一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置及其方法与流程

本发明属于电脉冲岩石破碎领域，更具体地，涉及一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置。

背景技术：

岩石破碎一直是人类改造自然、获取资源的一种生产方式。利用高压脉冲放电对岩石进行破碎是近些年来发展起来的一种新型破碎方式。其原理是利用脉冲放电产生的等离子通道的膨胀应力对岩石形成破碎，相比于传统的机械破碎和炸药爆破破碎，高压脉冲破碎具有无飞石、无污染、输出能量易于控制和破碎效率高的优点。

国内外研究表明，对用于岩石破碎的高压脉冲波形主要要求为在500ns的上升沿和足够高的电压幅值。常用的高压脉冲源有Marx电路和脉冲变压器电路两种方式，Marx电路结构复杂，开关器件多，容易发生故障，维护不便，长时间稳定运行困难，且耗能元件多，能量利用率低。脉冲变压器电路结构简单，开关器件少，但由于脉冲变压器本身固有的电气特性，脉冲变压器输出的脉冲上升沿一般都在微秒量级，达不到破碎用高压脉冲的要求。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明提供一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，旨在解决现有高压重频脉冲产生装置中由于自身电气特性导致不能兼顾输出的高压重频脉冲的上升沿在500ns以内以及长期稳定运行的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置包括直流电源模块、第一级陡化模块、升压模块以及第二级陡化模块。

直流电源模块用于输出直流电压；

第一级陡化模块，其输入端与直流电源模块的输出端连接，用于将直流电源模块输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压；

升压模块，其输入端与第一级陡化模块的输出端连接，用于将周期在微秒级的脉冲电压进行升压，输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压；

第二级陡化模块，其输入端与升压模块的输出端连接，用于将幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压转化为幅值放大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。

通过第一级陡化模块将直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，通过升压模块提升周期在微秒级的脉冲电压的幅值，并通过第二级陡化模块将幅值放大后的周期在微秒级的脉冲电压进一步陡化，输出高幅值且周期在纳秒级的脉冲电压，本发明中仅采用了两级陡化实现输出上升沿在纳秒级的脉冲电压，升压模块输入端与第一级陡化模块连接，升压模块的输出端与第二级陡化模块连接，能够避免由于第一级陡化模块和第二级陡化模块直接连接造成的结构复杂的问题，能够有效降低第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压，且采用升压模块对脉冲电压进行放大，使得本发明提供的高压重频脉冲产生装置结构简单，避免使用大量的开关器件，易于长期运行。

进一步地，第一级陡化模块包括第一储能电容、放电开关和电阻，放电开关阴极与直流电源模块的负输出端连接，放电开关阳极与电阻一端连接，电阻另一端与直流电源模块的正输出端连接，第一储能电容一端与升压模块第一输入端连接，第一储能电容另一端与放电开关阳极连接，升压模块的第二输入端与直流电源模块的负输出端连接；

第一储能电容，通过对第一储能电容充放电输出周期在微秒级的脉冲电压；

放电开关，用于控制周期在微秒级的秒冲电压的幅值；

电阻，用于防止直流电源模块正输出端与负输出端短接。

直流电源模块输出的直流电压向第一储能电容充电，当第一储能电容中电压达到放电开关的闭合电压时，放电开关闭合，第一储能电容通过升压模块放电；当第一储能电容的电压下降到放电开关的断开电压时，放电开关闭合，直流电源模块对于第一储能电容充电，第一陡化模块输出周期在微秒级的脉冲电压。第一级陡化模块中仅包含一个开关件，能够显著提高本发明提供的高压重频脉冲产生装置的使用寿命，且采用升压模块连接第一级陡化模块和第二级陡化模块，能够避免由于第一级陡化模块与第二级陡化模块直接连接导致结构复杂的问题，能够减少第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压。

