[其他]电感储能式大功率高压脉冲调制器

说明书

本发明属于储能，开关及脉冲功率调制技术。

公知的大功率高压脉冲调制技术，一般使用电容器作为初级储能电源，或者直接利用公用电网经高压整流，辅以仿真线及反馈调整环节，经过调制，获得符合一定波形要求的高压脉冲输出。前者，由于电容器储能密度低，能量利用率差，体积大，造价高，仅适用于容量较小的装置;而后者，由于脉冲功率直接取自公用电网，冲击负荷大，一般还需进行补偿，对地区电网的要求较高，初始投资较大。为了克服上述两种方法的缺陷，我们采取了新的技术途径。

本发明是利用电感储能作为初级储能电源，经无触点大功率高压直流快速开关切换电路，利用高能非线性电阻进行能量转换，产生在规定脉宽内具有要求顶压降落的大功率高压脉冲。

关于电感储能，由于储能密度高，储能量大，单位储能的造价低，使用寿命长等优点，在储能技术中占有相当重要的位置。但是由于能量转换技术及器件的限制，现在应用还不普遍。在脉冲调制技术中，仅有用作脉冲电流发生器的，还没有用作脉冲电压调制器的先例。

高能非线性电阻，目前主要是高能氧化锌非线性电阻，是近十多年来出现并迅速发展起来的新型电工元件。但主要在电力系统中用作无间隙避雷器及电路的过电压保护。近年来，用于大型电机的灭磁保护及转子过电压保护也取得了进展。我们由于工作的需要，曾对非线性电阻用作电感储能的能量转换进行了分析研究，证明了在受控核聚变工程中用作绝热压缩试验，是一种理想的换能元件。

而无触点大功率高压直流开关，由于其动作迅速、准确、可靠、寿命长、维护简单，是一种理想的开关器件。目前仅有少数发达国家的研制取得了进展。它在电感储能的能量转换中有着重要的作用。

本发明，将以上三种先进技术结合起来，充分发挥它们各自的特点，实现了电感储能的能量转换与高压脉冲的调制，构成了独具特色的，与现有二种方法根本不同的大功率高压脉冲调制器。

经过对迄今为止的专利文献的检索，以及有关学术文献的查阅，目前国内外尚无同样原理的设计或装置。

本发明是根据本所受控核聚变工程中辅助加热试验的需要，借鉴并应用本所，本课题组长期以来在电感储能，大功率高压直流开关，非线性电阻等方面的研究成果与经验，提出了电感储能式大功率高压脉冲调制器的方案设计，并进行了原理性试验及关键部件试验，均获得成功。我们的目的，在于大幅度减小脉冲功率对所区变电所及地方电网的冲击，降低大功率高压脉冲电源的造价。

本发明的基本原理与主要结构如附图1所示;由交流整流电源1，直流输出开关2，续流二极管3，储能电感4，主开关5，强迫换流回路6，反峰阻断7，非线性电阻8，顶升或反馈调整环节9，负载或伪负载10，以及微机控制和保护系统11所组成。

工作过程如下：

交流整流电源1通过直流输出开关2及主开关5，对储能电感4充电。当电流达予期值后，直流输出开关2关断，电感中的电流通过续流二极管3续流。与此同时，应用强迫换流原理，使主开关5开断，强迫电流经反峰阻断7流向非线性电阻8及负载9，形成高压脉冲。达予定脉宽后，主开关5闭合，高压脉冲立即切除，从而在负载上得到一个具有要求顶压降落的大功率高压脉冲。典型波形如附图2所示。图中：

u_L，i_L为储能电感的电压与电流波形;

u_NR，i_NR为非线性电阻的电压与电流波形

u_R，i_R为负载上的电压与电流波形（此处为电阻性负载）

t_L为系统充电时间

t_d为系统恢复时间

t_m为高压脉冲的宽度

U_m为高压脉冲的幅值

U_e为交流整流电源的直流输出电压

Δ_u为高压脉冲的顶压降落

I_o为储能电感的充电电流值