脈沖電抗器之脈沖功率源技術的發展

       隨著現代科學技術的發展，電磁發射作為一種新的發射技術在許多領域引起了關注，其應用在火炮發射上，可以使彈丸獲得優于傳統化學武器的高速度；應用在航空母艦艦載飛機彈射起飛上，可以大幅度簡化彈射裝置：甚至有可能在未來的火箭發射上取得了一定的成果。電磁發射與傳統發射的不同主要在于其能量的利用形式上。傳統發射多使用化學能，而電磁發射主要是將電能轉化成電磁能并利用其所產生的強大電磁力，將彈丸發射出去，而為電磁發射系統提供強大電能的就是電磁發射系統的重要組成部分——脈沖功率源。

      為了適應脈沖功率技術的發展，1976年在美國舉行了第一屆電氣與電子工程師協會(IEEE)脈沖功率技術國際會議，交流了研究工作的發展和成果。在1979年舉行了第二屆國際會議。之后，這類國際會議每兩年舉行一次。同時，隨著研究成果和參考文獻的日益增多和豐富，美國在1981年成立了脈沖功率技術文獻中心，向有關研究人員和部門提供研究資料。由于脈沖功率技術在軍事應用領域得到廣泛的應用，在1983年及以后，北大西洋公約組織的研究和發展機構多次舉辦了關于脈沖功率技術的高級研究講座，并出版了研究論文專集。

      現在，各個先進工業國家的許多軍用和民用研究部門、高等學校等都在積極展開脈沖功率技術及其應用的研究。例如美國的圣地亞國家實驗室、馬克斯韋爾實驗室、羅斯阿拉莫斯科學實驗室、海軍武器研究中心、德克薩斯技術大學等；日本的東京大學、熊本大學等，都在從事脈沖功率技術的研究。目前已經將脈沖功率開發應用于許多領域，包括能源、空間、環境、電氣和材料等等，具體的應用如操作軌道炮，斷開開關和產生臭氧等等f”。

      電磁發射研究所使用的脈沖能源系統輸出功率高(達到G瓦級)，工作電壓高(幾～幾十千伏)，輸出脈沖電流大(幾十～幾百千安)。由于脈沖功率源必須根據負載的要求提供能量，所提供的電能調節范圍較寬。因此，脈沖成形網絡是高功率脈沖電源的核心I”。圖1．1為脈沖功率源基本原理的R．L．C放電回路圖中，c是儲能電容，L是電抗器，R是負載，S是高壓開關，VT是續流硅堆。首先，開關閉合，電容通過電感、開關和負載構成回路進行放電。此時設定適當的電感參數就可以將電流峰值和脈沖寬度限制在一定的范圍內，達到限流和調整帶寬的目的。當電容放電完畢，能量以磁能形式儲存到電感中。然后，開關斷開，電抗器中的能量通過電感、開關、負載和二極管回路提供給負載。

      早期的脈沖功率源裝置由于制作工藝的限制，在保證相關參數的基礎上，各元器件的體積較大，整個裝置占很大的空間，重量大，機動性差，給脈沖功率源的應用帶來很大的限制。如圖1．2所示為美國1994年研制中等口徑發射器時所用的脈沖電源，圖中螺線管狀的器件就是當時所用的電抗器，該電抗器是由PKD公司制造，一設計成螺旋線圈以減小徑向磁場以及漂移磁場。該電抗器直徑1．22m，高O．43m，裸露在空氣中，占很大空問，漏磁現象十分嚴重，但由于與其它元件相距較遠，電磁干擾相對影響不大∞1。

      近年來，國內外對能源系統的小型化，提高電效率和控制可靠性等技術措施進行了深入研究，特別在大功率固體開關技術、續流硅堆和聚合物電容器等方面的研究取得了很大進展，使脈沖功率源模塊的儲能密度，控制可靠性有了大幅度提高。 
 
      目前，我國已有的電容器儲能設備功率放大倍數較大，輸出峰值功率超過2GW，亞洲最大的儲能電感功率放大倍數大于1000倍，輸出峰值功率可達60GW，機械儲能的飛輪發電機組功率放大倍數為100倍，輸出峰值功率可達100MWl7。在電磁、電熱發射技術研究領域，國內外多采用以電容器為儲能元件的脈沖功率源，它由脈沖電容器、高壓大功率開關、高壓續流硅堆、調波電抗器及控制裝置等部分組成。圖1．3所示為緊湊型脈沖功率源模塊，該模塊中，電抗器、電容器和開關的體積小，各元件之問較為緊湊，電抗器儲能密度高，電源輸出功率大，符合現代脈沖功率源的發展趨勢。