脉冲功率储能技术电容器.ppt

第2章 脉冲功率储能技术,高能量密度 高耐压强度 高放电电流 长存储时间（低能量泄漏） 高充电与放电效率 高功率倍增（放电输出功率/充电输入功率） 高重复频率和长使用寿命 低成本,根据系统的实际需要和环境的限制进行折衷。,脉冲功率中能量储存的要求：,储能方法 电容储能 电感储能 机械储能 化学能储能,几种储能技术比较,脉冲电容器,电容 C 储能 W=（1/2）CU2 U 充电电压,C=0A/d 电容量与面积A和成正比 与介质的厚度成反比,利用电场储能,电容器集中参数电路模型,串联电阻Rs 0.1欧姆量级 来自于导线，接片，电极,并联电阻R 穿过绝缘介质和沿材料表面的电流泄漏,电感L 依赖于电容器内部结构，但他决定输出电流的最大值，IP=U(C/L)1/2,电容量和漏电阻与温度、电压、湿度以及存储时间有关。环氧树脂和聚酯薄膜的介电常数随温度变化更大。,电容器的耐压强度不仅与绝缘介质的击穿电压决定，还受形状、面积、连接部位的材料以及他们与绝缘材料的吻合性等因素有关。耐压强度还受使用条件的限制，如温度、压力、湿度和电压极性反转等的影响。,电容器的寿命,电容器的使用寿命与相对于额定电压的充电率和充电电压的极性反转有直接关系。,脉冲功率应用中要求电容器的充放电大于108，为了达到这个要求，通常要限制电容器的充电电压，使其低于额定电压。,电容器的寿命,极性反转，如果电荷从金属阴极注入到绝缘介质中，那么在电压反转时空间电荷会起到增强电场的作用。一量局部电场超过击穿场强，便会对电容器绝缘材料造成破坏。,电容器故障的三个原因,边缘绝缘带附件的沿面放电 介质中空隙或杂质的击穿 压接接头或其它部位 的电弧放电,自愈式电容器,电容储能,高压脉冲电容器：内感尽可能地小，能够多次重复短路放电。2kJ/kg 双电层电容器储能密度达30kJ/kg 电容器串并联 蓄电池电容器组合 经典marx发生器 新型marx发生器（高效能，电感隔离型） L-C倍压器,电容器组放电,电容器组脉冲放电装置非常简单，但用途却非常广泛。 受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点，脉冲强磁场。 电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模拟，液电爆炸，飞行器除冰等。,电容器组放电脉冲电路,线性负载放电条件,(1)脉冲电流的幅值Im均与电容储能W和电感值有关。若增大Im，减小电感L，增大电压U0或增大电容C。 (2)回路电流幅值Im与放电回路电阻R有关。R减小，可以使U0/R增大。 (3)电流上升率Ldi/dt=U0。,放电电流与a的关系,电容器组放电技术要点,减小回路电感：如果满足脉冲功率技术中电流上升陡度大的要求，应当减小回路电感。 低感电容器 在结构上采取合理措施。 电容器并联 圆形对称排列，引线电缆长度相等。,电容器组放电技术要点,电动力：由于运行电流可达100MA，在导线间产生极向的电动力。这种力随导线间距离的减小而增大，但距离减小时电感也减小。 在这个矛盾下，首先应当满足减少回路电感的要求，然后再考虑加固导线的机械强度防止物电动力的破坏。 传输线应具备： 较小的电感和电阻，或较低的波阻抗； 能承受较大的电动力； 连接点有很好的接触，以减少接触电阻； 足够的绝缘强度。,电容器组放电技术要点,保护：如果已充电的电容器中某台电容器内部绝缘被击穿，储存在其它的电容器的能量势必在极短的时间内释放给这台故障电容器，发生爆炸事故。必须对电容器采取相应的保护措施。 电阻保护 熔丝保护,电容器组放电技术要点,充电：对小容量电容器组，通常采用整流电源恒压充电。对于几MJ储能的电容器组，使用恒压方法充电将导致充电时间过长。采用恒流充电，可以把充电时间缩短几倍。 