环境工程领域的脉冲功率技术应用
脉冲功率技术
目录目录 0摘要 (1)一、脉冲功率技术的发展历史及现状 (2)二、脉冲功率技术的储能技术 (4)2.1惯性储能 (4)2.1.1直流发电机 (5)2.1.2单极脉冲发电机（HPG） (5)2.1.3同步发电机 (6)2.1.4主动补偿脉冲发电机 (7)2.2电容储能 (8)2.2.1电容器组放电 (8)2.2.2电容器组放电技术要点 (8)2.3电感储能 (9)2.3.1电感与电容器储能密度比较 (9)2.3.2电感储能的缺点 (10)三、串联谐振CCPS恒流充电 (11)3.1串联谐振CCPS概述 (11)3.2串联谐振CCPS工作原理 (11)3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真 (14)总结 (16)参考文献 (17)脉冲功率技术摘要所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中通常为电容器、电感器等, 然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上, 以得到极高的功率（兆瓦左右）。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题。
本文介绍了，给储能元件电容充电的一种恒流充电电源，分析了CCPS充电的原理以及实现问题。
关键词：脉冲功率，CCPS,恒流充电，储能技术脉冲功率技术及其应用一、脉冲功率技术的发展历史及现状脉冲功率技术（PPT,Pulsed Power Technology）正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。
事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。
而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。
当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。
四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。
脉冲功率技术
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名李猛虎考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士考试科目脉冲功率技术考试日期 2013年12月15日脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。
脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。
脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。
脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。
脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。
脉冲功率的发展历程脉冲放电现象存在于大自然。
人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。
1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。
采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。
第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。
1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。
脉冲电絮凝在废水处理中的应用
ｌ 前 言
当前 ， 水资源污染是世界各 国普遍面临的急需 解决 的问题之一 。很多人工合成的有机污染物溶入 水体 。它们在水中存在的时间长、 范围广， 而且危害
钝化 。人们为了克服直 流电絮凝法 的缺点 ， 脉冲 将 技术与电絮凝法相结合 ， 这为废水 处理 提供 了崭新
从 上述 反应 方程 式 可见 ， 阳极 失 去 电子后 ， 铁 溶
解在水 中成为铁离子和亚铁离子 ， 再经水解反应而 形成氢氧化铁和氢氧化亚铁微絮体。这种氢氧化物 微絮体 的絮凝效果 比药剂 絮凝要好得多 。同时， 在 阴极发生还原反应逸出的氢气形成极 小的气 泡， 将 废水中的凝聚物夹带并浮上电解槽的液体表面 这 样就可以同时起到凝聚和气浮作用以除去水 中的污 染物。
电解可 以达到很好的节能及处理效果） 。 脉冲电解即不 断地重复进行 “ 电一 电一 电” 供 断 供
着 电耗大 、 成本高等缺点 ， 因而大大限制 了它在废水
处理中的应用。脉冲电絮凝是一种崭新 的废水处理
的电解过程 ， 这种供 电方式使 电解 效率得到大幅度
地提高 ， 而且能耗能大幅度地 降低 。因为通 电时间 远小于电解处理的总反应时间， 以电量可 以大幅 所 度地降低 。由于在脉 冲间歇过程 中 ， 可溶性 电极停 止溶解 ， 脉冲电解时 的可溶性 电极 的平均溶解量将
电流的平均值也为直流供 电时 的 ｉ２ ／ 。由于 电功率
为电流与电压的乘积 ， 电能消耗仅为直流供 电时 故 的 １４ 又如 ｒ ／ ／； 一３ ４时， 则电能消耗 为直流供 电的 ９ １ 。由此可见 ， ／６ 脉冲供电可大大节约电能（ 经过大
