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爆磁压缩发生器对脉冲形成线充电的模拟和实验研究Ξ

爆磁压缩发生器对脉冲形成线充电的模拟与实验研究简介

爆磁压缩发生器（ExplosiveMagneticFluxCompressionGenerator,EMFCG）是一种利用炸药驱动的高功率微波能源装置，能够将化学能转化为电磁能，输出高幅值、窄脉宽的电流脉冲。在高功率脉冲系统中，EMFCG常用于为脉冲形成线（PulseFormingLine,PFL）充电，从而驱动后续负载（如虚拟负载或高功率微波源）工作。

本研究围绕EMFCG对脉冲形成线充电过程展开，结合数值模拟与实验测试手段，分析其能量传输效率、电流波形特性及系统匹配问题。在模拟部分，采用电路仿真软件与电磁场仿真工具对EMFCG与PFL之间的耦合过程进行建模，重点研究不同初始电感、负载阻抗及开关时序对充电效果的影响。实验方面，搭建小型EMFCG原型系统，通过罗戈夫斯基线圈与电压探头测量电流与电压波形，验证仿真结果的可靠性。

研究结果表明教育中心学校图书馆工程施工组织设计，EMFCG在短时间（微秒量级）内可有效为PFL充电至数百千安级电流，且系统效率受负载匹配程度显著影响。优化设计后，可显著提升能量传输效率与脉冲压缩性能，为后续高功率脉冲系统的集成与应用提供理论依据和技术支撑。

本研究对EMFCG在脉冲功率技术中的应用具有一定的指导意义，也为进一步探索高能量密度物理现象提供了实验基础。

杨建华，陈冬群，张建德，刘金亮，曹胜光，冯加怀

（国防科学技术大学理学院，湖南长沙410073)

摘要：将爆磁压缩发生器等效为电流源，利用电路模拟程序对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲 形成线充电过程进行了分析，结果发现这种分析方法可以准确地模拟爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲 形成线的充电过程，与实验结果吻合较好。利用这种模拟方法和实验验证的结果，得出了一些重要的结论，增 加变压器的耦合互感特别是变压器的副边电感和爆磁压缩发生器负载电流斜率可以明显提高充电电压的幅 值，调制器的水介质电阻率对于充电幅值有一定的影响，这些结论对脉冲变压器和爆磁压缩发生器的设计具有 一定的指导意义。 关键词：爆磁压缩发生器：电流源：电路模拟程序：脉冲形成线充电 中图分类号：TN506 文献标识码：A

爆磁压缩发生器是一种将化学能转化为电磁能的紧凑型能源发生器。脉冲强流电子束加速器在材料实 验、X射线照相、核武器模拟、高功率微波产生等诸多领域内有广泛的用途，它通常由脉冲充电系统、Blumlein脉 冲形成线、主开关、预脉冲开关和真空二极管系统组成。脉冲充电系统通常是Marx发生器，或者由电容器与 空心变压器组成，而利用爆磁压缩发生器通过空心变压器给脉冲形成线充电也是一个很好的途径，可以做到 结构紧凑。因此研究爆磁压缩发生器通过变压器对脉冲形成线充电的过程具有重要意义

爆磁压缩发生器产生电流的过程虽然较为复杂， 但是它形式上表现为在负载上产生一条电流曲线（简 称负载电流曲线）。因此在电路模拟中，不考虑爆磁压 缩产生电流的具体过程，而将其等效为电流源，电流源 随时间的变化关系通过实验的方法获得。 脉冲形成线在充电过程中，可以等效为电容器，整 个电路模拟示意图如图1所示，其中C为Blumein脉 冲形成线的中筒与外筒的电容，而C为中筒与内筒 的电容，C为二极管相连处内筒与外筒的电容，L。为 接地电感，R为水介质本身的电阻。设变压器原边电 感为Lp，副边电感为L，耦合系数为k。

同电流波形对脉冲形成线充电的影响。最后分析脉冲形成线的参数对充电的影响。

变压器参数对充电过程有很大的影响，根据文献[3]的理论分析，爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲 形成线的充电电压与变压器互感成正比关系，在实际的应用电路中，存在着接地电感和脉冲形成线水介质的电 阻，利用电路模拟程序，可以更加直观和准确地模拟充电过程。变压器的主要参数有3个：原边电感、副边电感 和耦合系数，通过改变这3个参数可以得出充电电压与它们之间的关系。由于实验得到的爆磁压缩发生器在 负载上产生的电流曲线，其上升部分基本可以看成一条直线，所以在模拟中，将电流曲线等效为一条直线。 首先在变压器的副边电感为274H.耦合系数为0.7的情况下原边电感从2H增加到4H.每次增加

0.2H进行扫描。假设负载电流斜率不变，模拟得到 的充电电压的波形如图2所示，从中可以看出充电电 压的峰值时刻与原边电感大小基本无关，但是幅值与 原边电感有一定的联系，当原边电感为2H时，峰值 电压211kV，原边电感为4H时，峰值电压298kV，两者 基本上是√2的关系，与文献[3]得到的关系基本吻合。 改变变压器原边电感做了两种情况下的实验，副 边电感为274H不变，原边电感分别为2H和4H。 实验结果表明：原边电感在2H的情况下，峰值电压 212kV，最大值时刻7.7s；原边电感为4H的情况下， 峰值电压250.3kV，最大值时刻8.3s：在原边电感为

