电磁发射用13MJ脉冲功率电源系统研究

随着电磁发射技术的发展,对脉冲功率电源特性的要求也越来越高,需要脉冲电流具有兆安级幅值、数毫秒脉宽、上升快速且有平顶波特点,为此研制了1套13 MJ、额定工作电压10 kV 的电容储能型脉冲电源。电源系统采用多模块并联结构,由13个储能1 MJ脉冲成形子系统组成,每个子系统包含20个50 kJ脉冲电源模块,单个模块短路放电电流最大可达65 kA;充电系统由基于串联谐振变换器的高压充电机组成;控制系统具有两级控制结构,使用同步编码信号对各电源模块进行时序放电控制;测量系统采用PXI系统,主从式网络结构,可满足分布式测量需求。系统在模拟负载上进行了性能测试,在电磁发射装置上进行了实验研究。实验结果表明,13 MJ脉冲功率电源系统输出电流波形灵活可调、可靠性高,可以满足电磁发射实验的需求。     

基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管（RSD）全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 kJ储能模块并联组成,采用一体化紧凑设计,内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 kV、总储能1 MJ,可通过时序控制对放电波形进行调节,短路同步放电峰值可达960 kA. 系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验,结果表明脉冲电源系统可靠性高,一致性好,输出波形灵活可调,满足轨道炮超高速发射研究的需要。     

用于电热化学发射实验的脉冲电源系统

目前用于中小口径电热化学发射实验研究的脉冲电源系统,基于电客储能原理,包括4个容量为500kJ可程序控制的电源模块,可为电热电磁发射研究提供灵活可靠的电源供应.每个500kJ电源模块都包括30kV电容器组,触发真空开关,高压快速硅堆以及调波电感器,并通过同轴电缆向负载输出脉冲电能.整个2MJ系统可以提供峰值50～300kA,脉宽0.5～3ms的脉冲电流.在此脉冲电源系统的基础上已经进行了大量实验,取得了一定的研究成果.     

电热化学发射中硅堆故障试验分析

针对电热化学发射试验中脉冲电源发生的高压硅堆损坏,分析可能导致器件损坏的原因,通过机械振动冲击试验、脉冲放电仿真与试验、硅堆反向恢复特性测量等确定故障原因。研究结果表明：电热化学发射过程中的机械振动冲击不会造成硅堆损伤,故障由电感性质负载特性、串联元件的反向恢复特性不一致和脉冲电源非同步放电等因素共同造成,传输线电感分量偏大是故障发生的直接原因。研究结论对于高压硅堆在电热化学发射中的应用具有指导作用。     

电磁发射中电容电压跌落与补偿稳压技术研究

在放电触发等待过程中,脉冲电源中电容电压通常会出现明显的跌落,而且放电触发等待时间的随机性会使得每次放电的电压跌落量均不相同。以用于电磁发射的脉冲电源为研究对象,根据脉冲功率模块的电路结构,分析了造成电容电压跌落的原因,主要是由于脉冲电容器自身漏电和主放电开关漏电所致。基于电磁轨道炮实验系统建立了仿真模型,计算了不同电容电压跌落量下的电枢出膛速度及速度下降率。仿真结果表明,电容电压跌落会导致电枢出膛速度减小、散布增大,影响了发射的一致性。针对电容电压跌落问题,提出了一种通过电能补偿实现电容电压动态稳定的方法,设计了电能补偿电路和适用于多模块组态脉冲电源电容电压采样的电压随动电路,对发射系统进行了补偿稳压技术改造,并开展了实验验证。结果表明,所采取的补偿稳压方法在放电触发等待过程中能将电容电压稳定在额定电压的0.5%范围之内。补偿稳压能够不受放电触发等待时间的影响,提高发射时脉冲电源放电电压的一致性,具有较高的应用价值。     

基于模糊控制的脉冲功率源放电时序控制研究

为了实现多参数电源模块的脉冲成形网络输出电流的稳定性与可控性,设计了一种基于模糊控制的电源时序触发控制系统。根据发射过程中电枢状态的非线性特征,建立电磁发射系统电路模型和动力学模型,并设计模糊控制器与控制指令处理与分配系统。建立一个由20个脉冲功率源模块组成的电磁发射系统仿真程序,验证上述系统的可行性。结果表明,模糊控制理论的引入可以准确控制脉冲功率源模块放电时序,使脉冲成形网络输出电流跟踪设定电流波形。     

拉开时序下脉冲成形网络中半导体器件的击穿与保护

为了让电磁轨道内的电枢获得均匀加速,脉冲成形网络（PFN）通常采用多个脉冲成形单元（PFU）拉开时序放电的工作模式,以输出平顶电流波形。此时,PFU内的续流二极管可能会承受很高的反向恢复电压而损坏。通过对二极管反向恢复过程以及PFN电路特性的分析,提出了一种通过避 免负载上出现反向电压的方法来消除半导体开关器件损坏的隐患,并推导出避免出现反向电压的参数匹配公式。将该匹配公式应用在一套由8个75 kJ模块组成的600 kJ储能的PFN电源参数设计中。该电源系统通过控制放电时序生成了近似平顶的电流波形,且系统工作稳定,无半导体开关器件损坏现象。实验结果表明,通过合理的负载参数匹配,可以降低甚至消除二极管上的反向过电压。     

