高压大容量金属化膜脉冲电容器提高储能密度的工艺改进与试验研究

高能脉冲功率电源之储能器件即金属化膜脉冲电容器往往具有电压高、容量大的特点,而以现有的基膜材料和制造工艺,其相关产品的体积也普遍偏大,制约了新概念武器在更多中小型武器平台上的推广应用,因此开展提高脉冲电容器储能密度的理论分析和实验研究具有迫切的现实意义。为此,基于典型的双向拉伸聚丙烯薄膜(国产),通过改进金属电极、串联形式以及封装工艺,研究了提高其储能密度的优化方案,并在高压大电流循环浪涌条件下完成了试验验证。结果表明:在同等储能密度条件下,利用该优化方案生产的脉冲电容器较改进前寿命提高了41.7%;在同等寿命条件下,储能密度提高了13.8%,说明该优化方案具有可行性。     

金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性

脉冲电容器作为爆磁压缩激励电流源的储能元件之一,通常要求单次可靠运行。正是由于单次运行,为脉冲电容器的过载工作提供了极大的可能。过载工作的电容器与额定电容器相比具有体积小、重量轻的优点,可实现爆磁压缩激励电流源的紧凑化。研究了不同温度下国产金属化聚丙烯膜脉冲电容器的过载特性,如过载运行的储能密度,放电电流及可靠度等。实验表明:在-45℃~60℃范围内过载运行这种电容器,其储能密度可达额定储能密度的1.8倍,同时在0.95的置信水平下,其过载运行的可靠度单侧置信下限为0.9,可以实现稳定可靠运行。     

金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究*

脉冲电容器作为爆磁压缩激励电流源的储能元件之一,通常要求单次可靠运行。正是由于单次运行,为脉冲电容器的过载工作提供了极大的可能。过载工作的电容器与额定电容器相比具有体积小、重量轻的优点,可实现爆磁压缩激励电流源的紧凑化。本文研究了不同温度下国产金属化聚丙烯膜脉冲电容器的过载特性,如过载运行的储能密度,放电电流及可靠度等。实验表明：在-45℃~60℃范围内过载运行这种电容器,其储能密度可达额定储能密度的1.8倍,同时在0.95的置信水平下,其过载运行的可靠度单侧置信下限为0.9,可以实现稳定可靠运行。     

基于比例危险模型的产品竞争失效分析

突发型失效与退化型失效共存的竞争失效问题在实践中大量存在,一般情况下突发失效是受退化量大小影响的。文中利用比例危险模型分析了突发失效与退化量的关系,给出了竞争失效的一般模型及模型的参数估计方法,最后利用所给模型对强激光装置所用的金属化膜脉冲电容器进行了可靠性分析。     

高压大容量脉冲电容器保压过程中电压跌落的定量分析

针对金属化膜脉冲电容器在实际使用中由于充电结束以后较长的保压时间而产生电压跌落和能量损失,并最终导致脉冲功率电源系统的实际有效储能和储能密度下降这一实际问题,基于一种高压大容量脉冲电容器电压跌落的实验数据,分别从电导特性、自愈特性、极化特性及其与能量损失的相关性出发,推导了介质薄膜电导率与电压跌落的定量关系并进行了电导率测量实验,推导了自愈能量与电压跌落的定量关系并进行了寿命实验,阐述了松弛极化与电压跌落的定量关系并进行了仿真。结果表明,介质泄漏、自愈以及松弛极化在电压跌落中所占比例分别为29.64%、11.75%及58.35%,导致所研究电容器电压跌落的主要因素是松弛极化。     

基于随机冲击的相关竞争失效可靠性评估

针对电子产品在工程实践中受随机冲击应力的影响及多失效模式的问题,以累积冲击和极限冲击来描述产品的冲击过程,考虑失效模式相关性并建立了随机冲击下产品竞争失效模型。以具有自然耗损和突发耗损特点金属化膜脉冲电容器为对象,进行了可靠性对比分析,验证了模型的合理性和有效性,为遭受复合应力影响的电子产品的可靠性评估提供了一种新方法。     

