补偿脉冲发电机

综述和述评·　补偿脉冲发电机　徐善纲张适昌　史黎明　

摘　要　本文介绍１近年来新发展起来的补偿脉冲发电机。它具有能量密度大，有“自　开关”特性，能连续运行，快速发出重复脉冲，价格低等优点。文中叙述了该发　电机的基本原理、结构，讨论了有关设计的问题。并指出该电机可硐作激光聚变系　统中闪光灯、电磁炮、托克马克等装置的脉冲功率源，也可硐作高电压、短脉宽系　统的初级电源。　

前　言　近年来高技术的迅速发展，及其在军事和民用上不断地得到应用，促使强脉冲功率技术　也随着有很大进展。在自由电子激光、准分子激光、核聚变、电磁炮、粒子束和激光武器、　材料表面处理以及半导体离子注入等方面，脉冲功率技术都是其关键技术之一。　般来说，对于脉冲功率源的要求是以如下的特性参数来表征的：能量、电压、电流、　脉宽及脉冲重复率。当脉冲间隔时间比脉宽大若干倍时，减小脉冲功率系统的初始功率源，　变得非常重要。在当前，贮能系统有静电、磁场、惯性以及电化学等四种形式。表１示出了　这四种贮能系统的特性…。目前广泛采用的电容器贮能系统，贮能密度低，体积、重量大，　价格昂贵，同时要实现连续脉冲比较田难，系统中需要要求很高的重复使用的大功率开关。　最近十几年来，利用旋转电机作为脉冲功率源的可能性已经得到证明。在托克马克、激　光闪光灯、电磁炮等装置上成功地利用了旋转电机作为脉冲功率电源　旋转电机用于脉冲功　率源有如下优点：（１）直接与初始功率源耦台ｊ（２）高贮能密度，（３）阻抗及脉冲波形可与　负载匹配；（４）适台于快速、多次重复运行｝（５）低价。　当然，并不是在所有场合，旋转电机作为脉冲功率源都是合适的。例如它不能直接用于　非常高电压（兆伏级）、短脉宽（微秒级）的场合。但在这样场合，可利用补偿脉冲电机作　为脉冲形成阿络的初级功率源。对于相当大的能量（ｎ兆焦）或者需要移动的场合，旋转脉　冲电机是很合适的。利用惯性贮能的旋转电机有着高的能量密度以及供给大电流的能力（电　源电压对内阻抗之比）。　用于脉冲功率源的旋转电机主要是单极发电机和补偿脉冲发电机。前者贮能密度大，但　输出电压低，实现重复脉冲困难，在电路中需要大功率开关。而后者虽然比单极发电机贮能　密度较低一些，但具有“自一开关”特性，很容易实现快速连续多次运行，不需要大功率开关　装置。本文主要介绍补偿脉冲发电机　

·１６·　电Ｉ电能新技术　丧１目前贮能系统的祷｛生　…术　装置ｊ　能量密度ｌ功率密度Ｉｌ电压ｊ电源阻抗短路电啻｝ｃ＿贮能时间　ｌ　ｊ典型脉宽ｌ　！　Ｉ　ｌ｛＇ｋＵｋｇ）ｊ（ｋｗ－／　）Ｊ　Ｊ（Ｖ）　ｊ（Ｑ）Ｊ（ｋＡ）　ｊ　（　）　

电场　电容器　１５ｋＪ　ｉ　０．２　ｌ　ＢＤ００　０．１—０．５ｍ　１０Ｄ００　０．２１２　５０　１０００　磁场　电感　（常温）　５ＭＪ　１．３　８２４　１～５（ｍ　）　３０００　０．００２　』５００　０．４５　（低温）　３ＭＪ　３，１　１０００　１－－１００（ｍ￣）　５ＯＤＯ　０．ＤＤ５　１０００　１．２　（超导）　０肚，ｌ　２．２　５０　＞１ｍ　１Ｏ００Ｏ　３　１０　２　

惯性　飞轮　（单极机）　ＢＭ　１　０　５　ｊ　Ｔ０　０．１—０．　１０Ｄ　１０—　２｛｝００　４１５　（补偿脉冲　２００ＭＪ　Ｊ　３．Ｂ　Ｊ　５　０．１—２ｍｓ－　６ＤＤ０　０．０８４　Ｔ１　２５，１　

