电磁发射用脉冲电源的设计(编辑修改稿)

电磁发射用脉冲电源的设计(编辑修改稿)内容摘要：

，与 RC电源相比，其生产效率和加工质量要好很多。 国外三菱公司推出了 FS超精加工型配以专用的电极丝，可以加工微细表面，沙迪克公司的精加工的 SQ电源，则可加工镜面。 （ 3）智能化型。 智能化的高频脉冲是根据加工的状态，自动选择最佳脉冲参数的一类电源，与传统的等能量或等频域的脉冲信号电源 相比，大大提高了自动化程度，加工过程一直处于优化状态，使加工状态稳定持续。 （ 4）无电解型。 这种电源在加工过程中无电解，不会产生电解变质层，从而可以升工件的表面器件加工质量。 国外的一些公司诸如三菱电机公司，沙迪克公司都研制过此类电源。 P W M 控 制 器L 1D rU 1Q 3电 流传 感 器D 1 图 13 电火花加工示意图 第一章 绪论 8 直 流电路检测控制电路R 1T 1T 2R 2C 图 14 精微加工脉冲电源原理示意图 2)脉冲电镀电源 传 统的电镀电流一般采用直流电流，采用脉冲电镀可以产生比直流电镀更优化的性能。 脉冲电镀可以高效地控制金属电沉积，可以通过改变脉冲参数来改善电镀层的物理性能和化学性能，从而不仅可以节省贵金属的使用还可以获得功能性镀层。 脉冲电流的波形通常有方波、锯齿波、三角波和阶梯波等，但是就目前的市场应用情况而言，在工业生产中应用最为普遍的方波脉冲，所以高校和企业对脉冲电镀的研究也多围绕方波进行展开。 由方波脉冲演变过来的脉冲形式有叠加性的直流脉冲、间断性脉冲和周期性换向脉冲。 叠加性的直流脉冲主要是在直流基波的基础上叠加了方波脉冲。 目前这种方法在国内市场上应用比较多，其中大多数都是以获得高度致密性同时具有一定的光洁度的镀层为目的。 间断性脉冲是周期性的一种脉冲中断，因为存在间断时间，比较容易恢复放电离子，可以使得极限脉冲电流的密度得以提高 [23]。 半个世纪以来，在环境污染治理保护领域中，脉冲电源的技术得到了蓬勃的发展，表现出了应用前景的广阔性，因而脉冲电源的技术在环境工程方面的应用也逐渐成为各国学术的研究热点。 主要表现在以下几个方面 [24]。 (1)脉冲电晕等离子体法净化工业废气 利用等离子体脉冲电晕法使废气得以进化是近十年刚刚兴起 的一项新技术，是目前各国环境污染治理方面新兴技术方法的研究重点。 这类脉冲电源常见的形南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 式结构有脉冲变压器式电源、磁压缩式电源和空心变压器 (Tesla)谐振充电式电源。 其中脉冲变压器式电源技术比较成熟，于是获得了广泛的应用，其结构原理图如图 15。 从国内外目前的研究情况来看，可以利用纳秒级高压脉冲电晕放电产生等离子体化学技术净化的废气有 :二氧化硫、氮氧化物（ NOx）、甲苯（ C6H5CH3）、二甲苯、二氯甲烷（ CH2Cl2）、己醇 (C6H13OH)等。 脉冲电晕等离子体法脱氮脱硫的技术在市场上具有很强的应用前景，也 是国内外普遍关注的重点研究方向。 八国集团中的美国、俄罗斯、日本、意大利、荷兰等国积极开展研究，中国也曾将该研究列为 “九五 ”计划攻关项目。 脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术的主要研究重点是如何研制高压窄脉冲电源、如何使反应器结构优化、如何脱硫脱氮、如何理解等离子体化学反应机理以及如何选取添加剂等。 LCDTSRD C 图 15 脉冲变压器式脉冲电源 (2)高压脉冲放电废水处理 鉴于实现高能化用高电压与绝缘技术比较容易实现，近年来将 高电压与绝缘技术用于处理比较难以处理工业污水的研究已经激发了国内外研究者们的很大的兴趣。 李劲、李胜利两人提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。 高压脉冲放电废水处理技术主要是利用以下四种效应 :臭氧杀菌、高能电子轰击、放电等离子体中产生的活性自由基的作用、紫外线的光化学处理作用。 高压脉冲放电等离子体水处理技术使得放电生产的臭氧与水直接融合作用，可以极大地简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却和水气混合等程序，可以使装置体积变小，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的递增而衰减，而且可以充分发挥放电产生的活性粒子的净 化效果。 