固态脉冲电源的设计与实验研究

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为实现脉冲电晕等离子体烟气处理技术(PPCP)在“十一五”期间产业化的目标,关键是要研制出长寿命的大功率脉冲功率源。其中脉冲电源的连续稳定运行时间需大于6000h。由于固态开关相比传统的放电开关(火花间隙开关、氢闸流管开关)在运行稳定性及使用寿命上均有较大的优势,因此采用固态开关技术的固态脉冲电源理论上可满足PPCP技术的要求。针对各类固态开关的特点及负载特性、输出指标的要求,本文研制了一种采用半导体开关串联与磁开关(MS)、可饱和脉冲变压器(ST)相结合技术的固态脉冲电源。在理论分析的基础上,利用PSPICE软件对电源的工作原理进行了仿真。完成了8支快速晶闸管(FST)的串联试验。解决了8支FST串联的动、静态均压及开通同步性问题。FST的触发方式和触发电路也一并进行了介绍。分析了磁性材料的工作特性,并通过磁材料性能的比较选择铁基非晶材料(1k101)制作了ST和MS的磁芯。通过对初级绕组的计算分析及考虑体积、绝缘的基础上,确定了ST的相关参数。利用现有试验条件,初步完成了脉冲变压器(PT)前级线路的实验。在重复频率100Hz下得到PT前级线路的输出指标为:在30Q负载上得到峰值37.5kV、上升到峰值时间480ns、脉宽1.05μs的脉冲电压,输出功率3kW。引入了磁开关等效电感及平均磁导率的概念。通过脉冲形成回路的阻尼振荡情况的近似理论分析与实验结果进行比较,了解了MS的工作过程。并通过计算ST与MS的磁特性参数,得出了磁芯dB/dt与励磁电流的幅值及上升速度成正比、负载电流上升率较高造成了MS铁损较高的结论。通过对试验结果的分析与PSPICE仿真结果进行对比,掌握了ST及MS的工作特性,初步验证了采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术制作固态脉冲电源的可行性。分析计算了固态电源各组成部分的运行效率和能量转化效率。得到电源实验线路的能量转化效率为53.22%。根据PPCP技术对电源能量转化效率的要求提出了固态电源的改进方案,并通过理论分析和PSPICE仿真近似算得改进方案的电源运行效率为60.3%。并进一步提出了输出窄脉冲高压的固态电源方案构想。
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