脉冲电抗器之脉冲功率源技术的发展

       随着现代科学技术的发展，电磁发射作为一种新的发射技术在许多领域引起了关注，其应用在火炮发射上，可以使弹丸获得优于传统化学武器的高速度；应用在航空母舰舰载飞机弹射起飞上，可以大幅度简化弹射装置：甚至有可能在未来的火箭发射上取得了一定的成果。电磁发射与传统发射的不同主要在于其能量的利用形式上。传统发射多使用化学能，而电磁发射主要是将电能转化成电磁能并利用其所产生的强大电磁力，将弹丸发射出去，而为电磁发射系统提供强大电能的就是电磁发射系统的重要组成部分——脉冲功率源。

      为了适应脉冲功率技术的发展，1976年在美国举行了第一届电气与电子工程师协会(IEEE)脉冲功率技术国际会议，交流了研究工作的发展和成果。在1979年举行了第二届国际会议。之后，这类国际会议每两年举行一次。同时，随着研究成果和参考文献的日益增多和丰富，美国在1981年成立了脉冲功率技术文献中心，向有关研究人员和部门提供研究资料。由于脉冲功率技术在军事应用领域得到广泛的应用，在1983年及以后，北大西洋公约组织的研究和发展机构多次举办了关于脉冲功率技术的高级研究讲座，并出版了研究论文专集。

      现在，各个先进工业国家的许多军用和民用研究部门、高等学校等都在积极展开脉冲功率技术及其应用的研究。例如美国的圣地亚国家实验室、马克斯韦尔实验室、罗斯阿拉莫斯科学实验室、海军武器研究中心、德克萨斯技术大学等；日本的东京大学、熊本大学等，都在从事脉冲功率技术的研究。目前已经将脉冲功率开发应用于许多领域，包括能源、空间、环境、电气和材料等等，具体的应用如操作轨道炮，断开开关和产生臭氧等等f”。

      电磁发射研究所使用的脉冲能源系统输出功率高(达到G瓦级)，工作电压高(几～几十千伏)，输出脉冲电流大(几十～几百千安)。由于脉冲功率源必须根据负载的要求提供能量，所提供的电能调节范围较宽。因此，脉冲成形网络是高功率脉冲电源的核心I”。图1．1为脉冲功率源基本原理的R．L．C放电回路图中，c是储能电容，L是电抗器，R是负载，S是高压开关，VT是续流硅堆。首先，开关闭合，电容通过电感、开关和负载构成回路进行放电。此时设定适当的电感参数就可以将电流峰值和脉冲宽度限制在一定的范围内，达到限流和调整带宽的目的。当电容放电完毕，能量以磁能形式储存到电感中。然后，开关断开，电抗器中的能量通过电感、开关、负载和二极管回路提供给负载。

      早期的脉冲功率源装置由于制作工艺的限制，在保证相关参数的基础上，各元器件的体积较大，整个装置占很大的空间，重量大，机动性差，给脉冲功率源的应用带来很大的限制。如图1．2所示为美国1994年研制中等口径发射器时所用的脉冲电源，图中螺线管状的器件就是当时所用的电抗器，该电抗器是由PKD公司制造，一设计成螺旋线圈以减小径向磁场以及漂移磁场。该电抗器直径1．22m，高O．43m，裸露在空气中，占很大空问，漏磁现象十分严重，但由于与其它元件相距较远，电磁干扰相对影响不大∞1。

      近年来，国内外对能源系统的小型化，提高电效率和控制可靠性等技术措施进行了深入研究，特别在大功率固体开关技术、续流硅堆和聚合物电容器等方面的研究取得了很大进展，使脉冲功率源模块的储能密度，控制可靠性有了大幅度提高。 
 
      目前，我国已有的电容器储能设备功率放大倍数较大，输出峰值功率超过2GW，亚洲最大的储能电感功率放大倍数大于1000倍，输出峰值功率可达60GW，机械储能的飞轮发电机组功率放大倍数为100倍，输出峰值功率可达100MWl7。在电磁、电热发射技术研究领域，国内外多采用以电容器为储能元件的脉冲功率源，它由脉冲电容器、高压大功率开关、高压续流硅堆、调波电抗器及控制装置等部分组成。图1．3所示为紧凑型脉冲功率源模块，该模块中，电抗器、电容器和开关的体积小，各元件之问较为紧凑，电抗器储能密度高，电源输出功率大，符合现代脉冲功率源的发展趋势。