恒功率充电,转换技术：对一般容量电容器组放电，通常采用三电极球隙开关。为了减小触发的分散性和开关电感，提高击穿场强，一般将球隙形状置于充气的压力容器内，电极材料采用石墨或铜钨合金。 对于MJ的电容器组，采用多个开关并联，减小烧蚀和增加开关寿命，减小放电回路电感和电阻，有利于实施电容器保护。但大量的开关给严格同步带来很多困难。,高电压发生器,双边充电Marx 发生器,其他几种Marx 发生器结构形式,Marx发生器的部件,电容器 火花开关 电阻 连接导体 触发方式 变压器油 绝缘,电容器,电容器 合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型电容器，它具有较好的耐冲击电流性能，其储能密度达0.15J/cm3，单只电容器（KJ量级）的总电感可低达10-30nH。 “自愈式”电容器，采用镀有金属薄膜（0.1um量级）的有机薄膜或电容器纸在超净条件下紧密卷绕制成，无需油浸，储能密度达到1J/cm3量级。,自愈：自愈式电容器发生局部放电而导致绝缘击穿时，绝缘膜两侧放电通道附近很薄的金属膜可以被放电电流气化，从而使绝缘得到恢复，只伴随微小的电容损失。 自愈式电容器目前还很难在有较大的电流、反峰或上升电流率的情况下使用，耐受大冲击振荡电流的能力较油浸式电容器弱很多。,火花开关,两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电部件，它利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体传导通道而接通电路。 三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极，可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工作性能。,火花开关,气体火花开关还可以利用激光、X光、电子束等进行触发，Marx发生器的气体火花开关通常都是电触发的。 气体火花开关可以说是Marx发生器中最为关键的部件。基本要求是电感小、性能稳定、寿命长。 性能稳定分静态稳定和动态稳定。 静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。 动态性能稳定指开关在触发脉冲或瞬态过电压（高于直流击穿电压的瞬态）作用下击穿时具有足够小的击穿延迟时间分散性。,电阻器,水电阻：功率容量大，阻值范围大，柔韧性好，适应性强。 缺点：液体包容部件的朔料软管容易老化，受气温影响较大，安装使用过程中易残存和析出气体等。 在功率不大的情况下，总储能很小，开关数量很少时，可以使用绕线式电阻器。,电阻器,充电电阻，接地电阻，触发电阻 选取电阻器除了要考虑功率问题以外，还要保证其与相应电容器的时间常数要远远大于发生器对其负载的放电时间。 触发电阻除要考虑自身功率和相应电容器常数外，还要限制触发电流以保护触发器。,水电阻设计要点,竖直安装，阳极朝上。 宜短不宜长。 硫酸铜作电解质，选紫铜材料做电极。 氯化钠（氨，钾）作电解质，电极用不锈钢 硫带硫酸钠作电解质，采用铝电极。,连接导体,避免有尖锐的棱角 短而宽的形状 设计时需要详细计算每一段导体的电感，进行优化，以控制总电感在接受范围之内。,Marx发生器的同步特点,Marx发生器由并联充电转变为串联放电是靠点火击穿第一级间隙或前几级间隙，其余间隙靠自然过电压而逐个击穿，最后输出间隙击穿，产生输出高压，这个过程叫同步。通常发生器建立时间的分散性（抖动），来表示同步的好坏。,点火间隙通常用三电极或带中间平面的场畸变开关。影响同步的主要原因是火花间隙放电的分散性，以及电路中由于寄生电容的影响，使得某些环节自然过电压倍数（定义为间隙上瞬态脉冲电压与静态自击穿电压之比）降低。