发电机）　【　电化学　电池　５Ｍ］Ｉ　２００　『０３　１　ｓ　１２　０．０２　０．５　１０　

＝、基本原理和结构　补偿脉冲发电机是１９７９年由美国Ｔｅｘａｓ大学的Ｗ．Ｆ。Ｗｏｌｄｏｎ教授及其同事们所　首先研制的。它基本上是一交流单相同步发电机，而与普通的同步发电机不同的是除了电枢　绕组外，在定子磁极表面另有一套与电枢绕组完全一样的补偿绕组，补偿绕组通过滑环与电　枢绕组串联相接（图ｌａ）。当电枢绕组旋转时，二个绕组内电流产生的磁通时而同向，时而　反向，而电机的内电感在最大与最小之间周期性变化。当两个绕组的磁轴线相对准，而其产　生的磁通同向时，电机内电感为最大。当两个绕组的磁轴线对准，而其产生的磁通相反时，　电机内电感为最小。因而补偿绕组的作用是补偿了由于电枢绕组的阻抗而阻碍电机输出大电　流，也就是说最大可能的抵消电枢绕组内阻抗，以产生脉冲大电流　同时，在电枢绕组轴线　向补偿绕组轴线接近时磁通产生挤压，产生了高的感应电势，增大了电流脉冲的强度（图　ｌｂ）。　

１９９０年第１期　（ａ）原理　（６）输出特性　固１补偿脉冲发电机原理及输出特性　

·１７·　假定电机输出端短路，忽略电机绕组的内电阻。在最大电感Ｌ…时的电流为，。，在　最小电感Ｌ　ｉ　时产生最大电流，…，根据磁链不变原理，Ｌ　．　，。＝Ｌ　一ａ，…，，…＝　１０，其中Ｌ…／Ｌ　ｉ　＝ａ，称作压缩比，此为补偿脉冲发电机的重要参数。　图２表示了补偿脉冲发电机的基本结　构，定子有磁极，极上有激磁绕组，极面上　有补偿绕组，激磁绕组磁轴与补偿绕组磁轴　之间夹角为ｄ，转子有电枢绕组，并接至滑　环。　圈３表示了补偿脉冲发电机的等值电　路，其中　为澈磁磁场引起的在电枢绕组　中的空载电势。当其瞬时值为零，并由负到　正变化时取为坐标原点，则Ｅ＝Ｅｏ咖。ｆ式　中　ｏ为空载电势的举值｝　

一　普　圈２补偿脉冲发电机的基本结构　

：　“Ｉ　（ｂ】　、　圈３补偿脉　发电机盼等值电路　（４）电阻负载；　（６　电容氩载　

而　——电机转速（ｒ／ｍｉｎ），　尸——极对数，　Ｃ，月——负载电容，电阻，　ｒｔ——发电机内电阻，为补偿绕组电阻与电枢绕组电阻之和｝　ｕ。。。——输出电压，　电机内电感，随着转子位置的不同而变化，可以近似认为　

：　ｉ　＋　－　［１＋ｏａ日（∞ｔ—ｄ）］　根据等值电路，对电阻负载，其电势平衡方程式为：　Ｅ＝Ｅｏｓｍ∞ｆ＝—ｄ　（　ｉＬ）＋ｆｒＩ＋ｉＲ　

鲁＋ｆ等＋ｆｒｔ＋ｉＲ　

ｌ８·　

Ｃ　（１）　《电Ｉ电能新技术》　对于电容负载。　如。ｆ＝　ｄ（ｉ广Ｌ）＋ｆｒ　＋丢　ｄｆ　

￡鲁＋ｆ　ｄＬ　１＋　ｆ　（２）　分别求解（１）、（２）两方程，即可求得不同负载时的脉冲电流ｆ厦’　觇输出电压ｕ。“·。　在等值电路中开关ｓ决定了脉冲电流的起始时间，也决定了方程的初始条件。　对于补偿脉冲发电机，其固有的基本参数为：Ｌ…，Ｌ　ｎ，Ｅ０，ｒ－，∞，ｄ。对于不同　的负载及运行情况，设计时可以安排最合适的ｄ角，同时在运行时配台以合适的脉冲电流起　始时间。图４为一试验用补偿脉冲发电机不同的ｄ角时负载电流波形　。　发电机由原动机拖动到额定转速，转动系统存贮了惯性能。当输出脉冲耐，转速下降，　惯性船转换成电能。一般每个脉冲使转速下降５—２０％。在两个脉冲之间原动机拖动发电机　加速，惯性能恢复到额定值。　其力矩平衡方程式为　’　

，＝Ｍｌ＋，百ｄｃｏ＋Ｍ。　（３）　

（ａ）电搬　一　／　

图４　角对负载电流波形的影响　（ｂ１电容　时间　式中　埘　一原动机驱动力矩，　、　埘ｌ一电机电磁力矩’　，——转动系统的转动惯量，　

。——空载阻力矩，包括相应于风耗、机械摩擦损耗，铁耗的阻力矩。　

根据电压方程式，可以写出ｔ　１９９０年第１期　’ｌ９‘　髓：　＋　．＋　。　并得　詈ｄ　Ｌ＝　ｄｔ（　）　”　ｔ　㈨　

方程（　）左边，Ｆ。相应为电枢绕组切割外磁场引起电势而产生的功率，　筹为改变　系统回路电感外力矩在单位时间所作的功。右边—　Ｉ－￣Ｌｉ　）为系统磁场能量的变化，　ｒ　是消耗在电机内阻上的热功率，ｆ￡，。　为摘出功率。　因而电磁力矩　（　￡２　ｃｌｔ）０＼　，　

