【文章內(nèi)容簡介】 ，與 RC電源相比，其生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量要好很多。國外三菱公司推出了 FS超精加工型配以專用的電極絲，可以加工微細(xì)表面，沙迪克公司的精加工的 SQ電源，則可加工鏡面。 （ 3）智能化型。智能化的高頻脈沖是根據(jù)加工的狀態(tài)，自動選擇最佳脈沖參數(shù)的一類電源，與傳統(tǒng)的等能量或等頻域的脈沖信號電源 相比，大大提高了自動化程度，加工過程一直處于優(yōu)化狀態(tài)，使加工狀態(tài)穩(wěn)定持續(xù)。 （ 4）無電解型。這種電源在加工過程中無電解，不會產(chǎn)生電解變質(zhì)層，從而可以升工件的表面器件加工質(zhì)量。國外的一些公司諸如三菱電機(jī)公司，沙迪克公司都研制過此類電源。 P W M 控 制 器L 1D rU 1Q 3電 流傳 感 器D 1 圖 13 電火花加工示意圖 第一章 緒論 8 直 流電路檢測控制電路R 1T 1T 2R 2C 圖 14 精微加工脈沖電源原理示意圖 2)脈沖電鍍電源 傳 統(tǒng)的電鍍電流一般采用直流電流，采用脈沖電鍍可以產(chǎn)生比直流電鍍更優(yōu)化的性能。脈沖電鍍可以高效地控制金屬電沉積，可以通過改變脈沖參數(shù)來改善電鍍層的物理性能和化學(xué)性能，從而不僅可以節(jié)省貴金屬的使用還可以獲得功能性鍍層。脈沖電流的波形通常有方波、鋸齒波、三角波和階梯波等，但是就目前的市場應(yīng)用情況而言，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為普遍的方波脈沖，所以高校和企業(yè)對脈沖電鍍的研究也多圍繞方波進(jìn)行展開。由方波脈沖演變過來的脈沖形式有疊加性的直流脈沖、間斷性脈沖和周期性換向脈沖。疊加性的直流脈沖主要是在直流基波的基礎(chǔ)上疊加了方波脈沖 。目前這種方法在國內(nèi)市場上應(yīng)用比較多，其中大多數(shù)都是以獲得高度致密性同時具有一定的光潔度的鍍層為目的。間斷性脈沖是周期性的一種脈沖中斷，因?yàn)榇嬖陂g斷時間，比較容易恢復(fù)放電離子，可以使得極限脈沖電流的密度得以提高 [23]。 半個世紀(jì)以來，在環(huán)境污染治理保護(hù)領(lǐng)域中，脈沖電源的技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，表現(xiàn)出了應(yīng)用前景的廣闊性，因而脈沖電源的技術(shù)在環(huán)境工程方面的應(yīng)用也逐漸成為各國學(xué)術(shù)的研究熱點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個方面 [24]。 (1)脈沖電暈等離子體法凈化工業(yè)廢氣 利用等離子體脈沖電暈法使廢氣得以進(jìn)化是近十年剛剛興起 的一項(xiàng)新技術(shù)，是目前各國環(huán)境污染治理方面新興技術(shù)方法的研究重點(diǎn)。這類脈沖電源常見的形南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式結(jié)構(gòu)有脈沖變壓器式電源、磁壓縮式電源和空心變壓器 (Tesla)諧振充電式電源。其中脈沖變壓器式電源技術(shù)比較成熟，于是獲得了廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 15。從國內(nèi)外目前的研究情況來看，可以利用納秒級高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體化學(xué)技術(shù)凈化的廢氣有 :二氧化硫、氮氧化物（ NOx）、甲苯（ C6H5CH3）、二甲苯、二氯甲烷（ CH2Cl2）、己醇 (C6H13OH)等。脈沖電暈等離子體法脫氮脫硫的技術(shù)在市場上具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，也 是國內(nèi)外普遍關(guān)注的重點(diǎn)研究方向。