1绪论
1.1课题的背景和意义
固体激光器一般由激光工作物质、粟浦源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。脉冲氙灯泵浦固体激光器的基本结构如阁1-1所示：
从上图可知，通常脉冲固体激光器电源系统包括：触发电路、储能电容以及高压充电电源三部分。其中，体积和重量最大的是储能电容器，作为激光粟浦的脉冲氙灯 ，是储能电容器（作为电源使用）的负载。电源系统是激光器重要的组成部分，它决定了激光器的整体性能。往往电源系统的质量指标直接决定了该激光器某项技术指标能否顺利实现。传统的高能脉冲固体激光器的电源系统，由原动机一同步发电机组提供原始的电能供给，经高压充电器进行相关的电力电子变换后再给储能电容器组充电，最后还需要经过脉冲成形，才能对激光粟浦（脉冲氙灯）放电。具体的部件包括：拖动电机、高压发电机、充电电路、储能电容器组、脉冲成形网络及放电电路等。
为了适应作为激光泵浦源的脉冲氙灯对电能供给的高储能和特殊工作脉冲波形的要求，传统的电源系统在同步发电机组提供的初始能量供给后并不能直接提供给脉冲氙灯，需要进过高压储能电容器组这个中间环节，而储能电容器组的前级需要加装高压充电器装置，后级又需要加装脉冲成形装置，经过这些复杂的发电、储能和电力电子变换电路共同的作用，才能达到对放电脉冲波形的调控的目的。多级电路和元部件的叠加，使得整个电源系统的结构较为复杂，可靠性也随之下降。因此传统的电源系统不能适应高能脉冲固体激光器发展的简单化要求。同时，电容器储能密度相对较低，这样在高储能的要求下就不得不增加电容器串并联的数量，从而使得装置体积大、质量重、成本高。因此传统的电源系统也不能适应高能脉冲固体激光器发展的小型化要求。
因此，需要提出一种新的电源模式来满足高能脉冲固体激光器的发展趋势。由于惯性储能方式比电场储能方式储能密度要高得多，本文用波形可调控的高储能密度的补偿脉冲发电机电源系统模式取代低储能密度的电容器组电源系统模式，以达到激光器电源系统简单化和小型化的目的。对比补偿脉冲发电机和脉冲电容器的储能密度可知：目前国际上做得较好的脉冲电容器的储能密度为2.5kJ/L[3H4](约0.5kJ/kg)，且只有1000次充放电寿命，尚不能投入实际应用。国内可以投入实际应用的电容器最高储能密度为1.2kJ/L (约0.3kJ/kg)。补偿脉冲发电机电源系统（包括励磁与控制系统）的储能密度已达到20kJ/kg以上，并能够长期运行。可见，补偿脉冲发电机的储能密度是脉冲电容器的几十甚至上百倍，因此，采用利用惯性储能原理的补偿脉冲发电机可以极大的减小电源系统的重量和体积。
1.2国内外补偿脉冲发电机电源系统研究现状
根据1.1小节介绍的课题的背景和意义可知，该高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的本质就是补偿脉冲发电机电源系统。世界上第一台补偿脉冲发电机(CPA)诞生于1978年，由美国德克萨！^机电中心（CEM-UT) W.F.Weldon等人为了适应重复脉冲功率的需要而研制的[6][7]。补偿脉冲发电机是一种单部件脉冲功率电源装置，同时它还具有高储能密度、高功率密度和输出波形灵活可调的优点，使得其一问世就受到高度重视并得到了迅速发展，成为脉冲功率电源家族的后起之秀，为小型化高功率脉冲功率电源的研制提供了一条新的途径。
1980-1990年期间，前苏联莫斯科航空研究所国防实验室研制了一台补偿电机。该电机主要特点有两个：一、励磁绕组和电枢绕组同时布置在定子上，同时在转子上也放置一套绕组。通过和二极管、晶闹管与这几套绕组的连接以及适当的控制，可以省去电刷和滑环；二、通过在电枢导体周围包裹金属屏蔽套，可以有效的减小等效内感。该电机在结构和屏蔽技术上均有一定的创新，但是功率较小（2kV，2kA),仍然属于试验性质的原型机。
80年代中期，英国原子能管理局Culham实验室为研究补偿脉冲发电机驱动激光闪光灯的可行性，将一台9.2kw的三相并激换向器电动机改造成主动补偿脉冲发电机实验模型样机，分别进行了阻性和容性负载实验[31][32]。八十年代末期，Culham实验室将该主动补偿脉冲发电机样机又改装成选择补偿脉冲发电机，用以研究选择补偿脉冲发电机的平项波电流脉冲的成形能力，并以电阻为负载进行了实验[33]，其转速为3500rpm,储能只有40kJ。
在国内，有四家单位开展补偿脉冲发电机研究工作，它们分别是：中科院合肥等离子体物理研究所、中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学和华中科技大学。中国科学院等离子所自1980年率先开展补偿脉冲发电机研究工作，截至1987年3月，共研制了六台主动补偿脉冲发电机模型机,从第三台开始，采用自励，第六台采用了无槽电枢绕组。此外，等离子所还创新地提出了补偿脉冲发电机串级运行概念，并对其进行了实验研究[35]。
