專利名稱：一種組合脈沖形成網(wǎng)絡及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及了一種組合脈沖形成網(wǎng)絡。
背景技術(shù)：
高功率脈沖技術(shù)是通過把"慢"存儲起來的具有較高密度的能量從空間和時間上 進行快速的壓縮，轉(zhuǎn)換或直接輸出給負載來實現(xiàn)的。近50年來，高功率脈沖技術(shù)迅速發(fā)展 引人注目。目前，已經(jīng)能夠在很短的時間內(nèi)生成數(shù)十兆電子伏，高達數(shù)兆安培量級的強流電 子束和離子束。目前使用的規(guī)模較大的脈沖功率系統(tǒng)，其基本原理是首先生成電壓上升時 間為微秒量級的高壓慢脈沖，再由功率形成系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高壓大功率的快脈沖(電壓的上升 時間一般在納秒級)。 高功率脈沖技術(shù)在日益廣泛應用的同時，一些新的應用技術(shù)對高功率脈沖電源提 出了新的要求。以脈沖等離子體巖石破碎技術(shù)為例，該技術(shù)要求的脈沖電源在巖石擊穿前 后提供特性阻抗完全不同的電壓脈沖。具體的說，在巖石擊穿前，負載需要電壓上升時間 很短的高壓短脈沖來實現(xiàn)對巖石的電擊穿(脈沖上升時間< 100ns，電壓上升速率> 3kV/ ns);在巖石擊穿后，需要一段后續(xù)的長脈沖對電擊穿形成的等離子體通道進行加熱(脈寬 需要在200 500ns)，進而實現(xiàn)巖石的破碎。簡單的說，第一個階段需要電源提供高的電 壓(小的電流)，第二個階段需要電源提供大的電流(低的電壓)。然而，現(xiàn)有應用于這些 領(lǐng)域的高壓脈沖電源，如Marx發(fā)生器，L-C倍壓器等，都是同是同時提供高的電壓和大的電 流裝置，當負載的阻抗急劇變小時，大量的電功率都消耗在限流電阻上，不但浪費大量的電 能，而且發(fā)熱會引起電子器件的燒蝕，降低了電源的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種與變阻抗的負載相匹配的組合脈沖形成網(wǎng)絡及方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是該組合脈沖形成網(wǎng)絡主要包括脈 沖形成線、儲能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，所述脈沖形成線的輸出端分別與儲能電容器的 高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸入端 連接。 進一步地，本發(fā)明還包括初級高壓脈沖充電電源，該初級高壓脈沖充電電源與脈 沖形成線的輸入端相連。 本發(fā)明形成組合脈沖的方法主要包括以下的步驟 (1)利用初級高壓脈沖充電電源對脈沖形成線和儲能電容器進行充電； (2)脈沖形成線和儲能電容器充電到預定值后，導通開關(guān)，生成與儲能電容器上電
壓幅值相等的高壓短脈沖，該高壓短脈沖由脈沖傳輸線傳輸?shù)截撦d上； (3)當所述高壓短脈沖衰減到一半時，脈沖形成線生成后續(xù)的長脈沖，該長脈沖經(jīng) 脈沖傳輸線傳輸?shù)截撦d上，由此形成所述組合脈沖。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點是該脈沖形成線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)在負載阻抗高時提供高電壓使其擊穿，負載阻抗變低后提供后續(xù)的長脈沖實現(xiàn)對其特定的物理加工或 化學反應。與現(xiàn)有的高壓脈沖電源相比，本發(fā)明不需要在電路中加入大的限流電阻(該限 流電阻在現(xiàn)有的高壓脈沖電源中是為了減弱大電流對電源內(nèi)部器件的沖擊)，因而大大提 高了能量利用效率，電源的壽命也得到了極大的提高。該組合脈沖形成網(wǎng)絡可以廣泛應用 在等離子巖石破碎、材料的電加工等領(lǐng)域。
圖1是本發(fā)明一種組合脈沖形成網(wǎng)絡的工作電路圖； 圖2是本發(fā)明一種組合脈沖形成網(wǎng)絡應用于脈沖等離子體鉆井技術(shù)時的工作電 路圖。
具體實施例方式
在圖1中，初級高壓脈沖充電電源1的輸出端連接到脈沖形成線2的輸入端；脈沖 形成線2的輸出端分別與儲能電容器4的高壓端和開關(guān)3的陽極相連，儲能電容器4的低 壓端可靠接地，開關(guān)3的陰極與脈沖傳輸線5的輸入端相連；脈沖傳輸線5的輸出端與負載 6的工作電極相連。 本發(fā)明組合脈沖形成網(wǎng)絡中的脈沖形成線2可以采用同軸電纜、平板脈沖形成 線、人工形成線或其它任何形式的脈沖成形系統(tǒng)；儲能電容器3為低電感、可重復充放電的 高壓陶瓷電容或其它形成的電容；開關(guān)4為低電感、耐高壓和長壽命的大電流開關(guān)。