为了使发生器工作可靠，同步良好，要求过电压倍数超过间隙放电的分散性范围，有人认为过电压倍数不应低于1.2。,改善同步性能，减小抖动的方法,减小每个火花间隙放电电压的分散性。,选择合适的电极表面曲率以改善电场分布，保持充气压力恒定。 采用适当的回路布置，增加自然过电压。 采用外触发来迫使间隙击穿。 处于大气中的火花间隙，可以放电产生的紫外线照射。,加速器用电子束和射线，对发生器的同步性有严格要求。 一般发生器的抖动时间为几百ns，近年来可以作到50ns，有的可以到10ns。 我国闪光号马克斯发生器的抖动时间为100ns左右。 现在采用多极间隙开关，不是利用自然过电压，而是靠触发脉冲点火。每级点火后，开关会送出一个脉冲电压给下一级多级间隙开关点火，同步性较好。,LC倍压器,R.A.Fitch和V.T.S.Howell于1964年提出的反相叠加型LC倍压器，类似于Marx发生器。,优点 火花球隙数目减少，且不与电容器链串联，减小了主回路电感，使负载脉冲电压有较快的前沿和较高的幅值。 结构简单。,缺点 各球隙需要同时触发，且分散性小。 不允许开关触发失败。,对触发器的同步性要求较高，不适用于多级工作，常用作低压大电流的高功率脉冲电源。,设计中注意的几个问题,设计适当的回路电感、电阻 电动力 故障情况下能量释放电路 保护电路 开关,在实际应用中，为了增加电容器储能的脉冲发生器的能量，以及减少电感，通常将多台电容器并联，或者多组电容器并联作为储能单元，在每台电容器上安装一个开关，或者在每组电容器上安装一个开关，这时，要求所有的开关同时合上，将所有电容器储存的能量传输给共同的负载，但是，实际实现起来是比较困难的。,并联电容器发生器电路,可以看出，输出功率的大小主要受到电路电感，包括负载电感的影响。在s合上之后，电容上的电压将加到上，使的s两侧的电压接近相等，这样，开关s将不易被击穿（导通），要尽量避免这种情况。 当电容器并联运行时，抖动时间应尽可能地小，以保证多个开关能接近同步导通。,由于开关的击穿时抖动现象难以避免，在电容器储能的脉冲发生器中，开关的数目尽可能地少。通常将多个电容器并联接成一个电容器组，由一个开关控制。,左图所示电路就是多个电容器并联后，由一个开关控制的接线方式，为电容器的保护电阻。,陡脉冲形成技术,降低回路电感 开关电感 传输线电感 电容器电感 无感电阻 利用传输线产生陡脉冲 放电间隙的快速导通形成陡脉冲 利用陡化电容器 利用爆炸丝,利用陡化电容器,传输线可作为陡化电容器 陡化电容器 效果比较,Marx,C,负载,在一般的Marx发生器中，即使开关间隙充以高压气体，但由于回路本身存在固有电感和 电容，不能使输出的脉冲前沿变得很短。,电容陡化波形,如果Cr的充电时间足够长，在G放电前发生器内容的过渡过程已经结束，则在间隙放电过程中，负载上的电压波形最初主要由第二回路的参数决定。然后再由第一回路参数决定。,也就是说，负载上的电压脉冲前沿是由r放电的贡献形成，随后发生器的继续放电，形成负载脉冲的后沿。如果最佳控制的闭合时间，将可以使脉冲前沿更小。,加陡化电容器后电路,加陡化电容器后等效电路,利用爆炸丝,Marx,负载,在脉冲功率技术中，有时用Marx发生器直接向电阻性负载放电。但由于固有电感的影响，致使脉冲前沿陡度降低。在大功率时，采用电爆炸导体代替上述的陡化电容器，具有更简单和廉价的优点。 所谓电爆炸导体方法，就是用适当的金属丝或箔来改善输出电压波形，减小回路损耗，增加工作的可靠性。 可以获得高压试验所需要的“截波”。,F的断路时间与的横截面积，根数和电加热时间有关。减小的直径d和加热时间并适当增加根数，能使前沿变小。,选用的爆炸导体应足够长，以使它能承受住加在其上的电压而不发生沿面放电。 此时将出电流暂停现象：截断电流之后，经过一段时间t