2高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的理论基础
2.1引言
由第一章的论述可知，高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的本质就是补偿脉冲发电机驱动脉冲氙灯负载放电的一种电源装置。补偿脉冲发电机是一种可以输出高峰值电流的特殊结构的同步发电机，作为该电源系统的主供电装置使用，其不同的补偿方式下的电机输出电流波形的特性也不相同；脉冲氙灯作为一种特殊的电阻性负载，其正常工作还需要配备相应的触发预燃电源装置，这是独立于主供电装置之外的。因此，与常规的同步发电机带纯电阻性负载系统的电路相比，高能脉冲固体激光器直驱_式电源系统的电路更为复杂，本章将从补偿脉冲发电机和脉冲氙灯的原理特性出发进行分析，构建出了直驱式电源系统的电路结构，得到在单发和连续脉冲下的该电源系统的工作模式。
2.2补偿脉冲发电机的原理分析
一般来说，交流电机的脉冲功率输出能力与电机的空载感应电势和内阻抗有很大的关系。在进行脉冲功率输出时其工作状态近似于突然短路，这时电机输出的脉冲电流大小与其内阻抗即瞬态内电感有直接的关系。瞬态内电感越小，输出脉冲功率的能力就越强[77]。而常规的同步发电机在放电时，电枢反应磁场穿过气隙通过转子闭合，即定子磁链通过空气隙与转子铁心交链，等效的瞬态内电感比较大，限制了放电电流的上升速度和峰值。而且，对常规的同步发电机而言，短路是一种故障工作方式，短路电流越小越好。但是在脉冲固体激光器电源中，我们需要的是瞬时的大功率脉冲电流，因此常规的同步发电机一般不能满足需要。
在这方面，补偿脉冲发电机利用磁通压缩原理，很好的解决了瞬态内电感的问题。它通过在转子与定子之间放置一个补偿元件，当电机对负载进行瞬间的放电时，补偿元件相应的流过补偿电流，从而产生变化的磁场，而这个变化的磁场与电枢反应磁场相互作用，使电机的等效瞬态内电感大大减小，从而提高电机瞬间输出功率的能力[54]。
根据超导回路的磁链守恒原理可知：通过任意一个超体闭合回路中的磁链是守恒的。也就是说，无论外磁场交链超导体闭合回路的磁链如何变化，回路感应电流所产生的磁链总会抵制这种变化，使回路中的总磁链保持不变。然而，在实际的电机中，定、转子绕组都不是超导回路，都存在一定的电阻。由于电阻总要消耗一定的能量，因此，在突然短路后绕组回路中的磁链实际上是不能守恒的。不过，在有限运动速度或有限交变频率情况下，闭合回路的磁链都不会突变，故认为突然短路瞬间绕组回路中的磁链遵从守恒原理还是合理的，由此就可能确定短路瞬间电流的大小。
根据高能脉冲固体激光器对其电源系统的能量要求，需要在作为激光栗浦的脉冲氙灯放电时的能量最大化，这就要求提供主放电的补偿脉冲发电机具备输出大电流和高峰值功率的能力。比较以上三种补偿方式下的输出电流波形可知：主动补偿利用电机内电感的变化压缩了脉宽，从而使得电流波形是一个幅值较高的尖顶窄脉冲，增加了峰值功率；被动补偿方式下的电机内电感为一个较低的恒值，使得电流脉冲波形近似于正弦，与常规的同步发电机的短路电流波形类似；选择被动补偿脉冲发电机利用电机内电感的变化，使得电流波形是一个幅值相对较小的平顶脉冲，降低了峰值功率。因此，从输出电流的幅值和峰值功率的角度看，主动补偿脉冲发电机较为适合作为该直驱式电源系统的主供电电源。
综上所述，将三种补偿方式下的电流波形与高能脉冲固体激光器要求的电流波形总结对比分析后，最终选择主动补偿脉冲发电机作为高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的主供电装置。同时，脉冲氙灯作为一种特殊的电阻性负载，其工作特性也需要经过分析和论证，才能与主动补偿脉冲发电机相配合，共同构成该直驱式电源系统的两大核心部件。
3高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的数学模型
3.1 引言.................................(26)
3.2主动补偿脉冲发电机的数学模型...........(26)
3.3主动补偿脉冲发电机驱动脉冲氙灯负载的简化数学模型...........(30)
4主动补偿脉冲发电机的电磁设计
4.1 引言......................(41)
4.2电磁设计特点......................(41)
4.3主动补偿脉冲发电机总体方案的确定...........(43)
4.3定转子槽数的选取和绕组的结构设计...........(47)
4.4绕组电感的计算......................(51)
5主动补偿脉冲发电机的有限元分析和系统性能的仿真
