轨道开关控制100kA高功率脉冲源

2016-01-27  来自: 编者:郝 静1,邓维军2,张希鹏1 浏览次数:1597

在实际生产生活中,轴承、齿轮等磨损器件的使用寿命不长,频繁地更换大大增加了生产成本,因此,如何提高这些器件的使用寿命成为人们极其关心的问题,随着研究的深入,在工件表面喷涂纳米材料成为当今的研究热点。其方法是利用金属丝在瞬时脉冲的作用下爆炸形成纳米微粒,覆着在工件表面,提高工件的耐磨性能,延长使用寿命。脉冲电源是这类研究中的重要设备,而开关是脉冲电源中的关键器件,在过去的设备中一般采用球间隙作为放电开关,结构简单,但放电不稳,分散性大,噪声也大,电极烧蚀严重,寿命短,仅能供实验研究用。

本文设计的脉冲电源,采用轨道开关进行放电,通过开关的优化设计,工作噪声小,放电稳定,寿命显著增加。

2   电源的结构和原理

交流接触器通流能力为150A,调压模块输出电流为150A,T是30kV、0.变压器,B是整流硅堆,其峰值电流大于2A,R1为10kΩ限流电阻,功率1kW,C为储能电容,由六个30kV、8.5μF的电容并联组成,R2、R3为取样电阻,分压比为1000:1,L为回路等效电感,R为负载电阻。交流220V输入调压模块后,输出有效值改变的交流电压,该电压经变压器升压后,并由硅堆整流,最后对电容充电。改变调压模块输出电压上升速率可以改变充电速度,从而实现对充电时间的控制。放电时,点火机触发轨道开关,使其导通,电容经开关对负载放电。

3  常压式轨道开关

3.1 轨道开关简述

由于该设备主要用于生产,高功率闭合开关的寿命非常重要,为了延长开关的寿命、便于维护,我们选择了广泛用于脉冲功率技术领域的轨道开关。轨道开关是一种三电极式的间隙,它由两个主电极和一个触发电极构成,这实际上也是一种场畸变型三电极间隙,当合适的触发脉冲到达后开关工作于多弧道状态。这种形状的开关电感低,多弧道,容量大,开关放电时延分散性小,工作范围宽,并且具有低的电极烧蚀率,寿命长[1]。其工作原理是:触发前主电极间隙电场均匀,开关不放电;触发时,触发脉冲引起主电极间电场强烈畸变,局部场强接近场致发射电场强度,间隙迅速放电

3.2 常压式轨道开关的设计

为了便于清洁维护开关,我们设计了如图2所示结构的常压式轨道开关[2,3],其主间隙16mm,触发间隙距离阳极的长度也为16mm,距离阴极的长度为8mm,电极长度为35.4cm,设计工作电压30kV,触发电压-30kV,为了提高开关的触发性能,触发电极处于10kV偏压状态下[4,5]

触发电极的引入并没有改变主间隙的电场均匀性,从图3b)看出,触发时刻主间隙电场剧烈畸变,在阳极和触发电极之间电场畸变厉害,在触发电极附近场强达到最强。放电从这里开始,接着阴极击穿,导致整个间隙顺利击穿放电。整个间隙从断开到闭合的时间可以在ns时间内完成。

轨道开关电极材料的性能也是影响开关寿命和性能的重要因素。我们可以用材料的抗侵蚀性能指数K来表征电极材料的性能。

为了降低开关导通过程中的噪声,结合开关的外部形状,在开关的两端设计了消声器,有效的吸收了导通过程中产生的噪声,经过测量, 10m处的放电噪声在40dB左右。

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