量的实验的结果表明， 采用 ０ ５的占空 比进行脉冲 ．
高性能大电流脉冲电源的设计与实现
高性能大电流脉冲电源的设计与实现曹海源胡婷婷韦尚方万强孙斌卢常勇（武汉军械士官学校光电技术研究所，湖北武汉 430075）摘要 本文针对高功率脉冲DPSSL对激光电源的要求，综合运用了ARM7单片机控制技术、串联VICOR模块可调稳压源、IGBT功率器件及各种保护电路，设计并实现了小型、高效的半导体泵浦激光器驱动电源，具有电压调节范围宽、峰值电流高、控制精度高、良好的稳定性和高低温环境适应性等特点。
测试表明：电源整机运行稳定可靠，达到了很高的技术指标要求，可广泛应用于军用激光测距、激光雷达、激光对抗等领域。
关键词 驱动电源；ARM7；电流脉冲；IGBT；VICOR模块中图分类号 TN248.4 文献标识码 BDesign and Realization of High Performance and Strong Current Pulse Power Supply Cao,Hai-yuan Hu,Ting-ting Wei,Shang-fang Wan,Qiang Sun,Bin Lu,Chang-yong(Opto-electronics Facility, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School,Wuhan, Hubei, 430075, P.R.China)Abstract: In this paper, according to the request of the high power pulse DPSSL, we design and implement a compact, high efficiency power supply for DPSSL, which combines the control technology of ARM7 MCU, tunable voltage stabilizer using VICOR modules in series structure, IGBT power components, closed loop adjusting circuit, and various protective measures. It is specified as wide tuning range of the voltage, high peak current, high control precision, high stability, high adaptability to the high-low temperature, and so on. Test and measurement results show that our power supply operates steadily and reliably, and well meets the request of the performance index in the project. It can be widely applied in military laser rangefinder, Lidar, laser counterwork, and so on.Keywords: power supply; ARM7; current pulse; IGBT;VICOR module1 引言DPSSL（Diode Pumped Solid-State Laser）出现于八十年代末，与传统的灯泵固体激光器相比，它具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定性高等特点，广泛应用于军事、航空航天等领域中。
中国工程物理研究院研究生院-应用电子学研究所 -研究方向简介-910
许州*研究员、黎明 研究员、杨兴繁 研究员、李正红 研究员
研究先进的新型强流电子束产生和加速技术，开展强流电子束二极管理物理、新型强流束加速腔设计技术方面的研究工作。
射线辐射成像技术及应用
许州 研究员、陈浩 副研究员
探索先进的加速原理、研究加速器物理设计、研究加速结构的设计技术。研究先进的加速器物理概念、系统理论和基本物理规律；研究高亮度电子源技术、超导加速器的关键单元技术和系统实验技术；研究能量回收加速器的原理与技术；研究先进的带电粒子束流高精度诊断技术等。
金晓*研究员、孟凡宝*研究员、陈洪斌 研究员
基于电真空器件的太赫兹产生、传输、发射和测量技术。
复杂电磁环境技术
孟凡宝*研究员、马弘舸 研究员
复杂电磁环境基础理论与数值模拟、构建与测试、效应实验评估与对抗等技术。
光学工程
080300
高能激光系统技术与应用
杜刘军 研究员
高能激光系统先进概念和系统理论；高能激光系统总体技术、先进的关键单元技术和系统实验技术，高能激光的传输及气动光学技术；激光束时间、空间分布参数诊断技术以及光学系统参数超高精度诊断与光学检测新技术。
光束控制与目标探测技术
张卫*研究员、叶一东*研究员、万敏 研究员、向汝建 研究员
光束控制和目标探测两个方面。研究光束控制和自适应光学的现代光学前沿技术；研究主动和被动高分辨率目标探测、识别技术。
重复频率高功率脉冲功率源技术，强流相对论电子束产生与传输技术，高功率微波（毫米波）的产生、传输、发射、测量、真空及高功率微波应用技术。
高功率微波与物质的互作用
金晓*研究员、范植开*研究员、孟凡宝 研究员、马弘舸 研究员、闫二艳 副研究员
高功率微波与物质相互作用的机理、评估方法、仿真技术和实验技术。
