关于电感储能的参考资料

 

 

 

电感储能知识视频

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储能技术 电感储能 

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（一）、开关电源储能电感公式

 

标签:  储能  开关电源  电感 

       

      【电源适配器】并联式开关电源中的储能电感与反转式串联开关电源中的储能电感工作原理基本一样，都是在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量，因此，流过负载的电流只有流过储能电感电流的四分之一。

        根据（1-45）式：
iLm =Ui*Ton/L —— K关断前瞬间 （1-45）
（1-45）式可以改写为：
4Io =Ui*T
/2L —— K关断前瞬间 （1-53）
式中Io为流过负载的电流，当D = 0.5时，其大小等于最大电流iLm的四分之一；T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍Ton。
由此求得：
L =Ui*T/8Io —— D = 0.5时 （1-54）
或：
L >Ui*T/8Io —— D = 0.5时 （1-55）

        （1-54）和（1-55）式，就是计算并联式开关电源储能电感的公式。同理，（1-54）和（1-55）式的计算结果，只给出了计算并联开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。

        并联式开关电源与反转式串联开关电源中的储能电感一样，仅在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量，因此，即使是在占空比D等于0.5的情况下，储能滤波电容器充电的时间与放电的时间也不相等，电容器充电的时间小于半个工作周期，而电容器放电的时间则大于半个工作周期，但电容器充、放电的电荷是相等的，即电容器充电时的电流大于放电时的电流。

        并联式开关电源，流过负载的电流比串联式开关电源流过负载的电流小一倍，流过负载的电流Io只有流过储能电感最大电流iLm的四分之一。在占空比D等于0.5的情况下，电容器充电的时间为3T/ 8，电容充电电流的平均值为3iLm/8 ，或3io/2 ；而电容器放电的时间为5T/8 ，电容放电电流的平均值为0.9 Io。

        当开关K工作占空比D小于0.5时，由于流过储能滤波电感L的电流会不连续，电容器放电的时间将远远大于电容器充电的时间，因此，开关电源滤波输出电压的纹波将显著增大。另外，开关电源的负载一般也不是固定的，当负载电流增大的时候，开关电源滤波输出电压的纹波也将会增大。因此，设计开关电源的时候要留有充分的余量。

电源适配器      http://www.glsheng.net

 

（二）、串联式开关电源储能滤波电感的计算

 

    从上面分析可知，串联式开关电源输出电压Uo与控制开关的占空比D有关，还与储能电感L的大小有关，因为储能电感L决定电流的上升率（di/dt），即输出电流的大小。因此，正确选择储能电感的参数相当重要。

串联式开关电源最好工作于临界连续电流状态，或连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，滤波输出电压Uo正好是滤波输入电压uo的平均值Ua，此时，开关电源输出电压的调整率为最好，且输出电压Uo的纹波也不大。因此，我们可以从临界连续电流状态着手进行分析。我们先看（1-6）式：

iLm =(Ui-Uo)/L *Ton + i(0) —— K关断前瞬间 （1-6）

当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，即D = 0.5时，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，（1-6）式可以改写为：

2Io = Uo/2L *T —— K关断前瞬间 （1-12）

式中Io为流过负载的电流（平均电流），当D = 0.5时，其大小正好等于流过储能电感L最大电流iLm的二分之一；T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍Ton。

由此求得：

L = Uo/4Io *T —— D = 0.5时 （1-13）

或：

L >Uo/4Io *T =Ui/2Io*T —— D = 0.5时 （1-14）

（1-13）和（1-14）式，就是计算串联式开关电源储能滤波电感L的公式（D = 0.5时）。（1-13）和（1-14）式的计算结果，只给出了计算串联式开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。

1.引言
    大功率脉冲电源是为脉冲功率装置的负载提供电磁能量的装置。它包括初级电源、中间储能脉冲成形系统及转换系统等几部分。电感储能大功率脉冲电源，以磁场方式进行储能，因为它的储能密度大和传输功率大。电感储能线圈的特点是供短时充电储能之用，除了作为能量储存的电感值外，尚须满足电流的电阻值，即电感线圈的时间常数有一定的要求。每次放电过程，电感线圈两端将出现脉冲电压，需考虑整个线圈的绝缘强度，因此对绕组的排列布置有特殊的要求。
    大能量固体激光器选用电感储能脉冲电源。为此设计制造了电感值26mH、电阻值2.9mΩ，时间常数9s，最大工作电流125kA，储藏能量200MJ的电感储能线圈。分析了电感储能线圈参数与几何尺寸的关系。线圈的绝缘，根据放电时出现的峰值电压采取了相应的措施。线圈的结构能很好地满足线圈的热稳定性和电动稳定性。
2.大功率脉冲电源概况
    2.1.大功率脉冲电源的进展与应用现代科学技术的发展，需要使用大功率脉冲电源，根据不同负载的性质，提出了对脉冲电源的要求：储藏能量大，一个脉冲消耗能量几兆（）焦耳到几千兆（）焦耳；脉冲峰值功率大，一个脉冲的功率从几十兆（）瓦到几十兆兆（）瓦；脉冲时间短，从毫微秒（ns)、微秒、毫秒直到秒（s)级，长脉冲到几十秒（10s)；重复频率从几分钟一次到每秒一万次；即需要在短时间内提供多个这样的脉冲；脉冲负载变化快，属于瞬时变化，即以脉冲形式要求在几秒种内把大能量储存起来，并以高频率、短时间和便于调制的脉冲形式释放出来。根据不同负载性质的要求，将选用各种不同的电源。