进一步地，第一储能电容的充电回路为直流电源模块负输出端到第一储能电容连接导线和直流电源模块负输出端到第一储能电容连接导线；

第一储能电容的放电回路为放电开关、升压模块以及连接导线；

第一储能电容的容值和放电回路的等效电阻的乘积小于10^-5；第一储能电容的容值和充电回路的等效电阻的乘积小于10^-5。

通过限制第一储能电容容值和充电回路的等效阻值，能够加速第一储能电容的充电速率，同时通过限制第一储能电容容值和放电回路的等效阻值，能够加速第一储能电容的放电速率，能使第一陡化模块输出周期更小的脉冲电压，再经过第二级陡化模块陡化，使得高压重频脉冲产生装置能够输出上升沿更陡的脉冲电压。

进一步地，放电开关为三电极可触发气体开关，该气体开关电感小、耐压高以及结构紧凑，有利于提高压重频脉冲产生装置的运行寿命，且利于陡化脉冲电压。

进一步地，第二级陡化模块包括第二储能电容第一储能电容和陡化开关，第二储能电容一端连于升压模块的第一输出端，第二储能电容另一端连于升压模块的第二输出端，陡化开关的阳极连于升压模块的第一输出端，陡化开关的阴极用于与放电单元连接；

第二储能电容通过充放电使第二储能电容两端的电压的上升沿在纳秒级；

陡化开关，用于控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的幅值；

升压模块输出端到第二储能电容的连接导线等效电阻在兆欧级。

升压模块输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压，并向第二储能电容进行充电，由于升压模块输出端到第二储能电容的连接导线等效电阻在兆欧级，使得第二储能电容两端的电压的上升沿在纳秒级，当第二储能电容的电压达到陡化开关的闭合电压时，陡化开关转到闭合状态，升压模块对第二储能电容继续充电，同时第二储能电容向放电单元放电，当第二储能电容的电压降低到陡化开关的断开电压时，陡化开关断开，通过陡化开关控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的输出幅值。第二级陡化模块仅采用了一个陡化开关，能够显著提高高压重频脉冲产生装置的寿命，且采用升压模块连接第一级陡化模块和第二级陡化模块，能够避免由于第一级陡化模块与第二级陡化模块直接连接导致结构复杂的问题，能够减少第一级陡化模块和第二级陡化模块的等效电感，有利于陡化脉冲电压的上升沿。

进一步地，陡化开关为两电极自击穿导通开关，具有工作可靠性高的优点，有利于提高高压重频脉冲产生装置的运行寿命。

进一步地，直流电源模块包括

整流滤波单元，用于将三相交流电转化为直流电流；

全桥逆变单元，其输入端与整流滤波单元的输出端连接，用于将直流电流转化为交流电流；

升压单元，其一端通过谐振电容与全桥逆变单元一端连接，其另一端通过谐振电感与全桥逆变单元另一端连接，用于放大交流电流幅值；

整流滤波单元，其输入端与升压单元输出端连接，用于将幅值放大后的交流电整流为直流电流输出。

通过整流滤波单元将三相交流电转化为直流电流，全桥逆变单元将直流电流转化为交流电流，通过升压单元对交流电流进行升压，再由整流滤波单元输出幅值放大的直流电流，用直流电源模块为第一储能电容充电提供稳定且幅值较高的直流电。

作为本发明的另一方面，本发明提供了一种高压重频脉冲产生装置的产生高压重频脉冲方法，包括如下步骤：

(1)通过对第一电容充放电的方法将直流电压源转化为周期在微秒级的脉冲电压；

(2)将周期在微秒级的脉冲电压进行放大处理；

(3)通过对第二储能电容充放电的方法将经过放大处理的周期在微秒级的脉冲电压转化为上升沿在纳秒级的脉冲电压。

通过对第一储能电容充放电的方法将直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，将该周期在微秒级的脉冲电压进行放大处理，通过进一步对第二储能电容充放电，实现将周期在微秒级的脉冲电压的上升沿进一步陡化，输出高幅值的上升沿在纳秒级的脉冲电压。

