脈沖功率儲能技術-電容器

1、第二節(jié) 脈沖功率系統(tǒng) 能量壓縮的概念 空間壓縮（磁通壓縮，提高比儲能） 時間壓縮（提高比功率）脈沖功率系統(tǒng)結構第2章 脈沖功率儲能技術l高能量密度l高耐壓強度l高放電電流l長存儲時間（低能量泄漏）l高充電與放電效率l高功率倍增（放電輸出功率/充電輸入功率）l高重復頻率和長使用壽命l低成本 根據(jù)系統(tǒng)的實際需要和環(huán)境的限制進行折衷。脈沖功率中能量儲存的要求：脈沖功率系統(tǒng)結構l儲能及脈沖發(fā)生技術 儲能技術（儲能的方法，充能的方法），脈沖發(fā)生技術l脈沖壓縮及成形系統(tǒng) 脈沖成形技術，開關技術l負載及應用系統(tǒng) 脈沖功率的負載，脈沖功率的應用技術l脈沖功率測量技術 脈沖高電壓，大電流的測量技術儲能方法l電容

2、儲能l電感儲能l機械儲能l化學能儲能 幾種儲能技術比較脈沖電容器電容 C儲能W=（1/2）CU2U 充電電壓C=0A/d電容量與面積A和成正比與介質的厚度成反比利用電場儲能電容器集中參數(shù)電路模型串聯(lián)電阻Rs 0.1歐姆量級 來自于導線，接片，電極 并聯(lián)電阻R 穿過絕緣介質和沿材料表面的電流泄漏電感L 依賴于電容器內部結構，但他決定輸出電流的最大值，IP=U(C/L)1/2 電容量和漏電阻與溫度、電壓、濕度以及存儲時間有關。環(huán)氧樹脂和聚酯薄膜的介電常數(shù)隨溫度變化更大。 電容器的耐壓強度不僅與絕緣介質的擊穿電壓決定，還受形狀、面積、連接部位的材料以及他們與絕緣材料的吻合性等因素有關。耐壓強度還受使

3、用條件的限制，如溫度、壓力、濕度和電壓極性反轉等的影響。電容器的壽命 電容器的使用壽命與相對于額定電壓的充電率和充電電壓的極性反轉有直接關系。 脈沖功率應用中要求電容器的充放電大于108，為了達到這個要求，通常要限制電容器的充電電壓，使其低于額定電壓。電容器的壽命 極性反轉，如果電荷從金屬陰極注入到絕緣介質中，那么在電壓反轉時空間電荷會起到增強電場的作用。一但局部電場超過擊穿場強，便會對電容器絕緣材料造成破壞。電容器故障的三個原因l邊緣絕緣帶附件的沿面放電l介質中空隙或雜質的擊穿l壓接接頭或其它部位 的電弧放電自愈式電容器電容儲能 高壓脈沖電容器：內感盡可能地小，能夠多次重復短路放電。2kJ/

4、kg雙電層電容器儲能密度達30kJ/kgn電容器串并聯(lián)n蓄電池電容器組合n經(jīng)典marx發(fā)生器n新型marx發(fā)生器（高效能，電感隔離型）nL-C倍壓器電容器組放電 電容器組脈沖放電裝置非常簡單，但用途卻非常廣泛。 受控熱核聚變，等離子體箍縮，等離子體焦點，脈沖強磁場。 電磁推進，電爆炸導體，電磁成形，電磁沖擊模擬，液電爆炸，飛行器除冰等。電容器組放電脈沖電路線性負載放電條件 l(1)脈沖電流的幅值Im均與電容儲能W和電感值有關。若增大Im，減小電感L，增大電壓U0或增大電容C。l(2)回路電流幅值Im與放電回路電阻R有關。R減小，可以使U0/R增大。l(3)電流上升率Ldi/dt=U0。放電電流

