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    創新成果

    脈沖功率技術

    脈沖功率技術(Pulse Power)是一門研究高功率、高電壓、大電流的新興學科,又稱高功率脈沖技術,它是研究在相對長的時間里把能量存儲起來,然后經過快速壓縮、轉換,最后有效釋放給負載的新興科技領域。


    一、脈沖功率技術特點

    1.應用范圍廣、市場潛力巨大:

    隨著新興科技的發展,如可控核聚變研究、新興強激光、高能電子與離子加速器、電磁脈沖、新武器研究等方面的應用,脈沖功率技術得到快速發展,在能源、煙氣凈化、環境科學、醫療和生物工程領域都取得相當大的進展,具有廣泛而其巨大的應用潛力和市場需求。

    2.具有四大技術優勢:

    脈沖功率能量巨大,目前世界上最大的單臺脈沖功率裝置是美國Sandia國家實驗室的PBFA-Z加速器,它釋放的脈沖功率可達10^14W(100TW)量級,比全世界發電量的總功率大約高1~2個量級,主要用于高功率脈沖驅動的快速Z箍縮研究。高功率脈沖裝置也是高壓設備的一種類型,但又與一般高壓設備不同,它屬于高功率、強電流、短脈沖的一種特殊設備,提供的是一種暫態過程的物理量。

     

    二、賽晶電力電子集團技術優勢

     

    1.賽晶集團擁有豐富的技術積淀和經驗:

    2.賽晶集團脈沖功率技術應用范圍廣泛:

    可應用于以下多種領域:

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    3.賽晶集團脈沖功率技術重點產品:

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    附:

    脈沖功率技術背景知識介紹

     

    一、脈沖功率技術概念

    脈沖功率技術是指將初級能量(通常為幾百千焦至幾十兆焦)儲存在儲能元件中通常為電容器、電感器、飛輪儲能等,然后通過快速開關和脈沖成形網絡,將此能量在毫微秒、甚至是納秒時間內釋放到負載上,以得到極高的功率。脈沖功率技術主要是解決如何經濟地和可靠地儲存能量,并將大能量和大功率有效地傳輸到負載。脈沖功率技術就是要不斷提高脈沖的能量、功率、上升時間和平頂度、重復率、穩定性和壽命等科學技術問題,滿足不同領域不斷發展的技術要求。

    二、脈沖功率技術發展歷程

    脈沖功率技術正式作為一個獨立的技術進行發展研究是從上世紀上半期開始,事實上作為脈沖功率技術基礎的脈沖放電,早就存在于大自然中,例如雷擊放電、靜電放電等,而對脈沖放電的研究則開始于研究天然雷電特性,以及它對輸電線路、建筑物危害及其防護措施,當時這種放電僅限于毫秒級和微秒級。二十世紀四十年代末期,就有人開始注意到亞微秒及毫微秒級的高壓強流脈沖放電形式。但是一方面由于當時客觀要求并不迫切;另一方面,這樣快的脈沖放電,無論在產生技術上,或者在測量技術上都存在著一定的困難。因此,其后十多年這種技術發展并不迅速,而到了上世紀六十年代初期,由于閃光輻射照相和瞬時輻射效應研究的需要,英國原子能武器研究中心的J.C.馬丁所領導的研究小組,開拓了稱之為脈沖功率加速器的研究領域,使毫微秒級脈沖功率技術往前推進了一步。同時,一些科學技術在發展中受到障礙,急需找尋新的途徑。以微波和激光的發展為例,利用速調管、行波管等原理去產生大功率高效率毫米或亞毫米微波已經不可能,利用一般方法產生大功率、高效率、波長可調的激光束也不可能。正當人們探索和尋找新的解決途徑的時候,他們發現脈沖功率技術是解決這些問題的良好途徑。為此,美國許多單位,如桑地亞實驗室、物理國際公司、海軍研究實驗室、康乃爾大學、加利福尼亞大學和斯坦福大學等單位,對脈沖功率技術及其在各方面的應用開始了研究和探索工作。這種技術的應用包括:電子及離子加速、核聚變、微波裝置、激光(特別是大功率放電激光)、電磁脈沖、閃光輻射照相、瞬時輻射效應和各種各樣的工業應用,隨著脈沖功率技術的發展,其應用也逐漸拓展到醫療、環保、交通、食品、電力、化工等民用領域,應用越來越廣泛。