进一步地，步骤(1)中对第一储能电容充放电的方法包括如下步骤：

(11)直流电压源通过第一储能电容的充电回路对第一储能电容充电，检测第一储能电容两端电压是否达到第一电压，若是，则进入步骤(12)，否则重复步骤(11)；

(12)结束第一储能电容充电过程并通过第一储能电容的放电回路对第一储能电容放电，检测第一储能电容两端电压是否达到第二电压，若是进入步骤(11)，否则重复步骤(12)；

第一储能电容的放电回路的等效电阻和电容的容值乘积小于10^-5，第一储能电容的充电回路的等效电阻和电容的容值乘积小于10^-5，第一电压为周期在微秒级的脉冲电压的最大值，第二电压为周期在微秒级的脉冲电压的最小值。

采用电容充放电的方法将直流电压源输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，易于实现。

进一步地，步骤(3)中对第二储能电容充放电的方法包括如下步骤：

(31)幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压通过第二储能电容充电回路对第二储能电容进行充电，使得第二储能电容两端电压的上升沿在纳秒级，检测第二储能电容电压是否达到第三电压，若是，则进入步骤(32)，否则重复步骤(31)；

(32)幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压通过第二储能电容的充电回路对第二储能电容进行充电的同时第二储能电容通过第二储能电容的放电回路放电，检测第二储能电容充电是否达到第四电压，若是则进入步骤(31)，否则重复步骤(32)；

第三电压为上升沿在纳秒级的脉冲电压的最大值，第四电压为上升沿在纳秒级的最小值。

采用电容充放电的方法将周期在微秒级的脉冲电压的上升沿进一步陡化，实现输出上升沿在纳秒级的脉冲电压，通过控制第三电压和第四电压，控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的幅值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果。

1、本发明通过第一级陡化模块将直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，并采用脉冲变压器对周期在微秒级的脉冲电压进行升压，并通过第二级陡化模块将升压后的周期在微秒级的脉冲电压转化为上升沿在纳秒级的脉冲电压，仅采用了两级陡化模块实现输出周期在纳秒级的脉冲电压，结构简单，易于长期运行，使得本发明提供的高压重频脉冲产生装置能够输出上升沿在纳秒级的脉冲电压同时能长期稳定运行。

2、本发明中第一级陡化模块包括第一储能电容和放电开关，当放电开关两端电压达到闭合电压时，第一储能电容与脉冲变压器的原边线圈构成放电回路，第一储能电容放电，当放电开关两端电压达到断开电压时，第一储能电容充电，使得第一级陡化模块输出周期在微秒级的脉冲电压；第二级陡化模块包括第二储能电容和陡化开关，周期在微秒级的脉冲电压经过脉冲变压器放大后，向第二储能电容充电，实现进一步陡化周期在微秒级的脉冲电压的上升沿，当陡化开关两端电压达到闭合电压时，第二储能电容和放电模块构成放电回路，向放电单元输出上升沿在纳秒级的脉冲电压，本发明提供的高压重频脉冲产生装置结构简单，采用开关器件少，使用脉冲变压器升压，配合长寿命的气体放电开关使得高压重频脉冲产生装置运行稳定，工作寿命长，能够满足工业应用的要求。

3、本发明提供的产生用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置的方法，通过第一储能电容充放电的方法采用将直流电压原转化为周期在微秒级的脉冲电压，并对周期在微秒级的脉冲电压进行放大处理，再次采用对第二储能电容充放电的方法将周期在微秒级的脉冲电压进行陡化，输出高幅值的上升在纳秒级的秒冲电压。

4、本发明的高压重频脉冲产生装置可以提供幅值200kV，上升沿时间400ns，放电频率5Hz，单发能量900J的高压脉冲，匹配不同的放电单元可以应用于采矿选矿、多晶硅棒料破碎等工业领域。