5、與a的關系電容器組放電技術要點 減小回路電感：減小回路電感：如果滿足脈沖功率技術中電流上升陡度大的要求，應當減小回路電感。低感電容器在結構上采取合理措施。 電容器并聯(lián) 圓形對稱排列，引線電纜長度相等。電容器組放電技術要點 電動力：由于運行電流可達100MA，在導線間產生極向的電動力。這種力隨導線間距離的減小而增大，但距離減小時電感也減小。 在這個矛盾下，首先應當滿足減少回路電感的要求，然后再考慮加固導線的機械強度防止物電動力的破壞。傳輸線應具備： 較小的電感和電阻，或較低的波阻抗； 能承受較大的電動力； 連接點有很好的接觸，以減少接觸電阻； 足夠的絕緣強度。電容器組放電技術要點 保護：如果已充

6、電的電容器中某臺電容器內部絕緣被擊穿，儲存在其它的電容器的能量勢必在極短的時間內釋放給這臺故障電容器，發(fā)生爆炸事故。必須對電容器采取相應的保護措施。電阻保護熔絲保護電容器組放電技術要點 充電：對小容量電容器組，通常采用整流電源恒壓充電。對于幾MJ儲能的電容器組，使用恒壓方法充電將導致充電時間過長。采用恒流充電，可以把充電時間縮短幾倍。恒功率充電 轉換技術：對一般容量電容器組放電，通常采用三電極球隙開關。為了減小觸發(fā)的分散性和開關電感，提高擊穿場強，一般將球隙形狀置于充氣的壓力容器內，電極材料采用石墨或銅鎢合金。 對于MJ的電容器組，采用多個開關并聯(lián)，減小燒蝕和增加開關壽命，減小放電回路電感和電

7、阻，有利于實施電容器保護。但大量的開關給嚴格同步帶來很多困難。 高電壓發(fā)生器雙邊充電Marx 發(fā)生器其他幾種Marx 發(fā)生器結構形式Marx發(fā)生器的部件 電容器 火花開關 電阻 連接導體 觸發(fā)方式 變壓器油 絕緣電容器 電容器 合成油浸漬聚丙烯薄膜絕緣型電容器，它具有較好的耐沖擊電流性能，其儲能密度達0.15J/cm3，單只電容器（KJ量級）的總電感可低達10-30nH。 “自愈式”電容器，采用鍍有金屬薄膜（0.1um量級）的有機薄膜或電容器紙在超凈條件下緊密卷繞制成，無需油浸，儲能密度達到1J/cm3量級。 自愈：自愈式電容器發(fā)生局部放電而導致絕緣擊穿時，絕緣膜兩側放電通道附近很薄的金屬膜可

8、以被放電電流氣化，從而使絕緣得到恢復，只伴隨微小的電容損失。 自愈式電容器目前還很難在有較大的電流、反峰或上升電流率的情況下使用，耐受大沖擊振蕩電流的能力較油浸式電容器弱很多。火花開關兩電極開關：簡單的氣體火花開關是一種兩電極放電部件，它利用絕緣容器在電極之間充壓縮氣體（空氣、氮氣、六氟化硫等）以提高工作電壓，甚至直接暴露于大氣中，開關先承受一定的高電壓而呈現(xiàn)絕緣（高阻抗）狀態(tài)，然后氣體擊穿形成等離子體傳導通道而接通電路。三電極開關：在兩電極開關的基礎上，增加觸發(fā)極，可以接收指令觸發(fā)擊穿，獲得較好的同步或關聯(lián)工作性能?；鸹ㄩ_關 氣體火花開關還可以利用激光、X光、電子束等進行觸發(fā)，Marx發(fā)生器