它包括两部分，一是电枢绕组的带流导体在外磁场中受到的电磁力矩，另一是为改变电枢绕　

三、旋转磁通压缩机　在补偿脉冲发电机里，定子除了补偿绕组以外存在激磁磁极和激磁绕组，造成结构上紧　张，励磁绕组还存在着损耗发热。分析补偿脉冲发电机能产生大电流脉冲的关键，是因有构　造及参数相同的补偿绕组和电枢绕组，而使电机内电抗发生周期性变化，二套绕组产生的磁　通相互挤压。因而只要在最大电感时、绕组内有一初始电流ｆｏ，随着电感减小，磁通挤压，　电流迅速增大，在电感堆小时，电流达到睾值，随后又迅速减小。所以可取消激磁磁极及激　磁绕组，而在最大电感时，从电机外部输入初始电流，能同样辈得大电流脉冲。这样结构的　脉冲电机又称旋转磁通压缩机。　其电路方程为　

电阻负载　

电容负载　电感　电磁力矩　

０＝　鲁＋　百ｄＬ＋ｉｒｉ＋　：０时，　ｆ＝ｆ。　ｏ：Ｌ鲁＋　等巾　＋　㈤　

ｆ：Ｏ时，　ｆ：　二　＋Ｌｍ，ｘ－２　Ｌ　

（１＋ＯＯ８。　）　

丢（一詈　）　，　．．　

四、几个设计问题　１．　补偿脉冲发电机的重要的技术指标是最大电感Ｌ…与最小电感Ｌｍｔｎ之比值，　“鸟Ｉ电稚新技术＊　即压缩比　，其比值越大，磁通压缩及电感补偿效果越好，产生脉冲电流越大，电机的增益　也越大。为此在设计中要尽量提高比值，也即使最小电感工…越小越好。最小电感实际上　是绕组的漏电感，在有铁芯的带槽结构里，槽漏感占了主要部份。为减小最小电感，～般考　虑采用无槽的空气隙绕组，绕组用环氧胶固定在定、转子表面。在电机运行时，绕组承受巨　大电磁力，并通过环氧胶传递给铁芯，因而要求环氧胶必须能承受高的切应力。　２．　定子的整块磁极限制了电感的变化和增加了电阻损耗。在补偿绕组和磁极之间设置　高导电率的屏蔽筒可以限制涡流电流损耗，但这样也限制了电感变化，甚至会使由于磁通压　缩产生的脉宽缩小不明显。因而提出了所谓被动补偿的结构。以铜圆筒放在定子内膛代替了　用导线绕成的补偿绕组和薄的铜屏蔽。铜圆筒作为电流返回路径和被串联接到电枢绕　。铜　圆筒的电阻相比线绕绕组的电阻可忽略不计，涡流电流损耗可减小。　３．　为提高贮能密度，必须减小电机重量，因而可考虑采用空气芯结构。以高强度复合　材料代替铁磁材料，这必然大大增加澈磁磁势，故可采用超导激磁绕组。经设计计算表明空　气芯补偿脉冲发电机比铁芯补偿脉冲发电机功率密度提高２０倍，贮能密度提高４．６倍．传　递能量密度提高３０倍　。空气芯补偿脉球发电机方案之一可采用高速旋转的复台环氧纤维　材料构成壳体，壳体内膛设有电枢绕组，带有激磁绕组及补偿屏蔽的定子在外转子内，高速　的外转子提高了系统的贮能“］。　４．　不同的负载对于脉冲电流的波形有着不同的要求，如电磁炮、托克马克需要平顶的　电流脉冲。闪光灯需要短宽度的尖峰脉冲，同轴感应加速器需要频率上升的脉冲列。因而对　于不同的具体应用如何设计出合适电流波形的补偿脉冲发电机至为重要　如电磁炮，为使弹　丸在炮膛内最有效的加速，需要平项的电流脉冲。故激磁绕组磁轴与补偿绕组的磁轴夹角ｄ　可设计为５７　，并控制电流脉冲开始时间为补偿绕组与电枢绕组的轴线相接近，而电机总　电感尚未达到最小值的时剡。由于在这位置，总电感较小，电流快速上升。转子继续旋转，　电感开始增加，在同　时捌由于ｄ角是５７。，感应电势正在增加。这些因素彼此补偿，使电　流保持平顶。接近脉冲末端，电感降低引起的电流增加，被弹丸在炮膛内加速而增加的负载　阻抗所补偿。由于这些作用彼此抵消，感应电压降低驱使电流快速到零，消除在电路内残余　的磁场能量，限制了弹丸出口处电弧