脈沖電抗器之脈沖功率源技術(shù)的發(fā)展

       隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁發(fā)射作為一種新的發(fā)射技術(shù)在許多領(lǐng)域引起了關(guān)注，其應(yīng)用在火炮發(fā)射上，可以使彈丸獲得優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)武器的高速度；應(yīng)用在航空母艦艦載飛機彈射起飛上，可以大幅度簡化彈射裝置：甚至有可能在未來的火箭發(fā)射上取得了一定的成果。電磁發(fā)射與傳統(tǒng)發(fā)射的不同主要在于其能量的利用形式上。傳統(tǒng)發(fā)射多使用化學(xué)能，而電磁發(fā)射主要是將電能轉(zhuǎn)化成電磁能并利用其所產(chǎn)生的強大電磁力，將彈丸發(fā)射出去，而為電磁發(fā)射系統(tǒng)提供強大電能的就是電磁發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分——脈沖功率源。

      為了適應(yīng)脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，1976年在美國舉行了第一屆電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)脈沖功率技術(shù)國際會議，交流了研究工作的發(fā)展和成果。在1979年舉行了第二屆國際會議。之后，這類國際會議每兩年舉行一次。同時，隨著研究成果和參考文獻(xiàn)的日益增多和豐富，美國在1981年成立了脈沖功率技術(shù)文獻(xiàn)中心，向有關(guān)研究人員和部門提供研究資料。由于脈沖功率技術(shù)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在1983年及以后，北大西洋公約組織的研究和發(fā)展機構(gòu)多次舉辦了關(guān)于脈沖功率技術(shù)的高級研究講座，并出版了研究論文專集。

      現(xiàn)在，各個先進(jìn)工業(yè)國家的許多軍用和民用研究部門、高等學(xué)校等都在積極展開脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用的研究。例如美國的圣地亞國家實驗室、馬克斯韋爾實驗室、羅斯阿拉莫斯科學(xué)實驗室、海軍武器研究中心、德克薩斯技術(shù)大學(xué)等；日本的東京大學(xué)、熊本大學(xué)等，都在從事脈沖功率技術(shù)的研究。目前已經(jīng)將脈沖功率開發(fā)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括能源、空間、環(huán)境、電氣和材料等等，具體的應(yīng)用如操作軌道炮，斷開開關(guān)和產(chǎn)生臭氧等等f”。

      電磁發(fā)射研究所使用的脈沖能源系統(tǒng)輸出功率高(達(dá)到G瓦級)，工作電壓高(幾～幾十千伏)，輸出脈沖電流大(幾十～幾百千安)。由于脈沖功率源必須根據(jù)負(fù)載的要求提供能量，所提供的電能調(diào)節(jié)范圍較寬。因此，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)是高功率脈沖電源的核心I”。圖1．1為脈沖功率源基本原理的R．L．C放電回路圖中，c是儲能電容，L是電抗器，R是負(fù)載，S是高壓開關(guān)，VT是續(xù)流硅堆。首先，開關(guān)閉合，電容通過電感、開關(guān)和負(fù)載構(gòu)成回路進(jìn)行放電。此時設(shè)定適當(dāng)?shù)碾姼袇��?shù)就可以將電流峰值和脈沖寬度限制在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到限流和調(diào)整帶寬的目的。當(dāng)電容放電完畢，能量以磁能形式儲存到電感中。然后，開關(guān)斷開，電抗器中的能量通過電感、開關(guān)、負(fù)載和二極管回路提供給負(fù)載。

      早期的脈沖功率源裝置由于制作工藝的限制，在保證相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，各元器件的體積較大，整個裝置占很大的空間，重量大，機動性差，給脈沖功率源的應(yīng)用帶來很大的限制。如圖1．2所示為美國1994年研制中等口徑發(fā)射器時所用的脈沖電源，圖中螺線管狀的器件就是當(dāng)時所用的電抗器，該電抗器是由PKD公司制造，一設(shè)計成螺旋線圈以減小徑向磁場以及漂移磁場。該電抗器直徑1．22m，高O．43m，裸露在空氣中，占很大空問，漏磁現(xiàn)象十分嚴(yán)重，但由于與其它元件相距較遠(yuǎn)，電磁干擾相對影響不大∞1。

      近年來，國內(nèi)外對能源系統(tǒng)的小型化，提高電效率和控制可靠性等技術(shù)措施進(jìn)行了深入研究，特別在大功率固體開關(guān)技術(shù)、續(xù)流硅堆和聚合物電容器等方面的研究取得了很大進(jìn)展，使脈沖功率源模塊的儲能密度，控制可靠性有了大幅度提高。 
 
      目前，我國已有的電容器儲能設(shè)備功率放大倍數(shù)較大，輸出峰值功率超過2GW，亞洲最大的儲能電感功率放大倍數(shù)大于1000倍，輸出峰值功率可達(dá)60GW，機械儲能的飛輪發(fā)電機組功率放大倍數(shù)為100倍，輸出峰值功率可達(dá)100MWl7。在電磁、電熱發(fā)射技術(shù)研究領(lǐng)域，國內(nèi)外多采用以電容器為儲能元件的脈沖功率源，它由脈沖電容器、高壓大功率開關(guān)、高壓續(xù)流硅堆、調(diào)波電抗器及控制裝置等部分組成。圖1．3所示為緊湊型脈沖功率源模塊，該模塊中，電抗器、電容器和開關(guān)的體積小，各元件之問較為緊湊，電抗器儲能密度高，電源輸出功率大，符合現(xiàn)代脈沖功率源的發(fā)展趨勢。