Wiener过程的金属化膜脉冲电容器步降应力退化建模

由于强激光装置中金属化膜脉冲电容器高可靠长寿命的特点,导致退化试验的时间长效率低,传统的退化试验统计分析方法复杂,对先验信息依赖性大,针对这些问题提出了基于Wiener过程的金属化膜脉冲电容器步降应力加速退化建模和参数估计的方法。首先,用Wiener过程刻画电容器的退化过程,然后结合随机过程的特性采用MCMC方法进行参数估计,大大简化了统计分析过程。最后通过对电容器的仿真实验,将步降应力下的评估结果与恒定应力、步进应力的情况相对比,说明了步降应力对改善退化试验的试验效率的有效性。     

电解电容与薄膜电容的对比分析

在综合现有文献基础上,对电解电容与薄膜电容的优缺点进行了对比分析。首先,分析了影响铝电解电容寿命的主要因素,给出了对电解电容寿命进行估算的方法。然后,针对交-直-交电力电子变换器,在综合考虑电容容值、电流有效值、过电压、负载功率等多因素的情况下,对直流支撑电容进行了设计,说明了在功率变化电路中薄膜电容远优于电解电容。最后,针对两类大型电力电容器,分别采用电解电容方案与薄膜电容方案进行了对比设计。结果表明:与电解电容方案相比,薄膜电容方案不仅具有寿命长、耐压高、电流承受能力强、能承受反压、无酸污染并且可长时间存贮等诸多优点,而且在体积上也明显小于电解电容方案。     

电磁发射用多级混合储能装置充电策略

针对多级混合储能装置这种特殊、新型储能结构必须实现蓄电池到脉冲电容器的快速充电才能充分展现其技术优势的特点,首先在时序串联充电策略基础上提出了一种效率更高的改进充电策略,在蓄电池组数不变的情况下首先并联电池组对电容充电,电压达到一定水平后改变电路结构即将并联电池组转换为串联继续对电容器充电,从而提高充电效率;然后,建立了仿真实验平台,对改进策略和此策略中引入的系数α进行了分析,结果显示:α的不同取值对充电效率与恒流区宽度有较大影响,改进后充电效率提高最多可达40.7%。蓄电池到脉冲电容的新型充电策略极大地提高了充电效率,为混合储能更好地应用于电磁发射奠定了理论基础。     

轻小型脉冲电源驱动的电磁发射系统建模

针对脉冲电容器储能密度过低的问题,首先提出了一种基于轻小型脉冲电源(补偿脉冲发电机)驱动的电磁发射系统设计方案;然后,在分析了系统的基本原理的基础上,分别从电路模型、运动学模型出发建立了该电磁发射系统的数学模型;最后,通过算例进行了计算分析,其结果验证了系统数学模型的正确性,也表明以补偿脉冲发电机作为电磁轨道炮的脉冲电源是可行的。     

脉冲电源系统传输电缆短路故障研究

针对电磁发射系统脉冲电源到发射装置的输电过程中可能的短路故障进行了研究,通过理论分析研究了故障情况下的电路结构,分析了回路故障电流及其影响因素并进行了仿真。仿真结果表明:电缆短路故障可能导致发射装置端回路存在极大的电流,故障位置距离发射端越近,发射装置端回路可能遭受的故障电流越大,因此需要采取保护措施对电缆进行故障限流,限流器的安装位置应位于电缆的发射装置端;对于PFN模块端回路,其故障电流受故障位置的影响比较小,主要取决于调波电感、储能电容及充电电压。     

高压纳秒脉冲形成电路的分析与设计

分析了储能线和储能电容脉冲发生器中各种因素对脉冲前沿的影响,比较了二者的优劣,并设计了一种储能线脉冲形成电路。初步的试验表明,该装置能产生脉宽为3～4ns的脉冲。     

电感储能系统驱动虚阴极振荡器数值研究

应用PSpice程序构建了一种比较符合实验实际的电感储能系统驱动反射三极管虚阴极振荡器的等效电路模型 ,研究了虚阴极中的电流电压关系 ,以及电爆炸丝切断开关和脉冲变压器的作用。具体介绍了电爆炸丝和虚阴极振荡器的计算模型。计算结果给出了脉冲变压器、电爆炸丝和虚阴极振荡器的参数选择对负载上获得的电压、电流的影响。     