    三、 脈沖功率技術原理及系統組成

    脈沖功率技術簡單地概括,就是對能量實現低功率的儲存和高功率的釋放。低功率能量儲存就是將市電或電池等能量通過充電方式儲存到脈沖電容、電感、脈沖交流發電機等相對儲能密度比較高的能量儲存系統中;高功率的能量釋放就是將儲存的能量通過高功率開關和脈沖成形網絡對放電波形進行調制,使能量在時間上的壓縮,提高釋放能量的瞬時功率,以一定的脈沖電壓、脈沖電流、脈沖上升前沿、重復頻率等要求的波形對負載進行放電,滿足不同負載的應用需求。

    脈沖功率系統主要包括初級能源、儲能系統、脈沖成形系統、負載等。初級能源一般用市電或電池等能量儲存單元經過充電系統將能量儲存在儲能系統中,儲能系統的技術方式有很多,在脈沖功率技術中常用的是電容儲能、電感儲能、化學儲能和機械儲能等。脈沖成形系統是通過能量或時間壓縮方法,對儲能系統釋放的能量脈沖進行壓縮整形,以達到需要的脈沖功率值、脈沖形狀、脈寬及重復頻率特性要求,脈沖成形系統的主要形式包括脈沖傳輸成型線及其倍壓器、脈沖功率變壓器、大功率短路開關、大功率斷路開關配合輔助阻抗進行波形調節等幾種類型。負載是為某種應用脈沖功率放電的對象,進而產生所需要的等離子體、微波、激光或一定的電磁場等。

    四、脈沖功率的關鍵技術及發展趨勢

    脈沖功率技術不斷提高的能量、功率上升時間和平頂度、重復率、穩定性和壽命的要求,給脈沖功率技術提出了一系列的科學技術問題,涉及的關鍵技術有能量的儲存技術,能量和功率的傳輸,脈沖的形成和壓縮,開關技術,絕緣技術,磁絕緣傳輸線,二極管和脈沖功率診斷技術等。

    脈沖功率技術經過半個多世紀的發展,已經從高新技術領域逐漸向工業、民用領域延伸。作為當代高新技術領域的重要組成部分,它的發展和應用與其他學科的發展有著密切的關系。分析當前脈沖功率技術的發展趨勢可以概括為:高功率、高重頻放電、高可靠性、快上升前沿、小型化、長壽命等方向發展。目前脈沖功率技術進步的方向和熱點有:  

    (1)由單次脈沖向高重頻脈沖發展。過去脈沖功率技術主要為國防科研服務,并且大多是單次運行,隨著脈沖功率技術的進步,單次脈沖可靠穩定后,許多應用領域提出了脈沖功率重復使用的要求,而且在滿足一定功率的情況下重復頻率要求越來越高。 

    (2)儲能技術——研制高儲能密度、小型化的儲能電源。在很多應用場合下,脈沖功率系統的體積和重量的大小是決定性因素,如飛機探測水下物體技術、電磁炮等,都要求產生很大的脈沖功率, 而且系統又不能過于龐大和笨重。因此,高儲能密度的脈沖功率發生器的研制是當前主要的研究課題之一。

    (3)開關技術——探討新的大功率開關和研制高重復頻率開關。開關元件的參數直接影響整個脈沖功率系統的性能,是脈沖功率技術中一個重要的關鍵技術。目前大功率開關技術包括以下幾個方面: 短脈沖技術、同步技術、高重復頻率技術、長壽命技術,而難點在于大功率、長壽命和高重復頻率的開關技術。因此,具有耐高電壓強電流、擊穿時延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復的脈沖下穩定工作的各種類型開關元件的研制,是當前國內外脈沖功率技術中又一個十分受重視的研究課題。 

