通过净化电场排入大气。

消毒杀菌:高压脉冲灭菌是一项新型的非热处理技术,其机理是脉冲电源产生的高压脉冲电场施加到微生物上,诱导微生物细胞出现不可逆的电穿孔,从而导致微生物死亡,达到消灭细菌,保护食品或环境的安全。

污水处理:高压脉冲电源由于输出电压波形具有陡前沿,窄脉冲的特点,施加于液相内非平衡的电极之间,极易使处理对象的分子结构发生改变,其质量较轻的电子获得能量后变为高能自由电子,在运动过程中,与其他分子碰撞,引发一系列水相化学过程,产生 如H2O2等活性物质, 进而能促使水中的有机物降解。而在这些电化学过程中产生的超声波、冲击波、局部高温、紫外线灯等一系列物理效应也能促使有机物的降解,达到净化污水的效果。

4、医疗卫生领域

目前脉冲功率技术在医疗卫生领域有很多应用,通过高压电源产生X射线进行X光拍照,产生强磁场进行核磁共振诊断等,产生激光脉冲或γ射线进行相关手术治疗,体外冲击波碎石是利用水中发生高功率脉冲放电时形成“液电效应”而产生冲击波,当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内部的结石处聚焦时,处在冲击波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐破碎。高压脉冲水下的液电效应也能用来清砂和除垢等工业应用。随着脉冲功率的技术进步,在医疗领域会得到更多地应用。

5、反恐维稳领域

随着国际和国内反恐维稳局势变得越来越发杂,国际人权地位的大幅提升,反恐维稳中要求处理各种突发事件,又不要误伤普通群众或造成国际纠纷,因此非致命武器越来越多地应用到反恐维稳领域。由脉冲功率应用产生强声、强光、高热的主动拒止武器,照射到皮肤后可引发难以忍受的灼热效应,或声效应使人难以忍受,用于阻止人员前行,但不会造成伤害或长时间的副作用。利用高功率微波或激光用于反恐怖份子的无人机,或强电磁脉冲汽车迫停,舰船迫停等,脉冲功率技术为反恐维稳提供了有效的维稳处突手段。

六、小结

作为当代高新技术研究的重要技术基础之一,脉冲功率技术的发展和应用与其它学科的发展有着密切的联系。随着研究的不断深入,储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展,而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。总之,脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着非常广泛的发展和应用前景。