八國集團(tuán)中的美國、俄羅斯、日本、意大利、荷蘭等國積極開展研究，中國也曾將該研究列為 “九五 ”計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)的主要研究重點(diǎn)是如何研制高壓窄脈沖電源、如何使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、如何脫硫脫氮、如何理解等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及如何選取添加劑等。 LCDTSRD C 圖 15 脈沖變壓器式脈沖電源 (2)高壓脈沖放電廢水處理 鑒于實(shí)現(xiàn)高能化用高電壓與絕緣技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，近年來將 高電壓與絕緣技術(shù)用于處理比較難以處理工業(yè)污水的研究已經(jīng)激發(fā)了國內(nèi)外研究者們的很大的興趣。李勁、李勝利兩人提出了高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)。高壓脈沖放電廢水處理技術(shù)主要是利用以下四種效應(yīng) :臭氧殺菌、高能電子轟擊、放電等離子體中產(chǎn)生的活性自由基的作用、紫外線的光化學(xué)處理作用。高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)使得放電生產(chǎn)的臭氧與水直接融合作用，可以極大地簡化了傳統(tǒng)臭氧凈水技術(shù)中氣體干燥、電極冷卻和水氣混合等程序，可以使裝置體積變小，不僅避免了臭氧質(zhì)量濃度隨時間的遞增而衰減，而且可以充分發(fā)揮放電產(chǎn)生的活性粒子的凈 化效果。所以，與以前的臭氧凈水方法相比較而言，高壓脈沖等離子體水處理顯然具有更好的市場應(yīng)用前景。高壓脈沖放電廢水處理的研究重心主要集中在高等離子體生成法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和壓脈沖電源的設(shè)計(jì)。 第一章 緒論 10 (3)脈沖靜電除塵 傳統(tǒng)靜電除塵通常采取直流高壓的供電方式。在這樣的供電方式下，粉塵層等效電容效應(yīng)容易引起反電暈現(xiàn)象，會導(dǎo)致除塵率的下降。當(dāng)用脈沖電源供電時，除塵器上面的粉塵層的等效電容在脈沖施加期間內(nèi)僅僅會充上很少的電荷，在脈沖消失后所充電荷基本放完，所以除塵器的粉塵層上面不會因?yàn)榉e累電荷形成的高電壓而使粉塵造成反電暈現(xiàn)象。 因此與常規(guī)的直流電源供電除塵器相比，脈沖供電電源除塵器的除塵效果會更好。此外，對于不同的電阻率的粉塵，可以采取改變直流電流的基壓、電壓脈沖頻率以及占空比，使得達(dá)到更好的除去灰塵的效果。利用脈沖靜電來除塵的技術(shù)是目前市場上的一種非常領(lǐng)先的空氣凈化技術(shù)，若可以將此先進(jìn)的技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中的脫硫脫氮技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，同時使用毫秒級、微秒級甚至納秒級的脈沖開關(guān)電源給予供電，就可以實(shí)現(xiàn)除去灰塵技術(shù)和脫硫脫氮技術(shù)的一體化應(yīng)用，可以極大地提高工業(yè)生產(chǎn)效率。就目前而言，無論是歐美還是國內(nèi)，靜電電除塵脈沖電源主要都采取在直流電 流基礎(chǔ)電壓上迭加脈沖電壓的研究方法，如圖 16所示，這種電源方案設(shè)計(jì)要求利用兩臺變壓器組成兩套電源，兩套電源中一套用于產(chǎn)生直流基壓脈，另一套用語產(chǎn)生脈沖電壓，因此這兩套電源的控制系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，價格比較昂貴，所以這些方面在一定程度上限制了它的推廣應(yīng)用。 E 1L 1L 2T 1C 2V dV tC 1圖 16 靜電除塵脈沖電源示意圖 課題的應(yīng)用前景 以脈沖電源設(shè)計(jì)的電磁發(fā)射的成本遠(yuǎn)比火箭推進(jìn)劑的成本低 。而且在發(fā)射過程中的可控性能和安全性能也是化學(xué)發(fā)射器所 不能及的。 1）科研中的應(yīng)用。