附图说明

图1是本发明提供的高压重频脉冲产生装置的示意图

图2是本发明提供的高压重频脉冲产生装置的实施例的电路原理图；

图3是本发明提供的高压重频脉冲产生装置中直流电源模块的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置的示意图，高压重频脉冲产生装置包括直流电源模块，用于输出直流电压，直流电源模块的输出端与第一级陡化模块输入端连接，第一级陡化模块将直流电源模块输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，第一级陡化模块的输出端与升压模块的输入端连接，升压模块用于将第一级陡化模块输出的周期在微秒级的脉冲电压进行升压，输出幅值增大的周期在微秒级的脉冲电压，升压模块的输出端与第二级陡化模块输入端连接，第二级陡化模块用于将升压模块输出的幅值增大的周期在微秒级的脉冲电压转化为幅值增大的上升沿在纳秒级的脉冲电压。本发明中仅采用了两级陡化模块实现输出脉冲的上升沿在纳秒级，使得本发明提供的高压重频脉冲产生装置结构简单，采用升压模块对输出的脉冲电压进行升压，同时升压模块在第一级陡化模块与第二级陡化模块之间，能够避免由于第一级陡化模块与第二级陡化模块直接连接而使得结构复杂的问题，易于长期运行。

图2为本发明提供的用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，包括直流充电电源DC，用于提供直流电压，直流充电电源DC通过电阻R与第一储能电容C_L的一端连接，第一储能电容C_L的另一端与脉冲变压器T_p原边线圈一端连接，放电开关G₁的阳极通过电阻R与直流充电电源DC正输出端连接，放电开关G₁的阴极直接与直流充电电源DC负输出端连接，脉冲变压器T_p原边线圈另一端与直流充电电源DC负输出端连接。直流充电电源DC通过电阻R、脉冲变压器T_p的原边线圈向第一储能电容C_L充电，当放电开关G₁两端电压达到闭合电压时，放电开关G₁导通，第一储能电容C_L与脉冲变压器T_p的原边线圈形成放电回路，第一储能电容C_L放电，使得第一储能电容C_L输出周期在微秒级的脉冲电压，优选的，第一储能电容C_L的容值和放电回路的等效电阻乘积小于10^-5，第一储能电容C_L的容值和充电回路的等效电阻乘积小于10^-5，对第一储能电容的容值、充电回路等效电阻以及放电回路等效电阻的限制，能够输出周期更小的脉冲电压。脉冲变压器T_p的副边一端与第二储能电容C_s高压端连接，脉冲变压器T_p的副边另一端与第二储能电容C_s低压端连接，陡化开关G₂的阳极与第二储能电容C_s的高压端连接，陡化开关G₂的阴极用于连接放电单元，脉冲变压器T_p的副边输出幅值放大后的周期在微秒级的脉冲电压，幅值放大后的周期在微秒级的脉冲电压对第二储能电容C_s充电，由于充电回路的阻值在兆欧级，使得第二储能电容C_s的电压的上升沿在纳秒级，当陡化开关G₂两端电压的增大到陡化开关G₂的闭合电压时，陡化开关G₂闭合，第二储能电容C_S和放电单元构成放电回路，脉冲变压器T_p的副边线圈输出幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压对第二储能电容C_s充电的同时第二储能电容C_s通过陡化开关G₂和放电单元放电，当第二储能电容C_s两端的电压达到陡化开关G₂的断开电压，放电回路断开。

图3是本发明提供的高压重频脉冲产生装置中直流电源模块的电路原理图，直流电源模块包括整流滤波单元1，三相交流电经整流滤波单元1后转换为幅值为530V的直流电，整流滤波单元1输出的幅值为530V直流电供给其后的全桥逆变单元2，全桥逆变单元2包括开关管S1至开关管S4，开关管S1至开关管S4为高压大电流的IGBT模块，续流二极管D1至续流二极管D4内置于IGBT模块中，全桥逆变单元2用于将直流电转化为交流电。全桥逆变单元2输出端的一端通过谐振电感L_r连于高频升压变压器T原边线圈的一端，全桥逆变单元2输出端的另一端通过谐振电容Cr连于高频升压变压器T的原边线圈的另一端，高频升压变压器用于将全桥逆变单元2输出的脉冲电压升压，高频升压变压器T的副边线圈一端与整流滤波单元3输入端一端连接，高频升压变压器的副边线圈另一端与整流滤波单元3输入端另一端连接，整流滤波单元3通过对升压后的脉冲电压整流滤波后转化为直流电流。当直流电源模块工作时，开关管S1、开关管S4与开关管S2、开关管S3轮流交替导通，通过控制开关管的导通与截止的频率可以实现对第一储能电容的恒流充电。