所以，与以前的臭氧净水方法相比较而言，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的市场应用前景。 高压脉冲放电废水处理的研究重心主要集中在高等离子体生成法的优化设计和压脉冲电源的设计。 第一章 绪论 10 (3)脉冲静电除尘 传统静电除尘通常采取直流高压的供电方式。 在这样的供电方式下，粉尘层等效电容效应容易引起反电晕现象，会导致除尘率的下降。 当用脉冲电源供电时，除尘器上面的粉尘层的等效电容在脉冲施加期间内仅仅会充上很少的电荷，在脉冲消失后所充电荷基本放完，所以除尘器的粉尘层上面不会因为积累电荷形成的高电压而使粉尘造成反电晕现象。 因此与常规的直流电源供电除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果会更好。 此外，对于不同的电阻率的粉尘，可以采取改变直流电流的基压、电压脉冲频率以及占空比，使得达到更好的除去灰尘的效果。 利用脉冲静电来除尘的技术是目前市场上的一种非常领先的空气净化技术，若可以将此先进的技术和工业生产中的脱硫脱氮技术相互结合应用，同时使用毫秒级、微秒级甚至纳秒级的脉冲开关电源给予供电，就可以实现除去灰尘技术和脱硫脱氮技术的一体化应用，可以极大地提高工业生产效率。 就目前而言，无论是欧美还是国内，静电电除尘脉冲电源主要都采取在直流电 流基础电压上迭加脉冲电压的研究方法，如图 16所示，这种电源方案设计要求利用两台变压器组成两套电源，两套电源中一套用于产生直流基压脉，另一套用语产生脉冲电压，因此这两套电源的控制系统和内部结构都比较复杂，价格比较昂贵，所以这些方面在一定程度上限制了它的推广应用。 E 1L 1L 2T 1C 2V dV tC 1图 16 静电除尘脉冲电源示意图 课题的应用前景 以脉冲电源设计的电磁发射的成本远比火箭推进剂的成本低。 而且在发射过程中的可控性能和安全性能也是化学发射器所 不能及的。 1）科研中的应用。 在许多领域内要用到超高速运动的物体，用来研究材料状态方程等等，比如用超高速的弹丸模拟研究高速冲击粒子对宇宙飞船材料的影南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 响。 当小弹丸被加速到 50km/s的时候去冲击核聚变燃料时，就会引发热核聚变，那么这将会使热核聚变这种核能转化变为可控制的。 实际上目前人类的科研水平还不足以把一颗小弹丸从初速 0加速到 50km/s，因而用脉冲电源设计的电磁发射装置是帮助促成这种试验的高效工具 [8]。 2）电装甲防护中的应用。 伴随着各种反坦克武器的出现，坦克装甲的防护要求也越来越高。 传统的方法是采用增 加装甲钢厚度，但这并不是很理想的方法，并没有什么科技含金量。 因此一种新型的防护方法 ——电装甲防护就应运而生了，按照防护方式的不同可以分为主动式和被动式。 其中美国陆军 TACOM提出的两种全电坦克方案就是采用电装甲防护 [17， 18]。 3）航空弹射器中应用。 在航空母舰上由于航空母舰上的甲板长度有限，为了缩短舰载飞机起飞的跑道和起飞时间，常常使用蒸汽式弹射器，这种弹射器的效率比较低、体积庞大而且成本很高。 重接式弹射器的能量转化效率比这种老式的弹射器可以提高十几倍，系统的质量可以减到 5%左右，对弹射器的发展具有重大 意义，在 3s内使得一架 36t的战斗机以 227km/h的速度弹射出去。 另外弹射器也能应用在小型航天飞机发射系统和微重力试验抛射器等方面的领域内。 电磁发射用脉冲电源的设计的意义和应用潜力现在尚很难估计，在各类国防武器、科学试验、航天和航空领域内有极其广泛和深远的应用前景 [9]。 电磁发射用脉冲电源的设计课题的研究意义 由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、输出特性优良、智能化的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。 同时，脉冲电源的研究设计电力电子、自动控制理论技术、电磁理论、新型功率开 关器件的应用、优化、材料科学、电路系统建模等各个方面内容，因而脉冲电源的研究具有广泛的理论意义和学术意义。 当下，国内对脉冲电源的研究与应用多数集中在高压、高频、智能化等方面，已经取得了一定的理论研究成果和很好的实际操作应用价值，本文在参考了几篇相关脉冲电源设计思想的基础上，计划尝试一下在脉冲电源的高效、高频、智能化方面，主要是为了尽量地提高脉冲电源的频率、效率，从而提高电源的可操作性。 