脉冲功率电阻
脉冲功率电阻脉冲功率电阻，作为一种常见的电子元件，被广泛应用于电路设计与工程领域。
它具备独特的特性和广泛的用途，给电子工程师提供了便捷而实用的解决方案。
本文将带您深入了解脉冲功率电阻的工作原理、特点以及在实际应用中的重要作用。
首先，我们来简单介绍一下脉冲功率电阻的工作原理。
脉冲功率电阻是一种专门用于限制电流流过的电阻。
它能够承受瞬时的高功率电流，同时具备较低的电阻值，在一段时间内保持相对稳定的工作状态。
这种特殊设计使得脉冲功率电阻在一些需要稳定电流的应用中十分有用。
脉冲功率电阻的主要特点之一是高能量吸收能力。
在脉冲电路中，电阻通常需要忍受瞬时的高能量冲击，而脉冲功率电阻能够有效地吸收和耗散这些能量，保证整个电路的正常工作。
这种特性使得脉冲功率电阻能够在一些高功率设备的保护电路中发挥重要作用，防止电压过高或电流过大对电子元器件造成损坏。
此外，脉冲功率电阻还具备快速响应的特点。
它能够迅速对电流变化做出响应，并调整自身电阻值来适应电路的工作状态。
这种响应速度非常重要，特别是在需要快速保护电路的应用中。
通过合理选择脉冲功率电阻的参数，可以确保电路在出现突发情况时能够迅速做出反应，保障设备和用户的安全。
脉冲功率电阻的应用非常广泛，下面将介绍几个常见的应用场景。
首先是电源保护电路中的应用。
在电源输出电流过大或者突变时，脉冲功率电阻能够迅速限制电流，以保护电源和其他电子元件的安全。
其次是电机控制系统中的应用。
脉冲功率电阻可以在电机启动过程中提供稳定的电流，保护电机和驱动电路不受过大的电压冲击。
此外，脉冲功率电阻还常用于高压电路、激光器驱动、超声波发生器等领域。
对于电子工程师来说，正确选取和使用脉冲功率电阻至关重要。
以下是一些指导意义的建议：首先，根据实际应用需求选择合适的功率和电阻值。
这取决于电路中的电流、电压和工作环境等因素。
其次，关注脉冲功率电阻的功率容量和耐压能力。
确保其能够承受电路中可能出现的峰值功率和电压。
脉冲功率技术
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名李猛虎考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士考试科目脉冲功率技术考试日期 2013年12月15日脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。
脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。
脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。
脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。
脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。
脉冲功率的发展历程脉冲放电现象存在于大自然。
人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。
1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。
采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。
第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。
1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。
脉冲功率技术在环境保护中的应用
１ 引 言 随着 人 类生产 和 生活 活动 的发 展和 扩 大 ，环 境
问题逐渐 成 为各 国关 注 的焦 点 。我 国的环 境形 势 异 常严 峻 ．长 期积 累 的环境 问题 和新 污染 源 的 出现 使
图 １ 高 功 率 脉 冲 电源
生 存环 境 进 一步 恶 化 。 境 状 况对 经 济 发展 和 社会 环 稳 定均造 成 了重 大 的影 响 ，成 为制 约我 国社会 经济 发 展 的主 要 因素 。 年来 ， 近 电力 电子技 术 中 的脉 冲 功
不 同可 以分 布在 脉冲 电源 的不 同位 置 。 高 功 率脉 冲 电源 首 先 将 能量 储 存 于初 级 能 源 ，
率 技术 开始 大量应 用 于污 水处 理 、 气 处理 、 电除 废 静 尘和 杀菌 消 毒等方 面 。 旧的处理 方式 相 比． 冲 功 与 脉 率技 术处 理 具有 高效 、 能等优 势 ， 节 逐渐 成 为环 境 工 程 中重要 的 处理手 段之 一 。
现 阶段 常用 的初 级 能源 主要 包括 ：以 电场 形 式 储 能 的 电容 器或 者 Ｍａｘ发 生器 、 ｒ 具有 磁 能 的 电感 或 者 脉冲变 压 器 、具有 一 定转 动惯 量 的各类 机械 能 发 电机 、 学 能装 置 、 能装 置 。 化 核 常 用 的 中 间储 能 系 统 和脉 冲 成 形 系 统包 括 ： 脉 冲 变压 器 、 性 传 输 线 （ 成 线 ） 感 性 储 能器 、 容 形 、 磁通 压缩 器 （ 磁放 大器 ）磁 流 体发 电机 的通 道 发 电系统 、 、
２ 脉 冲 功 率 系统 发 展 概 述
２１ 脉冲 功率 装置 的构 成 ． 脉冲 功 率技术 ，就是将 缓 慢储 存起 来 的具 有较
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环境工程领域的脉冲功率技术应用