9、的氣體火花開關通常都是電觸發(fā)的。 氣體火花開關可以說是Marx發(fā)生器中最為關鍵的部件。基本要求是電感小、性能穩(wěn)定、壽命長。 性能穩(wěn)定分靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。 靜態(tài)性能穩(wěn)定是指開關在耐受直流高壓期間不易發(fā)生自放電，并且擊穿特性（擊穿電壓和工作氣體壓強及間隙長度的關系）不易隨放電次數(shù)的增加而發(fā)生明顯變化。 動態(tài)性能穩(wěn)定指開關在觸發(fā)脈沖或瞬態(tài)過電壓（高于直流擊穿電壓的瞬態(tài)）作用下?lián)舸r具有足夠小的擊穿延遲時間分散性。電阻器 水電阻：功率容量大，阻值范圍大，柔韌性好，適應性強。 缺點：液體包容部件的朔料軟管容易老化，受氣溫影響較大，安裝使用過程中易殘存和析出氣體等。 在功率不大的情況下，總儲能很小，開關

10、數(shù)量很少時，可以使用繞線式電阻器。電阻器 充電電阻，接地電阻，觸發(fā)電阻 選取電阻器除了要考慮功率問題以外，還要保證其與相應電容器的時間常數(shù)要遠遠大于發(fā)生器對其負載的放電時間。 觸發(fā)電阻除要考慮自身功率和相應電容器常數(shù)外，還要限制觸發(fā)電流以保護觸發(fā)器。水電阻設計要點 豎直安裝，陽極朝上。 宜短不宜長。 硫酸銅作電解質，選紫銅材料做電極。 氯化鈉（氨，鉀）作電解質，電極用不銹鋼 硫帶硫酸鈉作電解質，采用鋁電極。連接導體 避免有尖銳的棱角 短而寬的形狀 設計時需要詳細計算每一段導體的電感，進行優(yōu)化，以控制總電感在接受范圍之內。Marx發(fā)生器的同步特點Marx發(fā)生器由并聯(lián)充電轉變?yōu)榇?lián)放電是靠點火擊穿

11、第一級間隙或前幾級間隙，其余間隙靠自然過電壓而逐個擊穿，最后輸出間隙擊穿，產生輸出高壓，這個過程叫同步。通常發(fā)生器建立時間的分散性（抖動），來表示同步的好壞。 點火間隙通常用三電極或帶中間平面的場畸變開關。影響同步的主要原因是火花間隙放電的分散性，以及電路中由于寄生電容的影響，使得某些環(huán)節(jié)自然過電壓倍數(shù)（定義為間隙上瞬態(tài)脈沖電壓與靜態(tài)自擊穿電壓之比）降低。為了使發(fā)生器工作可靠，同步良好，要求過電壓倍數(shù)超過間隙放電的分散性范圍，有人認為過電壓倍數(shù)不應低于1.2。改善同步性能，減小抖動的方法減小每個火花間隙放電電壓的分散性。減小每個火花間隙放電電壓的分散性。l 選擇合適的電極表面曲率以改善電場分布

12、，保持充氣壓力恒定。l采用適當?shù)幕芈凡贾?，增加自然過電壓。l采用外觸發(fā)來迫使間隙擊穿。l處于大氣中的火花間隙，可以放電產生的紫外線照射。 加速器用電子束和射線，對發(fā)生器的同步性有嚴格要求。 一般發(fā)生器的抖動時間為幾百ns，近年來可以作到50ns，有的可以到10ns。 我國閃光號馬克斯發(fā)生器的抖動時間為100ns左右。 現(xiàn)在采用多極間隙開關，不是利用自然過電壓，而是靠觸發(fā)脈沖點火。每級點火后，開關會送出一個脈沖電壓給下一級多級間隙開關點火，同步性較好。LC倍壓器R.A.Fitch和V.T.S.Howell于1964年提出的反相疊加型LC倍壓器，類似于Marx發(fā)生器。優(yōu)點優(yōu)點l火花球隙數(shù)目減少，且

