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軌道開關控制100kA高功率脈沖源

來源: 編者:郝 靜1,鄧維軍2,張希鵬1 發布時間:2014-02-20

摘要:簡述了一種用于工件表面納米噴涂的脈沖電源的基本工作原理,采用常壓下的軌道開關進行控制,分析了軌道開關的設計和導通特性。實際運行表明,該開關噪聲小,工作穩定,壽命長。該設備現已用于納米噴涂的研究和生產中。
關鍵詞:納米噴涂;軌道開關;高功率脈沖源
Abstract:
Keyword:

 

在實際生產生活中,軸承、齒輪等磨損器件的使用壽命不長,頻繁地更換大大增加了生產成本,因此,如何提高這些器件的使用壽命成為人們極其關心的問題,隨著研究的深入,在工件表面噴涂納米材料成為當今的研究熱點。其方法是利用金屬絲在瞬時脈沖的作用下爆炸形成納米微粒,覆著在工件表面,提高工件的耐磨性能,延長使用壽命。脈沖電源是這類研究中的重要設備,而開關是脈沖電源中的關鍵器件,在過去的設備中一般采用球間隙作為放電開關,結構簡單,但放電不穩,分散性大,噪聲也大,電極燒蝕嚴重,壽命短,僅能供實驗研究用。

本文設計的脈沖電源,采用軌道開關進行放電,通過開關的優化設計,工作噪聲小,放電穩定,壽命顯著增加。

2   電源的結構和原理

100kA高功率脈沖源的原理見圖1。`

 

圖中交流接觸器通流能力為150A,調壓模塊最大輸出電流為150A,T是30kV、0.5A變壓器,B是整流硅堆,其峰值電流大于2A,R1為10kΩ限流電阻,功率1kW,C為儲能電容,由六個30kV、8.5μF的電容并聯組成,R2、R3為取樣電阻,分壓比為1000:1,L為回路等效電感,R為負載電阻。交流220V輸入調壓模塊后,輸出有效值改變的交流電壓,該電壓經變壓器升壓后,并由硅堆整流,最后對電容充電。改變調壓模塊輸出電壓上升速率可以改變充電速度,從而實現對充電時間的控制。放電時,點火機觸發軌道開關,使其導通,電容經開關對負載放電。

3  常壓式軌道開關

3.1 軌道開關簡述

由于該設備主要用于生產,高功率閉合開關的壽命非常重要,為了延長開關的壽命、便于維護,我們選擇了廣泛用于脈沖功率技術領域的軌道開關。軌道開關是一種三電極式的間隙,它由兩個主電極和一個觸發電極構成,這實際上也是一種場畸變型三電極間隙,當合適的觸發脈沖到達后開關工作于多弧道狀態。如圖2所示。這種形狀的開關電感低,多弧道,容量大,開關放電時延分散性小,工作范圍寬,并且具有低的電極燒蝕率,壽命長[1]。其工作原理是:觸發前主電極間隙電場均勻,開關不放電;觸發時,觸發脈沖引起主電極間電場強烈畸變,局部場強接近場致發射電場強度,間隙迅速放電 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 常壓式軌道開關的設計

為了便于清潔維護開關,我們設計了如圖2所示結構的常壓式軌道開關[2,3],其主間隙16mm,觸發間隙距離陽極的長度也為16mm,距離陰極的長度為8mm,電極長度為35.4cm,設計工作電壓30kV,觸發電壓-30kV,為了提高開關的觸發性能,觸發電極處于10kV偏壓狀態下[4,5]

3是利用軟件Ansys計算得到的觸發前與觸發時的電場分布圖。

3a)表明,觸發電極的引入并沒有改變主間隙的電場均勻性,從圖3b)看出,觸發時刻主間隙電場劇烈畸變,在陽極和觸發電極之間電場畸變厲害,在觸發電極附近場強達到最強。放電從這里開始,接著陰極擊穿,導致整個間隙順利擊穿放電。整個間隙從斷開到閉合的時間可以在ns時間內完成。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

軌道開關電極材料的性能也是影響開關壽命和性能的重要因素。我們可以用材料的抗侵蝕性能指數K來表征電極材料的性能。

   或     (1

式中C為比熱容,ρ為密度,λ為熱導率,Tm為熔點,σ為電導率,根據式(1),金屬材料的抗侵蝕能力與材料的比熱、密度、熱導率、電導率和熔點有關,并且材料的熔點越高、電導率越大,其抗侵蝕能力越強。根據式(1),結合多年的實際經驗,我們選擇了黃銅作為主電極和觸發電極[6]

為了降低開關導通過程中的噪聲,結合開關的外部形狀,在開關的兩端設計了消聲器,有效的吸收了導通過程中產生的噪聲,經過測量, 10m處的放電噪聲在40dB左右。

。。。。。。



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