利用本發(fā)明組合式脈沖形成網(wǎng)絡形成組合脈沖的方法是初級高壓脈沖充電電源 1給脈沖形成線2和儲能電容4充電直至預定值。充電結(jié)束后，開關(guān)3的觸發(fā)裝置發(fā)生動 作并使開關(guān)3導通，生成與儲能電容器4上電壓幅值相等的高壓短脈沖，該高壓短脈沖由脈 沖傳輸線5傳輸?shù)截撦d6的工作電極上，負載6在短脈沖高壓作用下發(fā)生擊穿，特性阻抗下 降，當短脈沖高壓幅值衰減到一半時，脈沖形成線2生成后續(xù)的長脈沖繼續(xù)對負載6供電， 實現(xiàn)對其特定的物理加工或化學反應。經(jīng)過一段時間，又重復上述過程，達到所要求的重復 頻率。負載6在擊穿前后，特性阻抗變化很大，該組合式脈沖形成網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)與這類變阻 抗的負載相匹配，與現(xiàn)有應用于這類變阻抗負載的高壓電脈沖電源相比，大幅度提高了能 量利用效率和延長了電源的使用壽命。 如圖2所示，當本發(fā)明組合脈沖形成網(wǎng)絡應用于脈沖等離子體鉆井技術(shù)時，初級 高壓脈沖充電電源1采用50Hz、220V的普通照明電源予以供電，用戶根據(jù)負載的需求設(shè)定 充電電壓和充電頻率，當電壓達到設(shè)定值后，即停止充電，并觸發(fā)晶閘管開關(guān)導通，對脈沖 形成線2和儲能電容器4充電(充電電壓大于40kV)。本實施例中，開關(guān)3采用的是自觸發(fā) 式火花開關(guān)，具體的說是該開關(guān)的觸發(fā)回路是由觸發(fā)電感8、觸發(fā)電容9和觸發(fā)電阻10組成 的，其工作過程是觸發(fā)電容9和儲能電容器4同時被充電至最大值，由于觸發(fā)電容9的電 容值遠小于儲能電容器4的電容值，觸發(fā)電阻10上的電壓會迅速的跌落，火花間隙11在過 電壓下?lián)舸Ｉ傻母邏憾堂}沖傳入脈沖傳輸線5，脈沖傳輸線5將生成的組合脈沖傳輸至 巖石7的工作電極上。巖石在高壓短脈沖的作用下發(fā)生擊穿。脈沖形成線2生成后續(xù)低電 壓長脈沖(約20kV，脈寬300 500ns)對等離子體通道加熱，實現(xiàn)對巖石的微爆。重復上 述過程，可達到數(shù)百Hz的脈沖頻率，從而實現(xiàn)對巖石的快速鉆井。
其中，采用相關(guān)部件的性能參數(shù)是初級高壓脈沖充電電源7的充電電壓0 100kV，標稱功率3kW，脈沖輸出能量1 20J連續(xù)可調(diào)，充電重復頻率1 50J連續(xù)可調(diào)。
脈沖形成線8采用5根5米長的RG218電纜并聯(lián)而成。
儲能電容器4由8個2. 8nF的高壓陶瓷電容并聯(lián)而成。 開關(guān)3為LCR觸發(fā)的多級多通道火花隙開關(guān)。觸發(fā)電感8大小為30nH，觸發(fā)電容9的電容值為400pF，觸發(fā)電阻10的電阻值為1MQ 。 脈沖傳輸線2為1根10米長的水電纜，該水電纜的特性阻抗為4 Q 。 等離子體鉆頭電極為3對針狀電極，高低壓電極間距為3mm，絕緣液選用去離子水
(電導率小于1 P S/cm)，破碎的巖石為砂巖。本組合脈沖形成網(wǎng)絡運行參數(shù)是 峰值功率200麗 電壓峰值40kV 高壓短脈沖的上升時間< 30ns 后續(xù)長脈沖脈寬300 500ns 脈沖重復頻率50Hz 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)巖石的快速鉆井，破碎巖石的電耗< 500J/cm3。
權(quán)利要求
一種組合脈沖形成網(wǎng)絡，其特征在于包括脈沖形成線、儲能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，所述脈沖形成線的輸出端分別與儲能電容器的高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種組合脈沖形成網(wǎng)絡，其特征在于還包括初級高壓脈沖充電 電源，該初級高壓脈沖充電電源與脈沖形成線的輸入端相連。
3. —種使用根據(jù)權(quán)利1的脈沖形成網(wǎng)絡形成組合脈沖的方法，其特征是包括以下的步驟(1) 利用初級高壓脈沖充電電源對脈沖形成線和儲能電容器進行充電；(2) 脈沖形成線和儲能電容器充電到預定值后，導通開關(guān)，生成與儲能電容器上電壓幅 值相等的高壓短脈沖，該高壓短脈沖由脈沖傳輸線傳輸?shù)截撦d上；(3) 當所述高壓短脈沖衰減到一半時，脈沖形成線生成后續(xù)的長脈沖，該長脈沖經(jīng)脈沖 傳輸線傳輸?shù)截撦d上，由此形成所述組合脈沖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種組合脈沖形成網(wǎng)絡及方法。該組合脈沖形成網(wǎng)絡主要包括脈沖形成線、儲能電容器、開關(guān)和脈沖傳輸線，其連接關(guān)系是脈沖形成線的輸出端分別與儲能電容器的高壓端和開關(guān)的陽極相連，儲能電容器的低壓端接地，開關(guān)的陰極與脈沖傳輸線的輸入端連接。本發(fā)明組合式脈沖形成網(wǎng)絡可實現(xiàn)與變阻抗負載相匹配，在負載阻抗高時提供短脈沖高壓使其擊穿，在阻抗變低后提供后續(xù)的長脈沖完成對負載特定的物理加工或化學反應。與現(xiàn)有應用于這類變阻抗負載的高壓脈沖電源相比，該組合式脈沖形成網(wǎng)絡大大提高了能量利用效率和延長了電源的使用壽命。
文檔編號H02J15/00GK101777850SQ20091015667
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者章志成, 章旭明, 鄧官壘, 閻克平 申請人:浙江大學