    (4)積極開辟新的應用領域。脈沖功率技術在核物理、加速器、激光、電磁發射等領域已得到日益廣泛的應用。近年來,脈沖功率技術在半導體集成電路、化工、環境工程、醫療等領域的應用研究,已引起各界的廣泛重視,而且在某些應用研究中,已取得了可喜的進展。隨著脈沖功率技術更多地在民用領域的應用,市場的推動必將促進脈沖功率技術更快地發展。

    五、脈沖功率技術應用

    過去和現在脈沖功率技術的主要在高新技術等領域應用,包括可控聚變、高功率微波、高功率激光、強電磁脈沖、X射線拍照等方面,目前也逐漸發展到民用部門,如人工電磁環境產生、脫硫脫硝、電除塵、污水處理、滅菌消毒、勘探探測檢測、油井截堵疏通、醫療碎石、表面工藝處理等領域,應用越來越廣泛。

    1、工業應用領域

    可控聚變:利用脈沖功率電源釋放的大電流產生強磁場,約束高溫等離子體到很小的范圍內,使較輕的原子核聚合成較重的原子核,同時釋放出巨大的能量的過程。為實現磁力約束,需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置,這種裝置被稱作“托克馬克裝置”。受控核聚靠約束高溫等離子團控制反應物密度,從而使該聚變過程可控,達到可人工利用的地步,為人類提供一種無限的、清潔的、安全的新能源。

    巖石鉆孔:利用高壓短脈沖對堅硬的巖石進行粉碎、鉆孔是脈沖功率技術在民用工業中的新應用。利用液體和固體介質的動態擊穿場強不同的特點,當一高能量短脈沖施加于液體-固體界面時,固體介質表面比液體更容易發生擊穿,來實現對巖石的鉆孔和粉碎。

    電爆炸焊接:電爆炸是指在一定的介質(如惰性氣體、水等)環境下,強脈沖電流通過導體絲時,導體材料自身的物理狀態急劇變化,并迅速把電能轉化為其他形式能量(如熱能、等離子體輻射能、沖擊波能等)的一種物理現象。電爆炸焊接是一種固相焊接方法,可以使不同金屬之間,如鈦、銅、鋁、鋼等金屬之間焊接在一起,獲得強度很高的焊接接頭,用其他的焊接方法很難實現?,F代工業需要多種多樣的金屬復合材料,爆炸焊接工藝應運而生。

    礦藏勘探:利用脈沖電源產生的強的沖擊波放電作為震源,在地質層中或水下進行傳播,當沖擊波遇到一般的巖石層所產生的反射與遇到石油和其它地質礦藏所產生的反射波有明顯的差異,通過分析這些差異可以判斷海底或陸地下是否有石油等礦藏,并且這一技術也可用于地震勘探。

    微波除冰:在水泥或石子路面上加入少量電導率較高的材料,利用脈沖電源產生高功率微波,對于冬天結冰的路面進行加熱,使路面與冰的結合處融化,從而使冰容易從路面脫離,達到除冰的目的。同樣的技術也可以應用在風力發電機的扇葉的覆冰處理。

    表面改性處理:利用脈沖功率技術產生強脈沖離子束,離子束撞擊金屬和非金屬材料表面使材料表面性能發生改變,是正在發展中的新興表面改性技術,成為新一代低成本、高效率、高生產率、實用化的離子束材料改性與合成工藝,在改善材料表面硬度、磨損、摩擦、抗疲勞或抗氧化等性能方面都有明顯效果。

    臭氧制備:脈沖功率電源產生共頻、高頻或脈沖等交變的電場作用下,氣體分子中原有少量載流子從外電場中獲得能量,使其加速運動并與氣體分子碰撞、電離,氧分子分解為氧原子,與其它水分子結合為臭氧。臭氧具有極強的氧化能力,可用于殺菌、消毒等工業應用。