脉冲功率技术在我国高新技术发展中有着重要的应用,同时其应用范围也在不断地扩展,在民用部门、手工业、环境保护等领域都有着广泛的应用,并随着科学技术的发展对其的应用技术也在不断成熟。
随着生活水平和经济水平的上升,环境问题逐渐成为了众多人关注的焦点,对环境工程领域中的技术应用也提出了更高的要求。
一、脉冲功率技术简述
1.脉冲功率技术在我国的发展
在国际上对脉冲功率技术的研究是开始于二十世纪三十年代的,到六十年代,该技术就成为了一个独立的发展学科,之后美国、日本、俄罗斯等国家都对该技术开始了深入研究。
在我国,对脉冲功率的研究是开始于二十世纪七十年代末的,我国对它的研究是开始于“高功率电子束发器的研究”,“1979年北京高能物理所建成了当时我国最大的强流脉冲电子束加速器闪光—I,应用于射线模拟源”,随之而来的是对脉冲功率技术研究的高潮,层出不穷的强流脉冲电子加速器逐渐建成,进而为我国当时高新技术的研究,如准分子激光、集体离子加速、闪光射线照相、电磁轨道炮以及高功率微波等提供了很好的研究条件。
脉冲功率技术发展
(1)脉冲功率装置
通常来讲,脉冲功率的装置包括以下几个部分,如图所示:
图一:脉冲功率装置图示
(2)高功率脉冲发展方向
当前,高功率脉冲的主要发展方向有以下几方面,第一,元件储能密度还需要提高。
随着电容制造技术的提高以及分子工程技术的广泛应用,为储能元件储能密度的提高提供了发展条件,同时脉冲电容器储能空间也能够得到一定提升,这就有利于缓解大体积、大重量给脉冲功率系统带来的不良影响。
根据不同器件电气强度极限值不同,其要求的储能密度也是不同的。
但是,无论密度要求如何,电容的储能密度要远远低于电感储能密度,所以,不仅在我国,在国际上对这种电感储能高功率脉冲电源的研究也非常重视。
第二、发展重复高功率脉冲。
原来我国应用多是单次的脉冲功率技术,这种技术主要是为我国国防科学研究提供服务,应用范围与社会发展的要求产生了不可避免的矛盾,所以,为了适应民用、工业以及新兴领域对脉冲功率的要求,必须要发展重复频率高且具有平均功率的脉冲功率技术。
第三、高频、大功率开关技术的研究。
开关元件的相关参数对脉冲功率系统的整体都存在着一定的影响,这也决定了开关元件技术是脉冲功率技术中重点技术之一。
随着社会科技的发展以及应用要求的提高,同时,大功率全控型的产品器件被大量生产并且产品化,为开关技术的发展研究提供了可靠的器件基础,为此“高重复率脉冲电源转换开关和开关的串联均压技术被大量使用在脉冲电源中,并取得了较为理想的结果”。
第四,脉冲电源多元化发展。
脉冲功率应用范围的扩展给脉冲电源的技术标准提出了更高的要求,所以在未来的研究中要加大对脉冲电源多元化的发展,比如低成本化、小型化、多样化等。
第五,脉冲功率电源
超高功率输出技术。
近些年“高电压大功率多电平逆变技术”的发展为超高功率的输出技术的发展有着重要的意义。
二、环境工程领域脉冲功率技术的应用
1.脉冲功率技术在除尘中的应用
传统的除尘系统中在集尘极和放电极之间是使用直流的高压电源,这就导致了在除尘中出现了一些问题,比如,除尘的效率受到粉尘比电阻限制比较严重。
在高比电阻之下,粉尘的导电率是非常小的,所以粉尘就容易在集尘极端积聚,一旦粉尘集中太多就会很多电荷无法通过集尘极释放,进而也就导致了集尘层电势升高而产生电晕,相反极离子就会被动的进入电晕场,最终会导致粉尘吸收率严重下降。
而在比电阻比较小的情况下,电阻率就会比较高,负电荷和其转带的正电荷就会被大量释放入集尘极,同时因为电场力的存在,就导致了气流的进入,之后这一过程会重复进行,所以说,在这种情况下,除尘效果也不是很理想。
那么,若脉冲功率技术应用于除尘系统当中,就会解决以上的麻烦。
高压脉冲所制造的电晕流能够贯穿两级之间,这样就会使得在高比电阻情况下,积尘层被击穿,能够通过电荷的释放来抑制反电晕的发生,进而提高除尘效率。
除此之外,脉冲电晕能够在放点空间之内产生很多高能电子,它是一种气体成分,能够产生活性粒子,此时,除尘器除了吸尘之外还能消除粉尘携带的SO2以及有机物分子等,起到了净化空气,环境保护的作用。
在相等的电压之下,应用脉冲功率技术中的高压脉冲电源,能够比直流电源的使用跟家节省能量,净化空气、节能环
保,是该技术应用的环境保护效果,这也是该技术被大量应用于环境工程领域的重要原因。
2.脉冲功率技术在废水处理中的应用
由高压脉冲电源输出的电压波形有着前沿比较陡,脉冲比较窄的特点,如果将其施加在液相内部的非平衡电极中间,很容易引起处理对象的分子发生结构性的改变,其中,质量轻的电子在获得一定的能量之后就会变成高能的自由电子,在这种高能的自由电子运动时,会与其他分子发生碰撞,也就会导致水相化学过程的发生,会产生水等活性的物质,从而能够降解污水中的各种有机物。
在发生这些电化学反应过程中,因为分子被电离了,电子的跃迁会产生很多的物理效应,比如说超声波的产生、冲击波的产生等,而这些物理效应也会有力的降解有机物。
首先,电子辐射作用的产生。
在废水中会有很多的分子和原子,而脉冲电源放电会导致很多等离子体产生,而这些等离子体中又含有高能电子,这些电子会与废水中的分子发生碰撞,会产生很多活性粒子,比如过氧自由基、双氧水、水合电子、水合氢离子等。
其次,会产生臭氧氧化反应。
臭氧是一种强氧化剂,在水中的氧化途径如公式所示: 再次,紫外光线的分解作用。
在脉动电源放电过程中能够产生一些紫外光线,这些紫外光线对有害物质有分解作用。
最后,能够产生超声波作用。
液相的超声波能够产生很多的空化气泡,这些气泡能够裂解形成高压和局部的高温状态,这样就会产生氢自由基,同时,超声波还能够分解水中所含有的溶解氧。