5.1 引言............................................(64)
5.2主动补偿脉冲发电机样机瞬态电磁场有限元分析...........(64)
6高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的主电路设计和实验研究
6.1引言
通过前文的分析，明确了高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的两大核心元件一脉冲氣灯和主动补偿脉冲发电机的原理和设计方法，并通过仿真对该直驱式电源系统的输出性能作出评估。本章将进一步详细阐述整个直驱式电源系统主电路的组成和构建，包括：主放电开关、电流及电压检测装置和系统主控制器等相关的设计和参数计算。同时对脉冲氣灯及其触发预燃电源进行了设计和加工并完成了相关的参数校核实验，并在完成主动补偿脉冲发电机样机设计和加工制造的基础上进行了空载实验，用于验证本文分析的主动补偿脉冲发电机及其与脉冲氣灯特性匹配的相关理论的正确性。
经过前文的分析，在2.4小节图2-10中初步给出了该高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的原理示意图，并阐明了整个电源系统的运行模式。在实际实验的过程中，根据主动补偿脉冲发电机样机的输出性能和脉冲氙灯的物理特性，需要对图2-10进行必要的调整。
(1)由第三章的原理分析得出主动补偿脉冲发电机样机的励磁电源釆用恒流源励磁对输出波形的稳定最为有利，因此在实验系统中专门给主动补偿脉冲发电机配备了一个电流可调的恒流源，这样图2-10中的励磁控制开关SR1可以省去。
(2)由5.5小节对系统输出性能的仿真评估可知：在额定状麥下系统的单发脉冲电流峰值为4.5kA，实验过程中要求放电开关是可控的，能随时的开断放电电流。根据电流峰值和可控性条件，实验系统中的放电幵关选用IGCT，而IGCT是个相对复杂的开关元器件，还需要配备相应的阻容吸收电路、缓冲电路和控制电路，这些都构成了系统主电路设计的一部分。
(3)根据5.5小节对系统最大连续脉冲重复频率的分析：系统的最大重复频率与主动补偿脉冲发电机的频率相等。那么样机的额定转速10000r/min下对应的频率为167Hz,意味着对于作为电机负载的脉冲fix灯来说，要具备每秒钟最大能承受167次放电脉冲的能力，并且单发脉冲输出的能量为IkJ，这从氣灯的散热和下艺的免度上来讲是很难实现的。因此，要想在很高的重复频率下得到系统的连续脉冲放电电流实验波形，用一只脉冲氙灯作为负载是不能实现的，必须采用多只灯分时复用的方式。本次实验采用了三只相同的脉冲氙灯作为主动补偿脉冲发电机的负载，并且每只脉冲氣灯都配备了触发预燃电源，这样在电机的主放电到来时，可以让三只灯分时的来承受电流脉冲，每次只有一只灯工作，剩下的两只可以自然的冷却。
7总结与展望
7.1本论文主要的工作和研究成果
本文分析了基于主动补偿脉冲发电机的高能固体激光器直驱式电源系统的总体方案，对系统的放电特性、电机样机以及主电路设计理论进行了重点的论述说明，并完成了仿真分析和实验校核，仿真和实验的结果具有一致性，共同验证了本文提出的电机及脉冲氣灯相关理论的正确性。该直驱式电源系统的研制为国内首例，为国内发展小型化、可移动化的高能脉冲固体激光器的电源系统奠定理论基础，并积累了实践经验。
本文的主要研究成果可以概括为以下几点：
(1)高能脉冲固体激光器直驱式电源系统总体方案的研究
全面分析了补偿脉冲发电机的运行原理和在不同补偿方式下输出电流的波形特点，证明了主动补偿脉冲发电机适用于驱动脉冲氙灯作为该直驱式电源系统的主供电电源，阐述了脉冲氣灯的放电过程的工作特性，提出通过外部触发加维持电流的方式来与电机的输出电流进行匹配。同时，结合补偿脉冲发电机具有重复频率高的特点，提出了单发脉冲和连续脉冲的工作模式，为高能脉冲固体激光器直驱式电源系统总体方案的分析和设计奠定了理论基础。
(2)主动补偿脉冲发电机直接驱动脉冲氙灯数学模型的建立
分析了主动补偿脉冲发电机特殊的绕组结构，并利用回路模型构建出电机的状态方程。再结合本系统的样机釆用恒流源提供恒定励磁电流和脉冲氙灯釆用预燃电源提供维持电流的实际工况，进一步推导了出可以准确描述本系统工作状态的主动补偿脉冲发电机直接驱动脉冲氣灯的数学模型。
结合主动补偿脉冲发电机输出电流的波形特点，研究了本系统主电路的设计方案，对主放电开关、电压电流及位置检测元件和系统控制器等相关元件进行了选型和设计加工，完成了高能脉冲固体激光器直驱式电源系统的工程化设计。在此基础上进行了样灯阻抗系数的校核实验、样机的空载实验和系统的放电实验，实验结果验证了本文提出的主动补偿脉冲发电机及其与脉冲氙灯特性匹配的相关理论的正确性。
参考文献（略）