    功率脉冲电源研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上［1］。

    大功率脉冲电源之所以能出现并得以迅速发展，是因为以下诸领域的需求:等离子体物理与受控核聚变研究;高速风洞;核爆炸模拟；闪光X射线照相；大功率激光；大功率微波；电磁脉冲；电磁发射（或推进）;粒子束武器和电磁成形等。

2.2大功率脉冲电源工作过程

    大功率脉冲电源包括初级能源、中间储能和脉冲成形系统，转换系统等几部分。图1示出大功率脉冲电源装置示意图。
初级电源的种类很多，它包括以电场形式的电容器；具有磁能的电感器（线圈）或脉冲变压器；具有一定转动惯量的各类机械能发电机；电网供电装置；化学能装置；核能装置。
    中间储能和脉冲成形系统，除具有储能和成形脉冲的功能外，有时还起到转化能量作用。它包括：容性传输（或成形）线;感性储能器；脉冲变压器；磁通压缩发生器的变感器；磁流体发电机的通道发电系统；以及使用机械能的感应发电系统等。
    转换系统是指电源内各种转换开关。视应用不同，有时只有闭合开关，有时仅用断路开关，有时联合使用。
    大功率脉冲电源工作过程如下：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统充电（或注入能量），能量经过储存、压缩、形成脉冲；再经转换系统等某些复杂过程，最后快速放电给负载。
2.3能量压缩的概念
    大功率脉冲电源的工作，实质是能量的压缩。能量压缩就是在空间和时间上增加能量密度的过程。在空间上压缩能量，即减小其体积。包括提高初级能源的储能密度，选用合适的中间储能和脉冲形成系统并提高它的储能密度。在能量守恒条件下，在时间上压缩能量，从而提高功率，其实质是缩短释能时间。在储能元件和受能元件之间增添第三物体（压缩元件),通常是中间储能和脉冲成形系统，或者是开关转换系统。
3.电感储能大功率脉冲电源
    电感储能是以磁场方式进行储能的。电感储能技术在现代科学技术领域中，有着极为重要的应用。20世纪50年代，开始在超音速风洞、固体激光脉冲氙灯、核聚变托卡马克磁场系统等慢放电装置中使用电感储能电源。60年代，超导体的研究和应用使电感储能技术发展较快。近来备受重视的定向能（尤其是粒子束）武器和其它应用，要求连续发射，促使产生连续大功率脉冲的技术快速发展。近来电磁发射技术又迅速发展起来，采用电感储能的脉冲电源，这就极大的刺激着大功率脉冲电源向多样化、高比能、小体积和低成本方向发展。 
    高能量固体激光器电感储能电路示于图2［2］，电感储能装置包括充电电源E（采用铅酸蓄电池），电感储能线圈L.转换装置（包括主开关 ,辅助开关 ,换流熔丝F),负载Z(脉冲氙灯）。
    充电过程：合上主开关，蓄电池向电感储能线圈L充电，电流按指数曲线上升 （1）式中 —蓄电池组内电阻，Re—电感储能线圈电阻加上回路电阻），在此过程中，电源提供的电能除回路欧姆损耗外，以磁场能量的形式储能于电感储能线圈内；当充电电流（亦即磁场能量）达到给定值时，合上辅助开关 ,再切断主开关 ,迫使电流由主开关电路转入熔断器F回路。熔断器F中的熔丝受到所转入的电流加热，根据电流密度的不同，经过几个到十几毫秒的延时即行熔断；熔丝熔断过程中形成多级电弧产生较高的电压，供给点燃氙灯Z使用。由主开关打开起到电流全部转入氙灯回路止的整个过程是电流由充电回路转入放电回路的换流过程，此处应用熔断器来进行二次换流的目的在于提供点燃氙灯所需要的电压，和减轻主开关在开断时的灭弧负担。当电流转入氙灯回路后在氙灯中产生放电，在放电过程中电流迅速下降至零，而电感线圈所储存的磁场能量即转化为激励工作物质所需的光能。
    电感储能线圈的特点是供短时充电储能之用，除了作为能量储存的电感值之外，尚须满足电流的电阻值。即对线圈的时间常数有一定的要求；每次放电过程，线圈两端将出现脉冲电压，需考虑线圈的绝缘，并对绕组的排列布置有特殊的要求。