杨建华等：爆磁压缩发生器对脉冲形成线充电的模拟

Fig. 2Charged voltage s primary inductance of transforme 图2充电电压波形随原边电感的变化关系

4H的情况下，电路模拟与实验结果在数值上吻合较好，最大值时刻的略有增加与实际的电流曲线与模拟利用 的直线电流源曲线略有些差别。在原边电感增加到4H的实验中，没有达到预期300kV左右的电压，经过仔 细分析，发现这种情况下，电流负载曲线的斜率略有下降。因此从模拟和实验得出结论，原边电感要适当增加 但由于负载电流斜率变化的影响.需要确定一个合适的值

inductance of transfomer 图3 充电电压波形随变压器副边电感的变化

Hg.4 inductance of transformer 图4充电电流波形随变压器副边电感的变

改变变压器副边电感进行电路模拟，并结合实验上改变副边电感得到的结果进行验证比较。首先进行电 路模拟，在变压器原边电感4H，耦合系数0.8情况下，副边电感从30QH到90QuH每隔10QuH而递增，负载电 流为一条直线，在14s内从0kA增加到85kA。中外筒之间上的充电电压和充电电流分别如图3和图4所示。 从图3可以看出随着变压器副边电感的增加，充电电压的峰值增加，而且到达峰值电压的时刻延长。通过计 算，发现峰值电压出现时刻为t=T↓LsCs,其中Cs=Ci+C2,当Ls=90QH时，t=TLsCs=10.8s,与图3 模拟得到的最大值时刻11s吻合。 从图4可以看出，最大电流幅值与变压器副边电感大小基本无关，但是最大充电电流的时刻随着副边电感 的增加而增加。比较图3和图4可以得出结论：当充电电流为零时，充电电压达到最大值，且电流最大值时刻 正好是电压最大值时刻的一半。比较图3中最大电压幅值在不同副边电感下的数值可以得出结论：充电电压 的最大幅值与副边电感数值的1/2次方成正比。从图3还可以看出，充电电压未达到最大值以前的时刻，不同 的副边电感的情况下，相同时刻电压差别不大，例如，副边电感为30QH在6s左右基本达到电压的最大值，峰 值电压约为320kV，而副边电感为700，800，90QuH时在6s左右的电压也约为320kV，因此增大副边电感不会影 响充电电压在初始阶段的幅值，但是可以增加峰值电压出现的时间和幅值大小，因此一般增加副边电感是有利 的。 实验中改变变压器副边电感进行了两种情况的对比实验：（a）原边电感为4H，副边电感为274H，耦合系 数0.7；(b)原边电感3.8H，副边电感87QH，耦合系数为0.83。其中(b)情况耦合系数的提高是由于对结构进 行了一定程度的优化的结果。两种情况的实验结果表明：爆磁压缩发生器在负载上产生的电流波形在（a)情况 下为14s内达到75kA，而(b)情况下为14ls内达到86kA。（a)情况在7.s左右达到峰值电压254kV，(b)情况 在10.us达到450kV最大值估计在12Ls左右约为500kV。从实验结果看充电电压的峰值电压和时间基本与

模拟结果吻合，（a）情况由于耦合系数只有0.7，比模拟采用的0.8偏低，且爆磁压缩在负载上产生的电流变化 率偏低，所以幅值比模拟结果偏低。峰值电压时刻在实验上似乎总是落后模拟结果1～2s，这与实际电流曲 线与直线存在一定的差别有关系

2爆磁压缩发生器的影响

经过模拟和实验分析，可以发现爆磁压缩发生器 在负载上产生的电流随时间变化斜率对充电过程有很 大的影响。下面首先进行模拟研究，然后给出一些实 验结果。 在变压器参数原边电感3.8H，副边电感87QH， 耦合系数0.83下进行模拟。负载电流为直线，且在 14s内，最大电流幅值从60kA每隔10kA递增到 120kA。模拟得到的充电电压波形如图5所示，可以发 现随着电流斜率的变化，充电电压也随着变化，而且与

Fig. 5Charged voltage vs load current with different slop 图5充电电压随负载曲线电流斜率的变化关系

斜率成正比变化。例如电流斜率为（60/14)kA·口s时，峰值电压为378.5kV，而电流斜率为（120/14)kA· 时，峰值电压为757kV，峰值电压之比正好是电流斜率之比。

xx工程水电安装施工方案Fig.o Expermental 图6实验得到的负载电流波形

杨建华等：爆磁压缩发生器对脉冲形成线充电的模拟

Fig.8Charged current waveform of C 图8C上充电电流波形

调制器的主要参数为脉冲形成线内筒和中筒之间 的电容Ci，中筒和外筒的电容C2，接地电感Lg，水介 质的电阻R1。首先改变电容进行模拟考察电容对充 电的影响。对C进行扫描，从6nF每增加2nF直到 20nF，模拟结果如图9所示。可以发现峰值充电电压 基本不随C而变化，但是峰值电压的时刻随着C的 增加而增大。对C扫描可以得到同样的结论。 当脉冲形成线结构和介质确定了以后，脉冲形成 线电容不会发生变化，可以调节的是接地电感的大小 和介质电阻R.通过电路模拟程序.考察改变接地电

dbj／t13-320-2019 建设项目社会稳定风险评估报告编审规程Fig. 9Charged woltage wavefom vs ( 图9在不同C下充电电压波形

Fig.10 Charged 图10不同水介质电阻下充电电压波升