其中通常研制的脉冲电源的技术指标为： 第一章 绪论 12 输出电压： 530V并且连续可调 输出电流： 5A 脉冲频率： 1KHz， 5KHz、 10KHz， 20KHz， 50KHz， 100KHz， 200KHz、 500KHz、1MHz可选。 输出占空比： 10KH100KHz在 10%100%以 10%为级数逐级可调， 200KHz、1MHz为 50%的固定占空比。 与相关类型电源相互比较而言，本脉冲电源的研制本着体积小、效率高的宗旨，同时对脉冲电源的频率性能提出了比较高的要求，另外本电源的频率调整范围宽，占空比覆盖面广，能控性好，容易升级维护，具有很大的优越性。 本文结构 第二章介绍了脉冲电源的基本原理，第三章介绍了脉冲电源的基本结构，第四章利用 saber 仿真软件对单个模块脉冲电源结构进行仿真。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 13 第二章 脉冲电源的原理 脉冲电源本质上就是使脉冲功率能量压缩的电气装置，其中高功率脉冲电源应用范围很广，比如电磁武器中所使用的脉冲电源就是这一种，这种电源通常能够在 109一 103s的短暂时间内不间断地产生 1109J的能量或者更大的能量。 脉冲电源具有多重形式，比如：磁通压缩式发电机、电容储能式、增频发电机、电感储能式、高压发电机，其中电容储能放电式脉冲电源应用较为广泛，它的电路原理图如下所示 : CSDL高 压直 流电 源负 载 图 21 电容储能放电式脉冲电源的电路原理图 这种类型的脉冲电源系统中，通常电容是作为电源提供电能的储能元件，这种元件储存的能量基本上是以电能这种能量形式来实现。 在电磁发射之前，首先通过使用直流高压电源给储能电容元件充满电荷，从而为电磁发射提供足够的能量。 上面电路原理图中的字母 S表示电源中的半导体的开关电源器件，它的开通与关断由电源中的信号触发控制电路来控制。 字母 L表示电源电路中的可变调波电感，其用来调节电流峰值和脉冲电流的前沿陡度。 电路图中的二极管 D的作用是用 来组成电路中电容放电后的电路的续流回路。 电枢和弹丸在电路中多数情况下是以负载的方式存在，其通过吸收被电容所储存的电能，同时将它转化成为本身的机械能，从而使弹丸得以加速以及发射。 等效模型在电源电路中的应用 储能电容放电式这种结构形式的脉冲电应用广泛，其工作原理为 :储能电容器 C 先通过直流高压电源充电，充满电后，电容器两端的端电压就可以达到峰值 0U ，当开关 S 被控制电路触发导通时，电容器会立即向负载放电，通过续流回路来实现。 第二章 脉冲电源的原理 14 其中 ，电容器 C被要求是无电感或低电感的电容器， L为线路、电容器、负载、开关等固有电感的电感的和，通常情况下 ,会选择纯阻性的线性负载作为电路中的负载，将这些器件串联后构成的工作电路，这样就可以等效成为一个 RLC放电回路。 以下对该 RLC串联放电电路进行原理分析。 此 RLC电路的方程为： 01   UidtCRidtdiL （ ） 对其取微分，得到的常系数微分方程： 0122  iCdtdiRdt id （ ） 电路的临界比为 α=LC，当开关 S在 t=0时刻触发导通时，电路中的电流i(0)=0，电容 C的电 压为 Uc(0)=U0，根据这些初始条件，可求得电路方程在不同条件下的三种解： 1）当 α1时，电路处于欠阻尼状态，通过解方程可得： )α1sin(])LCα(t/exp [α1)( 220 LCtLCUti  （ ） 此时电流 i(t)表示周期性衰减的振荡电流，它的幅值大小按照指数曲线下降。 其中振荡电流的最高峰值 Im为： ]/)α1(ta n)α(1 αe x p [0 αIm 21212   LCU （ ） )(2)(0)(0 ααα2α fLWffLC RUU  （ ） Im的达到时间 tm为： )/α1(ta n)21( αα 2121  LCmt （ ） 式中， W=U02C——电容器 C的储存能量。 2）当 α=1时，电源电路正处于临界阻尼的状态，则： LCtteLUti /0)(  （ ） 此时电流为非周期性脉冲电流，并且 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 15 LWLCUe 01   () LCRLtm  2 () 3）当 α1时，为过阻尼状态： )1α(]LCα/e xp [1α 0)( 22 LCtshLCUti  () 此时的电流为非周期性脉冲电流，其。