13、不與電容器鏈串聯(lián)，減小了主回路電感，使負載脈沖電壓有較快的前沿和較高的幅值。l結構簡單。缺點缺點l各球隙需要同時觸發(fā)，且分散性小。l不允許開關觸發(fā)失敗。 對觸發(fā)器的同步性要求較高，不適用于多級工作，常用作低壓大電流的高功率脈沖電源。設計中注意的幾個問題 設計適當?shù)幕芈冯姼小㈦娮?電動力 故障情況下能量釋放電路 保護電路 開關 在實際應用中，為了增加電容器儲能的脈沖發(fā)生器的能量，以及減少電感，通常將多臺電容器并聯(lián)，或者多組電容器并聯(lián)作為儲能單元，在每臺電容器上安裝一個開關，或者在每組電容器上安裝一個開關，這時，要求所有的開關同時合上，將所有電容器儲存的能量傳輸給共同的負載，但是，實際實現(xiàn)起來是比

14、較困難的。并聯(lián)電容器發(fā)生器電路 可以看出，輸出功率的大小主要受到電路電感，包括負載電感的影響。在s合上之后，電容上的電壓將加到上，使的s兩側的電壓接近相等，這樣，開關s將不易被擊穿（導通），要盡量避免這種情況。 當電容器并聯(lián)運行時，抖動時間應盡可能地小，以保證多個開關能接近同步導通。 由于開關的擊穿時抖動現(xiàn)象難以避免，在電容器儲能的脈沖發(fā)生器中，開關的數(shù)目盡可能地少。通常將多個電容器并聯(lián)接成一個電容器組，由一個開關控制。 左圖所示電路就是多個電容器并聯(lián)后，由一個開關控制的接線方式，為電容器的保護電阻。陡脈沖形成技術 降低回路電感 開關電感 傳輸線電感 電容器電感 無感電阻 利用傳輸線產生陡脈沖

15、 放電間隙的快速導通形成陡脈沖 利用陡化電容器 利用爆炸絲利用陡化電容器 傳輸線可作為陡化電容器 陡化電容器 效果比較MarxC負載 在一般的Marx發(fā)生器中，即使開關間隙充以高壓氣體，但由于回路本身存在固有電感和 電容，不能使輸出的脈沖前沿變得很短。電容陡化波形 如果Cr的充電時間足夠長，在G放電前發(fā)生器內容的過渡過程已經(jīng)結束，則在間隙放電過程中，負載上的電壓波形最初主要由第二回路的參數(shù)決定。然后再由第一回路參數(shù)決定。 也就是說，負載上的電壓脈沖前沿是由r放電的貢獻形成，隨后發(fā)生器的繼續(xù)放電，形成負載脈沖的后沿。如果最佳控制的閉合時間，將可以使脈沖前沿更小。加陡化電容器后電路加陡化電容器后等

16、效電路利用爆炸絲Marx負載 在脈沖功率技術中，有時用Marx發(fā)生器直接向電阻性負載放電。但由于固有電感的影響，致使脈沖前沿陡度降低。在大功率時，采用電爆炸導體代替上述的陡化電容器，具有更簡單和廉價的優(yōu)點。 所謂電爆炸導體方法，就是用適當?shù)慕饘俳z或箔來改善輸出電壓波形，減小回路損耗，增加工作的可靠性。 可以獲得高壓試驗所需要的“截波”。 F的斷路時間與的橫截面積，根數(shù)和電加熱時間有關。減小的直徑d和加熱時間并適當增加根數(shù)，能使前沿變小。 選用的爆炸導體應足夠長，以使它能承受住加在其上的電壓而不發(fā)生沿面放電。 此時將出電流暫?，F(xiàn)象：截斷電流之后，經(jīng)過一段時間tp，由于氣態(tài)的體積膨脹而內部壓力減小和電阻值下降，導致電流再次經(jīng)過，我們把tp叫做電流暫停時間。當暫停過后，電流再次通過時，負載個的脈沖被截掉，于是負載的脈沖后沿也被整形，負載脈沖時間也近似地等于tp。1、Constant voltage charging tCapacitor voltageTarget voltageResistive chargingIdeal charg