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轨道开关控制100kA高功率脉冲源

来源: 编者:郝 静1,邓维军2,张希鹏1 发布时间:2014-02-20

摘要:简述了一种用于工件表面纳米喷涂的脉冲电源的基本工作原理,采用常压下的轨道开关进行控制,分析了轨道开关的设计和导通特性。实际运行表明,该开关噪声小,工作稳定,寿命长。该设备现已用于纳米喷涂的研究和生产中。
关键词:纳米喷涂;轨道开关;高功率脉冲源
Abstract:
Keyword:

 

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

100kA高功率脉冲源的原理见图1。`

 

图中交流接触器通流能力为150A,调压模块最大输出电流为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,网上正规博彩集团网址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。如图2所示。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,网上正规博彩集团网址设计了如图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]

3是利用软件Ansys计算得到的触发前与触发时的电场分布图。

3a)表明,触发电极的引入并没有改变主间隙的电场均匀性,从图3b)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。网上正规博彩集团网址可以用材料的抗侵蚀性能指数K来表征电极材料的性能。

   或     (1

式中C为比热容,ρ为密度,λ为热导率,Tm为熔点,σ为电导率,根据式(1),金属材料的抗侵蚀能力与材料的比热、密度、热导率、电导率和熔点有关,并且材料的熔点越高、电导率越大,其抗侵蚀能力越强。根据式(1),结合多年的实际经验,网上正规博彩集团网址选择了黄铜作为主电极和触发电极[6]

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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