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:6313
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、0.5A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3（b）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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