在許多領(lǐng)域內(nèi)要用到超高速運(yùn)動的物體，用來研究材料狀態(tài)方程等等，比如用超高速的彈丸模擬研究高速沖擊粒子對宇宙飛船材料的影南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 響。當(dāng)小彈丸被加速到 50km/s的時候去沖擊核聚變?nèi)剂蠒r，就會引發(fā)熱核聚變，那么這將會使熱核聚變這種核能轉(zhuǎn)化變?yōu)榭煽刂频?。?shí)際上目前人類的科研水平還不足以把一顆小彈丸從初速 0加速到 50km/s，因而用脈沖電源設(shè)計(jì)的電磁發(fā)射裝置是幫助促成這種試驗(yàn)的高效工具 [8]。 2）電裝甲防護(hù)中的應(yīng)用。伴隨著各種反坦克武器的出現(xiàn)，坦克裝甲的防護(hù)要求也越來越高。傳統(tǒng)的方法是采用增 加裝甲鋼厚度，但這并不是很理想的方法，并沒有什么科技含金量。因此一種新型的防護(hù)方法 ——電裝甲防護(hù)就應(yīng)運(yùn)而生了，按照防護(hù)方式的不同可以分為主動式和被動式。其中美國陸軍 TACOM提出的兩種全電坦克方案就是采用電裝甲防護(hù) [17， 18]。 3）航空彈射器中應(yīng)用。在航空母艦上由于航空母艦上的甲板長度有限，為了縮短艦載飛機(jī)起飛的跑道和起飛時間，常常使用蒸汽式彈射器，這種彈射器的效率比較低、體積龐大而且成本很高。重接式彈射器的能量轉(zhuǎn)化效率比這種老式的彈射器可以提高十幾倍，系統(tǒng)的質(zhì)量可以減到 5%左右，對彈射器的發(fā)展具有重大 意義，在 3s內(nèi)使得一架 36t的戰(zhàn)斗機(jī)以 227km/h的速度彈射出去。另外彈射器也能應(yīng)用在小型航天飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)和微重力試驗(yàn)拋射器等方面的領(lǐng)域內(nèi)。 電磁發(fā)射用脈沖電源的設(shè)計(jì)的意義和應(yīng)用潛力現(xiàn)在尚很難估計(jì)，在各類國防武器、科學(xué)試驗(yàn)、航天和航空領(lǐng)域內(nèi)有極其廣泛和深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景 [9]。 電磁發(fā)射用脈沖電源的設(shè)計(jì)課題的研究意義 由于脈沖電源擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，因此研制高效、高可靠性、輸出特性優(yōu)良、智能化的脈沖電源對工程應(yīng)用有重要的實(shí)際意義。同時，脈沖電源的研究設(shè)計(jì)電力電子、自動控制理論技術(shù)、電磁理論、新型功率開 關(guān)器件的應(yīng)用、優(yōu)化、材料科學(xué)、電路系統(tǒng)建模等各個方面內(nèi)容，因而脈沖電源的研究具有廣泛的理論意義和學(xué)術(shù)意義。 當(dāng)下，國內(nèi)對脈沖電源的研究與應(yīng)用多數(shù)集中在高壓、高頻、智能化等方面，已經(jīng)取得了一定的理論研究成果和很好的實(shí)際操作應(yīng)用價值，本文在參考了幾篇相關(guān)脈沖電源設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，計(jì)劃嘗試一下在脈沖電源的高效、高頻、智能化方面，主要是為了盡量地提高脈沖電源的頻率、效率，從而提高電源的可操作性。其中通常研制的脈沖電源的技術(shù)指標(biāo)為： 第一章 緒論 12 輸出電壓： 530V并且連續(xù)可調(diào) 輸出電流： 5A 脈沖頻率： 1KHz， 5KHz、 10KHz， 20KHz， 50KHz， 100KHz， 200KHz、 500KHz、1MHz可選。 輸出占空比： 10KH100KHz在 10%100%以 10%為級數(shù)逐級可調(diào)， 200KHz、1MHz為 50%的固定占空比。 與相關(guān)類型電源相互比較而言，本脈沖電源的研制本著體積小、效率高的宗旨，同時對脈沖電源的頻率性能提出了比較高的要求，另外本電源的頻率調(diào)整范圍寬，占空比覆蓋面廣，能控性好，容易升級維護(hù)，具有很大的優(yōu)越性。 