專利名稱：一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及了一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
高功率脈沖技術(shù)是通過把“慢”存儲(chǔ)起來的具有較高密度的能量從空間和時(shí)間上 進(jìn)行快速的壓縮，轉(zhuǎn)換或直接輸出給負(fù)載來實(shí)現(xiàn)的。近50年來，高功率脈沖技術(shù)迅速發(fā)展 引人注目。目前，已經(jīng)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)生成數(shù)十兆電子伏，高達(dá)數(shù)兆安培量級(jí)的強(qiáng)流電 子束和離子束。目前使用的規(guī)模較大的脈沖功率系統(tǒng)，其基本原理是首先生成電壓上升時(shí) 間為微秒量級(jí)的高壓慢脈沖，再由功率形成系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高壓大功率的快脈沖(電壓的上升 時(shí)間一般在納秒級(jí))。高功率脈沖技術(shù)在日益廣泛應(yīng)用的同時(shí)，一些新的應(yīng)用技術(shù)對(duì)高功率脈沖電源提 出了新的要求。以脈沖等離子體巖石破碎技術(shù)為例，該技術(shù)要求的脈沖電源在巖石擊穿前 后提供特性阻抗完全不同的電壓脈沖。具體的說，在巖石擊穿前，負(fù)載需要電壓上升時(shí)間 很短的高壓短脈沖來實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的電擊穿(脈沖上升時(shí)間< 100ns，電壓上升速率> 3kV/ ns)；在巖石擊穿后，需要一段后續(xù)的長脈沖對(duì)電擊穿形成的等離子體通道進(jìn)行加熱(脈寬 需要在200 500ns)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石的破碎。簡單的說，第一個(gè)階段需要電源提供高的電 壓(小的電流)，第二個(gè)階段需要電源提供大的電流(低的電壓)。然而，現(xiàn)有應(yīng)用于這些 領(lǐng)域的高壓脈沖電源，如Marx發(fā)生器，L-C倍壓器等，都是同是同時(shí)提供高的電壓和大的電 流裝置，當(dāng)負(fù)載的阻抗急劇變小時(shí)，大量的電功率都消耗在限流電阻上，不但浪費(fèi)大量的電 能，而且發(fā)熱會(huì)引起電子器件的燒蝕，降低了電源的使用壽命。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種與變阻抗的負(fù)載相匹配的組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是該組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)主要包 括脈沖形成線、儲(chǔ)能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，所述脈沖形成線的輸出端分別與儲(chǔ)能電容 器的高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲(chǔ)能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸 入端連接。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還包括初級(jí)高壓脈沖充電電源，該初級(jí)高壓脈沖充電電源 與脈沖形成線的輸入端相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)是該脈沖形成線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)載 阻抗高時(shí)提供高電壓使其擊穿，負(fù)載阻抗變低后提供后續(xù)的長脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)其特定的物理加 工或化學(xué)反應(yīng)。與現(xiàn)有的高壓脈沖電源相比，本實(shí)用新型不需要在電路中加入大的限流電 阻(該限流電阻在現(xiàn)有的高壓脈沖電源中是為了減弱大電流對(duì)電源內(nèi)部器件的沖擊)，因 而大大提高了能量利用效率，電源的壽命也得到了極大的提高。該組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)可以 廣泛應(yīng)用在等離子巖石破碎、材料的電加工等領(lǐng)域。
圖1是本實(shí)用新型一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的工作電路圖；圖2是本實(shí)用新型一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于脈沖等離子體鉆井技術(shù)時(shí)的工 作電路圖。
具體實(shí)施方式
在圖1中，初級(jí)高壓脈沖充電電源1的輸出端連接到脈沖形成線2的輸入端；脈沖 形成線2的輸出端分別與儲(chǔ)能電容器4的高壓端和開關(guān)3的陽極相連，儲(chǔ)能電容器4的低 壓端可靠接地，開關(guān)3的陰極與脈沖傳輸線5的輸入端相連；脈沖傳輸線5的輸出端與負(fù)載 6的工作電極相連。本實(shí)用新型組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)中的脈沖形成線2可以采用同軸電纜、平板脈沖形 成線、人工形成線或其它任何形式的脈沖成形系統(tǒng)；儲(chǔ)能電容器3為低電感、可重復(fù)充放電 的高壓陶瓷電容或其它形成的電容；開關(guān)4為低電感、耐高壓和長壽命的大電流開關(guān)。利用本實(shí)用新型組合式脈沖形成網(wǎng)絡(luò)形成組合脈沖的過程是初級(jí)高壓脈沖充電 電源1給脈沖形成線2和儲(chǔ)能電容4充電直至預(yù)定值。