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線形變壓器帶動源探討概論

2012-11-27   浏覽2045人   上一條資訊   下一條資訊

  技術優勢LTD獨特的電路結構賦予其諸多優點:(1)LTD中的電容器充放電均爲並聯進行,在次級實現電壓疊加,初級工作電壓低(<200kV),絕緣要求降低。(2)作爲初級儲能,可提供較短的脈沖輸出,節省脈沖壓縮段,使裝置比較緊湊,降低了裝置造價。(3)快脈沖LTD可提供100ns以下的短脈沖,可直接驅動Zpinch、二極管等負載。

  使用模塊化LTD,輸出參數可以靈活調整。如輸出極性、輸出電壓及阻抗的改變。LTD的研究現狀LTD的概念20世紀70年代就已提出,迄今爲止LTD技術的發展經曆了三個階段,技術日益成熟展示出廣闊的應用前景。

  提出原理與初步應用從20世紀70年代到90年代初,是LTD技術的最初發展階段,LTD技術的原理被提出並得到初步應用。俄羅斯大電流所(HCEI)的G.A.Mesyats和B.M.Kovachuck是LTD技術的先驅。1979年,G.A.Mesyats等人研制了用于産生高溫等離子體的Modul裝置,其初級儲能源首次應用了LTD技術,是LTD技術研究的開端。此時,LTD被命名爲LPT,Modul裝置的LTD由28級模塊串聯,每級模塊由2個電容器(3F,40nH,50kV)和2個火花開關串聯組成,正負充電,輸出參數爲2.3MV/1.4s.從1987年到1997年,HCEI陸續研制了SNOP2、SNOP3系列裝置和MIG多用途裝置。這些裝置的初級儲能源均采用了LTD技術,SNOP3裝置的LTD由24級模塊串聯組成,輸出參數爲2MV/1.3s;MIG裝置的LTD由60級模塊串聯組成,輸出參數爲6MV/1.3s<2>。

  在此發展階段,LTD均作爲初級儲能源爲水介質脈沖壓縮段充電。裝置的電容器和開關構成的初級回路結構松散,回路電感較大(約450nH),不利于快脈沖輸出;初級回路工作于空微秒量級LTD模塊氣中,並未密封于金屬殼體內,運行維護方便,但工作電壓較低且不利于裝置緊湊化;相鄰模塊間相互絕緣,初級電流全部繞過磁芯;次級采用甘油浸漬的絕緣介質膜來絕緣。

  模塊系列化、標准化從1995年到2000年,s量級的LTD技術發展成熟,初步形成系列化、標准化模塊,並開始應用于大型裝置中。

  CEG與HCEI合作,計劃采用s量級LTD作爲初級能源,采用電感儲能方式,用POS實現脈沖壓縮,再經多路並聯獲得大電流,建造大型PRS輻射源裝置(計劃30MA)。1997年,報道用HAEFELY電容器(5.6F/75kV/10nH/50m)和同軸多級多通道開關(90kV/20nH/1MA)構成子塊(單向充電),兩個子塊並聯構成一個LTD模塊,並以此爲基礎建成了一個20級模塊串聯的單路裝置,末端用POS實現脈沖的最後壓縮<5>。後來,SYRINX研究方向調整爲探索用磁通壓縮的方法實現功率增益。2000年,報道已建成的原理驗證裝置ECF1儲能600kJ,由6路LTD並聯組成,每路由4級LTD模塊串聯組成。其中2路爲次級發生器,輸出參數爲250kA/1s,用于産生磁通;4路爲初級發生器,輸出參數爲2MA/1s,用于驅動等離子體套筒壓縮磁通。2002年,ECF1裝置升級爲ECF2,采用16路LTD並聯,每路10級,其中初級發生器12路,次級發生器4路,總儲能爲3.6MJ.ECF2裝置使用了新的LTD03模塊,LTD03模塊采用了HAEFELY電容器(4F/90kV/10nH/15m),運行時充電75kV;矩形多級多通道開關(4nH),極間均壓用漏電電阻代替電暈針,開關工作于大氣壓空氣中。模塊輸出電流大于1MA,1/4周期爲800ns.ECF2經磁通壓縮後對負載的輸出電流爲14MA.ECF2裝置計劃增加LTD並聯路數和每路LTD模塊數,並擬采用二級磁通壓縮來實現脈沖壓縮,以擴大到更大規模(60MA)<6>。ECF2用于磁通壓縮的研究于2003年截至,裝置經改造用作長脈沖(約1s)PRS驅動源,並重新命名爲Sphinx.Sphinx由12路LTD並聯組成,每路8級模塊串聯,總儲能爲1MJ.計劃至2006年升級至16路,每路10級,總儲能爲3MJ,X射線産額超過100kJ<7>,現已完成16路並聯,每路8級串聯,單級模塊進一步改進,使之能夠運行在70kV,模塊命名爲LTD05<8>。ECF系列裝置及Sphinx裝置開創了LTD多路並聯的先河,也是唯一儲能達到MJ量級的LTD綜合系統。

  該階段,LTD的模塊設計開始集成化和標准化;初級回路設計采用了類似感應電壓疊加器(IVA)感應腔的結構;電容器和開關等關鍵器件的性能有很大改善;電容器和開關集成爲一體全部密封在金屬殼體內,裝置緊湊,大大減小了初級回路電感(約110nH)且整個裝置外殼在運行時始終處于地電位。

  討論LTD技術經曆了近30年的發展,目前快脈沖LTD技術成爲發展的重點。主要的需求牽引和發展方向有:第一,用于ICF點火乃至未來慣性聚變能(IFE)研究的超大型Zpinch驅動源,100ns量級的LTD模塊向電流水平更高、重複頻率運行方向發展。第二,作爲驅動各種類型二極管用于閃光照相的驅動源,脈寬50ns左右的LTD向重複頻率運行,參數調整靈活方便、結構緊湊、運行高效可靠的方向發展。第三,作爲磁驅動等熵壓縮(ICE)驅動源,LTD向驅動電流波形調整靈活可靠、運行高效的方向發展。

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