本文結(jié)構(gòu) 第二章介紹了脈沖電源的基本原理，第三章介紹了脈沖電源的基本結(jié)構(gòu)，第四章利用 saber 仿真軟件對單個模塊脈沖電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第二章 脈沖電源的原理 脈沖電源本質(zhì)上就是使脈沖功率能量壓縮的電氣裝置，其中高功率脈沖電源應(yīng)用范圍很廣，比如電磁武器中所使用的脈沖電源就是這一種，這種電源通常能夠在 109一 103s的短暫時間內(nèi)不間斷地產(chǎn)生 1109J的能量或者更大的能量。脈沖電源具有多重形式，比如：磁通壓縮式發(fā)電機(jī)、電容儲能式、增頻發(fā)電機(jī)、電感儲能式、高壓發(fā)電機(jī)，其中電容儲能放電式脈沖電源應(yīng)用較為廣泛，它的電路原理圖如下所示 : CSDL高 壓直 流電 源負(fù) 載 圖 21 電容儲能放電式脈沖電源的電路原理圖 這種類型的脈沖電源系統(tǒng)中，通常電容是作為電源提供電能的儲能元件，這種元件儲存的能量基本上是以電能這種能量形式來實(shí)現(xiàn)。在電磁發(fā)射之前，首先通過使用直流高壓電源給儲能電容元件充滿電荷，從而為電磁發(fā)射提供足夠的能量。上面電路原理圖中的字母 S表示電源中的半導(dǎo)體的開關(guān)電源器件，它的開通與關(guān)斷由電源中的信號觸發(fā)控制電路來控制。字母 L表示電源電路中的可變調(diào)波電感，其用來調(diào)節(jié)電流峰值和脈沖電流的前沿陡度。電路圖中的二極管 D的作用是用 來組成電路中電容放電后的電路的續(xù)流回路。電樞和彈丸在電路中多數(shù)情況下是以負(fù)載的方式存在，其通過吸收被電容所儲存的電能，同時將它轉(zhuǎn)化成為本身的機(jī)械能，從而使彈丸得以加速以及發(fā)射。 等效模型在電源電路中的應(yīng)用 儲能電容放電式這種結(jié)構(gòu)形式的脈沖電應(yīng)用廣泛，其工作原理為 :儲能電容器 C 先通過直流高壓電源充電，充滿電后，電容器兩端的端電壓就可以達(dá)到峰值 0U ，當(dāng)開關(guān) S 被控制電路觸發(fā)導(dǎo)通時，電容器會立即向負(fù)載放電，通過續(xù)流回路來實(shí)現(xiàn)。 第二章 脈沖電源的原理 14 其中 ，電容器 C被要求是無電感或低電感的電容器， L為線路、電容器、負(fù)載、開關(guān)等固有電感的電感的和，通常情況下 ,會選擇純阻性的線性負(fù)載作為電路中的負(fù)載，將這些器件串聯(lián)后構(gòu)成的工作電路，這樣就可以等效成為一個 RLC放電回路。 以下對該 RLC串聯(lián)放電電路進(jìn)行原理分析。此 RLC電路的方程為： 01 ? ??? UidtCRidtdiL （ ） 對其取微分，得到的常系數(shù)微分方程： 0122 ??? iCdtdiRdt id （ ） 電路的臨界比為 α=LC，當(dāng)開關(guān) S在 t=0時刻觸發(fā)導(dǎo)通時，電路中的電流i(0)=0，電容 C的電 壓為 Uc(0)=U0，根據(jù)這些初始條件，可求得電路方程在不同條件下的三種解： 1）當(dāng) α1時，電路處于欠阻尼狀態(tài)，通過解方程可得： )α1sin(])LCα(t/exp [α1)( 220 LCtLCUti ??? （ ） 此時電流 i(t)表示周期性衰減的振蕩電流，它的幅值大小按照指數(shù)曲線下降。其中振蕩電流的最高峰值 Im為： ]/)α1(ta n)α(1 αe x p [0 αIm 21212 ?? ?? LCU （ ） )(2)(0)(0 ααα2α fLWffLC RUU ??? （ ） Im的達(dá)到時間 tm為： )/α1(ta n)21( αα 2121 ??? ??LCmt （ ） 式中， W=U02C——電容器 C的儲存能量。 2）當(dāng) α=1時，電源電路正處于臨界阻尼的狀態(tài)，則： LCtteLUti /0)( ?? （ ） 此時電流為非周期性脈沖電流，并且 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 LWLCUe 01 ?? ? () LCRLtm ?? 2 () 3）當(dāng) α1時，為過阻尼狀態(tài)： )1α(]LCα/e xp [1α 0)( 22 LCtshLCUti ?? () 此時的電流為非周期性脈沖電流，其