充電結(jié)束后，開關(guān)3的觸發(fā)裝置發(fā) 生動(dòng)作并使開關(guān)3導(dǎo)通，生成與儲(chǔ)能電容器4上電壓幅值相等的高壓短脈沖，該高壓短脈沖 由脈沖傳輸線5傳輸?shù)截?fù)載6的工作電極上，負(fù)載6在短脈沖高壓作用下發(fā)生擊穿，特性阻 抗下降，當(dāng)短脈沖高壓幅值衰減到一半時(shí)，脈沖形成線2生成后續(xù)的長脈沖繼續(xù)對(duì)負(fù)載6供 電，實(shí)現(xiàn)對(duì)其特定的物理加工或化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過一段時(shí)間，又重復(fù)上述過程，達(dá)到所要求的 重復(fù)頻率。負(fù)載6在擊穿前后，特性阻抗變化很大，該組合式脈沖形成網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)與這類 變阻抗的負(fù)載相匹配，與現(xiàn)有應(yīng)用于這類變阻抗負(fù)載的高壓電脈沖電源相比，大幅度提高 了能量利用效率和延長了電源的使用壽命。如圖2所示，當(dāng)本實(shí)用新型組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于脈沖等離子體鉆井技術(shù)時(shí)， 初級(jí)高壓脈沖充電電源1采用50Hz、220V的普通照明電源予以供電，用戶根據(jù)負(fù)載的需求 設(shè)定充電電壓和充電頻率，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值后，即停止充電，并觸發(fā)晶閘管開關(guān)導(dǎo)通，對(duì) 脈沖形成線2和儲(chǔ)能電容器4充電(充電電壓大于40kV)。本實(shí)施例中，開關(guān)3采用的是自 觸發(fā)式火花開關(guān)，具體的說是該開關(guān)的觸發(fā)回路是由觸發(fā)電感8、觸發(fā)電容9和觸發(fā)電阻10 組成的，其工作過程是觸發(fā)電容9和儲(chǔ)能電容器4同時(shí)被充電至最大值，由于觸發(fā)電容9 的電容值遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能電容器4的電容值，觸發(fā)電阻10上的電壓會(huì)迅速的跌落，火花間隙11 在過電壓下?lián)舸?。生成的高壓短脈沖傳入脈沖傳輸線5，脈沖傳輸線5將生成的組合脈沖傳 輸至巖石7的工作電極上。巖石在高壓短脈沖的作用下發(fā)生擊穿。脈沖形成線2生成后續(xù) 低電壓長脈沖(約20kV，脈寬300 500ns)對(duì)等離子體通道加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的微爆。重 復(fù)上述過程，可達(dá)到數(shù)百Hz的脈沖頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的快速鉆井。其中，采用相關(guān)部件的性能參數(shù)是初級(jí)高壓脈沖充電電源7的充電電壓0 100kV，標(biāo)稱功率3kW，脈沖輸出能量1 20J連續(xù)可調(diào)，充電重復(fù)頻率1 50J連續(xù)可調(diào)。脈 沖形成線8采用5根5米長的RG218電纜并聯(lián)而成。儲(chǔ)能電容器4由8個(gè)2. SnF的高壓陶 瓷電容并聯(lián)而成。開關(guān)3為LCR觸發(fā)的多級(jí)多通道火花隙開關(guān)。觸發(fā)電感8大小為30nH， 觸發(fā)電容9的電容值為400pF，觸發(fā)電阻10的電阻值為IM Ω。脈沖傳輸線2為1根10米 長的水電纜，該水電纜的特性阻抗為4Ω。等離子體鉆頭電極為3對(duì)針狀電極，高低壓電極
4間距為3mm，絕緣液選用去離子水(電導(dǎo)率小于1 μ S/cm)，破碎的巖石為砂巖。本組合脈沖 形成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)是峰值功率200MW電壓峰值40kV高壓短脈沖的上升時(shí)間< 30ns后續(xù)長脈沖脈寬300 500ns脈沖重復(fù)頻率50Hz該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)巖石的快速鉆井，破碎巖石的電耗< 500j/cm3。
權(quán)利要求一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括脈沖形成線、儲(chǔ)能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，所述脈沖形成線的輸出端分別與儲(chǔ)能電容器的高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲(chǔ)能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于還包括初級(jí)高壓脈沖充電 電源，該初級(jí)高壓脈沖充電電源與脈沖形成線的輸入端相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種組合脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，主要包括脈沖形成線、儲(chǔ)能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，其連接關(guān)系是脈沖形成線的輸出端分別與儲(chǔ)能電容器的高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲(chǔ)能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸入端連接。本實(shí)用新型組合式脈沖形成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)與變阻抗負(fù)載相匹配，在負(fù)載阻抗高時(shí)提供短脈沖高壓使其擊穿，在阻抗變低后提供后續(xù)的長脈沖完成對(duì)負(fù)載特定的物理加工或化學(xué)反應(yīng)。與現(xiàn)有應(yīng)用于這類變阻抗負(fù)載的高壓脈沖電源相比，該組合式脈沖形成網(wǎng)絡(luò)大大提高了能量利用效率和延長了電源的使用壽命。
文檔編號(hào)H02M9/06GK201656807SQ20092029561
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者章志成, 章旭明, 鄧官壘, 閻克平 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)