    納米粉制備:電爆炸使處于陽極和陰極間的金屬絲產生高電壓放電,在金屬絲的內部瞬間通過強電流,產生焦耳熱,使金屬絲整體瞬間達到上萬度的高溫,遠高于金屬的氣化點,使之氣化。金屬蒸汽與惰性原子碰撞,交換能量并迅速冷卻形成尺寸在納米到亞微米范圍的球形顆粒。由于納米材料的良好應用前景,電爆炸合成納米粉體技術也越來越受到關注。

    2、環境保護領域

    我國的環境形勢異常嚴峻,長期積累的環境問題和新污染源的出現使生存環境進一步惡化。近年來,脈沖功率技術開始大量應用于污水處理、廢氣處理、靜電除塵和殺菌消毒等方面,逐漸成為環境工程中重要的處理手段之一。

    脫硫脫硝:該技術利用高壓脈沖電源產生的高能電子激活燃煤煙氣中的二氧化硫和氮氧化物,加入氨作為反應劑,生成硫酸銨和硝酸銨肥料。脈沖電源產生的等離子體對該脫硫脫硝過程起到催化的作用,提高干法脫硫脫硝的轉化效率。該技術成本較低,無二次污染,形成的副產物可回收利用,有較好的應用前景。

    高壓靜電除塵:高壓靜電除塵使煙塵發生電離,氣流中的粉塵荷電后在電場作用下與氣流分離,在電場力的作用下,荷電的塵粒迅速趨向與之電極相反的電極,最后在電極上釋放電荷并沉積在電極上,當粉塵沉積到一定數量時,通過振打裝置作用使粉塵落入灰斗,被除去粉塵的凈化氣體則通過凈化電場排入大氣。

    消毒殺菌:高壓脈沖滅菌是一項新型的非熱處理技術,其機理是脈沖電源產生的高壓脈沖電場施加到微生物上,誘導微生物細胞出現不可逆的電穿孔,從而導致微生物死亡,達到消滅細菌,保護食品或環境的安全。

    污水處理:高壓脈沖電源由于輸出電壓波形具有陡前沿,窄脈沖的特點,施加于液相內非平衡的電極之間,極易使處理對象的分子結構發生改變,其質量較輕的電子獲得能量后變為高能自由電子,在運動過程中,與其他分子碰撞,引發一系列水相化學過程,產生 如H2O2等活性物質, 進而能促使水中的有機物降解。而在這些電化學過程中產生的超聲波、沖擊波、局部高溫、紫外線燈等一系列物理效應也能促使有機物的降解,達到凈化污水的效果。

    3、醫療衛生領域

    目前脈沖功率技術在醫療衛生領域有很多應用,通過高壓電源產生X射線進行X光拍照,產生強磁場進行核磁共振診斷等,產生激光脈沖或γ射線進行相關手術治療,體外沖擊波碎石是利用水中發生高功率脈沖放電時形成“液電效應”而產生沖擊波,當沖擊波從人體外部傳入人體內部并在人體內部的結石處聚焦時,處在沖擊波焦點范圍內的結石在聚焦后的強烈沖擊波反復沖擊下逐漸破碎。高壓脈沖水下的液電效應也能用來清砂和除垢等工業應用。隨著脈沖功率的技術進步,在醫療領域會得到更多地應用。

    六、小結

    作為當代高新技術研究的重要技術基礎之一,脈沖功率技術的發展和應用與其它學科的發展有著密切的聯系。隨著研究的不斷深入,儲能技術、功率開關技術、脈沖大電流的測量技術方面必將取得更大的發展,而且這些研究成果將越來越多地轉化到生產應用領域??傊?,脈沖功率技術已經在科學研究、國防工業以及工業、民用等眾多領域有著極為重要的應用。脈沖功率技術是當前比較活躍的一門前沿科學技術,它是高新技術研究的重要技術基礎之一,有著非常廣泛的發展和應用前景。


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