本发明提供的用于电脉冲破碎的高压重频脉冲产生装置，包括直流充电电源，最大功率20kW，充电电压15kV～40kV可调，充电速率5kJ/s，第一储能电容的额定电压50kV，最大工作电压30kV，可采用多个电容器并联的方式实现，总容量1.6μF，放电开关采用可触发三电极气体开关，其电感小，有利于陡化脉冲电压，且耐压高、结构紧凑，陡化开关采用自击穿式两电极气体开关，当陡化开关和放电开关工作时均通以流动气体，有利于提高高压重频脉冲产生装置的工作寿命以及工作稳定性，该高压重频脉冲产生装置能够输出电压脉冲峰值200kV，上升沿400ns，最大工作频率为5Hz，单发能量900J的脉冲。匹配不同的放电单元可以应用于采矿选矿、多晶硅棒料破碎等工业领域。

本发明提供了采用高压重频脉冲产生装置产生高压重频脉冲方法，包括如下步骤：

(1)通过对第一储能电容充放电的方法将直流电压源转化为周期在微秒级的脉冲电压，包括如下步骤：

(11)直流电压源通过第一储能电容的充电回路对第一储能电容充电，检测第一储能电容两端电压是否达到第一电压，若是则进入步骤(12)，否则重复步骤(11)，第一电压为周期在微秒级的脉冲电压的最大值，且第一储能电容的充电回路的等效电阻和电容的容值乘积小于10^-5；

(12)结束第一储能电容充电过程并通过第一储能电容的放电回路对第一储能电容放电，检测第一储能电容两端电压是否达到第二电压，若是进入步骤(11)，否则重复步骤(12)；第二电压为周期在微秒级的脉冲电压的最小值，且第一储能电容的放电回路的等效电阻和电容的容值乘积小于10^-5。

(2)将周期在微秒级的脉冲电压进行放大处理。

(3)通过对第二储能电容充放电的方法将经过放大处理的周期在微秒级的脉冲电压转化为上升沿在纳秒级的脉冲电压，包括如下步骤：

(31)幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压通过第二储能电容的充电回路对第二储能电容进行充电，使得第二储能电容两端电压的上升沿在纳秒级，检测第一储能电容电压是否达到第三电压，若是则进入步骤(32)，否则重复步骤(31)，第三电压为上升沿在纳秒级的脉冲电压的最大值；

(32)幅值放大的周期在微秒级的脉冲电压通过第二储能电容的充电回路对第二储能电容进行充电的同时第二储能电容通过第二储能电容的放电回路放电，检测第二储能电容的电压是否达到第四电压，若是则进入步骤(31)，否则重复步骤(32)，第四电压为上升沿在纳秒级的最小值。

使得采用电容充放电的方法将直流电压源输出的直流电压转化为周期在微秒级的脉冲电压，并控制第一电压和第二电压改变输出微秒级的脉冲电压的幅值，且通过限制第一储能电容的容值、第一储能的电容的充电回路的等效电阻和放电回路的等效电阻，能够将直流电流转化为周期更小的脉冲电压，通过第一储能电容充放电方法易于实现，且步骤简单。采用对第二储能电容充放电的方法将周期在微秒级的脉冲电压的上升沿进一步陡化，实现输出上升沿在纳秒级的脉冲电压，通过控制第三电压和第四电压，控制上升沿在纳秒级的脉冲电压的幅值，实现输出用于电脉冲破碎的高压重频脉冲。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。