含脉冲负载的综合电力系统储能优化配置研究

考虑到舰船环境限制和高能脉冲负载对储能的需求,有必要对储能装置进行合理的选型和优化配置,来提升综合电力系统性能。为此,基于带权极小模理想点法和层次分析法,提出了一种储能装置性能评价函数,并以其为优化目标,进行储能装置优化配置。所提出的评价函数充分考虑系统需求和脉冲负载特性,以储能装置体积、质量和经济性作为评价函数主要组成部分,同时考虑功率、能量、电压、荷电状态等约束,建立优化配置模型,并采用差分进化算法进行求解。以高性能锂电池和超级电容器为例,对所提模型进行求解计算,结果表明在所给权重系数下锂电池性能更优,更适用于综合电力系统,并给出了优化配置后的指导方案。     

一种高压脉冲电源设计与实验

研制了一台储能为8kJ的高压脉冲电源,该电源主要由高频高压电容充电电源,储能电容器组,放电开关,放电电极和安全泄放装置组成。高压充电电源采用市电通过干式变压器升压,然后全桥整流后向高压储能电容充电,最后通过触发高压空气开关将电容中储能在放电电极处释放掉。高压测量端与控制系统采用光电隔离技术,减小了电磁干扰对控制系统的影响,同时提高了操作安全性。最后对多晶硅材料进行放电实验,结果表明,电极放电可在试样中产生明显的破碎效果。     

大容量储能发电机并联运行励磁控制算法

大容量储能发电机作为脉冲电源,整流后通过逆变器向大功率脉冲负载供电。采用储能发电机直流侧并联方式工作,可以有效提高系统带载能力与可靠性。当并联运行的储能发电机转速不同时,根据转速合理分配电机释放功率可以有效提高系统工作效能,因此需要设计一种具有功率调节功能的励磁控制算法。在电压、电流双闭环控制的基础上,引入功率前馈控制,推导并求解了前馈功率与励磁电流关系以及控制参数,并根据电机初始转速设计了功率分配算法。仿真试验结果表明,功率前馈控制在励磁控制过程中起主导作用,有效分配储能电机释放功率大小,提高了励磁电流响应速度,抑制了负载功率扰动对励磁控制系统的影响。     

基于维纳过程金属化膜电容器的剩余寿命预测

金属化膜电容器是惯性约束聚变激光装置能源系统最重要的元器件,对个体电容器的剩余寿命进行有效的预测对整个装置的可靠性水平有着重要的影响.为有效地预测个体电容器的剩余寿命,提出了融合单个电容器性能退化数据与先验性能退化数据信息的预测方法.采用Wiener过程对其性能退化过程进行建模,并根据先验退化数据信息构造参数的先验分布...     

脉冲偏压离子镀的研究现状

脉冲偏压电弧离子镀的成膜过程远离热力学平衡态,与直流偏压电弧离子镀相比,具有成膜温度低、薄膜质量好和应力低等优点。从大颗粒净化作用、低温沉积、沉积速率、微观组织结构、内应力与结合强度、硬度等方面,综述了近年来脉冲偏压对薄膜性能影响的研究结果,重点讨论了机理方面的新成果,综述了脉冲偏压电源的研究状况,并对脉冲偏压电弧离子镀技术的应用前景进行了展望。     

某型电子干扰弹引信用固体钽电容器失效分析

针对充上电荷的固体钽电容器在经受突发性冲击应力时失效造成某型电子干扰弹引信瞎火的现象,本文通过透析固体钽电容器结构与使用环境,分析其失效模式与机理,用锤击试验、发射过程中电容器电压动态测试的方法,验证其失效模式,得出充上电荷的固体钽电容器在经受突发性冲击应力时易造成瞬时短路的结论。     

杂散参数对串联型磁脉冲压缩器输出特性影响*

使用电路模拟软件(P-Spice)分析了脉冲电容器自身电感、磁开关绕组匝间电容以及磁芯处于不同工作状态时,磁开关绕组自身阻抗等杂散参数对串联型磁脉冲压缩器输出特性的影响。结果表明,匝间电容和磁芯处于未饱和状态下的绕组自身电阻对系统的输出特性影响相对较小;磁芯处于饱和状态时,绕组自身阻抗对系统的电压传输效率影响较大;脉冲电容器的自身电感不仅会降低系统的电压传递效率,同时会影响到输出脉冲上升沿的宽度。基于以上的结论,对单级串联型磁脉冲压缩器进行了优化设计并研制了一台输出峰值电压26kV,脉冲上升时间由4.1us压缩到1.2us的串联型磁脉冲压缩器,电压传输效率大于92.5%。