一种高压真空触发开关脉冲变压器的设计

根据PFN放电回路中真空触发开关对脉冲变压器的要求,设计制作了一种简单实用的高压脉冲变压器,研究了不同变比的脉冲变压器的输出特性。将该脉冲变压器用于PFN放电回路中,取得了较好的触发控制效果。     

一种用于电磁发射的电感电容混合型储能脉冲电源

为探索电感储能脉冲电源用于电磁发射的可行性,研究了电感电容混合型meatgrinder脉冲电源电路.分析了带轨道炮负载的这种混合储能型脉冲电源系统的工作原理,结合仿真,研究了电源模块中电感、耦合系数和电容等参数对系统性能的影响,讨论了多个电源模块的并联运行问题.通过合理设计电源电路参数,这种脉冲电源电路用于轨道炮的发射是可行的,并且通过多模块的并联运行可以获得理想的脉冲电流波形和更高的系统能量转换效率.     

基于FPGA的高功率脉冲电源控制系统设计

针对高功率脉冲电源对电热化学炮负载的特殊需求以及现有控制器的不足,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的Nios II嵌入式控制系统,从而有效调节脉冲电源的放电波形。采用自顶向下的模块化设计方法,通过VHDL语言设计了一种高性能控制器的IP核,并进行仿真验证。该控制系统能产生多路可调的脉冲触发信号,能较好地控制执行设备,其时序差可进行纳秒级调整,同时系统提升了可裁剪性、抗干扰能力和控制精度。仿真试验结果表明,系统工作可靠,精度得到提高,能够较好地满足系统在强电磁干扰下的运行要求。运用仪器仪表技术,简化了系统硬件组构,保证了系统控制的实时性,也为补偿脉冲发电机的测控提供了一种新方法。     

电热化学炮移动式脉冲功率源

脉冲功率源系统的体积、重量、可移动性及可靠性对于应用于靶场实验的电热化学炮(ETCG)来说是重要的.为满足脉冲功率源集成化要求,必须开发、利用高储能密度、高功率的器件及综合设计脉冲功率源系统.该文研发了储能200 kJ的高储能密度脉冲功率源,ETCG靶场实验证明,该系统体积小,可移动性好,可满足ETC火炮的连续射击及单次射击,其充电时间少于10 s.功率源有10个电容器,在最大电压18 kV时储能200 kJ,高频充电器具有低谐波电流及输出功率大特点.     

一种同轴型脉冲功率电缆的设计与试制

为满足电热化学炮系统工程化研究需求,开展了一种同轴型脉冲功率电缆设计与试制。根据发射试验获得脉冲电流、内部过电压等数据以及商业大功率电缆使用的经验,分析确定了脉冲功率电缆设计指标;基于同轴型商业大功率电缆开展了脉冲功率电缆结构设计,增加了屏蔽加强层和半导电层。屏蔽加强层能抑制外导体芯线错位产生的强电动力,防止电缆变形和爆裂,提高机械强度,改善电磁屏蔽效果;半导电层有助于消除气隙,平衡内部电场。使用有限元分析ANSYS软件对脉冲功率电缆进行了电磁场和热分析,协助开展了电气强度、机械强度和温升特性等辅助设计。针对脉冲功率电缆推广使用中出现的芯线端部拉长、断股与撕裂等现象,为内导体设计了钢芯以提高其抗拉强度。耐压试验与脉冲放电测试的验证结果表明,脉冲功率电缆在25 kV/5min电压作用下无损坏,在幅值203 kA、半峰值时间大于2 ms脉冲电流作用下无形变,满足系统研制要求。     

轨道炮脉冲电源续流硅堆设计及实验现象分析

为了满足电磁轨道发射的要求,使总输出电流能叠加为设计的电流波形,进行了脉冲电源设计和脉冲放电波形调节技术的研究,设计了高压大功率续流硅堆装置.针对实验过程中出现的问题,从理论和实验的角度,分析了脉冲功率源系统产生问题的原因,提出改进方案,使发射试验得以顺利进行.     

使用爆炸组合开关的脉冲成形网络技术研究

本文研究了利用爆炸组合开关进行脉冲电流波形调制的技术 ,通过对网络结构、特性的分析和实验 ,建立了使用爆炸组合开关的脉冲成形网络模型及适用于电热化学炮研究的脉冲功率源 ,并进行了不同负载条件下的单、多路PFN的放电实验     

大功率二极管脉冲功率源中的过渡过程

在大功率RLC放电电路中,需要高压、大功率二极管对震荡放电电流进行整流。由于目前二极管的技术参数不足以评定其在FTC环境下的适用性,本文通过对二极管在高di/dt、dv/dt放电环境下开关特性的实验和分析,对两种带有二极管硅堆的脉冲成形网络的放电过渡过程的理论分析和实验,为在脉冲功率源中合理地使用和确定二极管的技术参数提供科学依据。     

提高脉冲功率源控制系统抗干扰能力的技术措施

针对电热化学炮研究中所遇到的电磁干扰问题，分析了电磁环境影响时序控制系统工作可靠性的主要因素及途径，对电磁干扰信号进行了频谱分析，提出了利用浮地屏蔽法解决控制系统抗干扰的技术措施，阀在储能３００ｋＪ的脉冲功率源中进行了多路放电实验。有效地提高了时序控制系统的抗干扰能力，使脉冲功率源的工作稳定性得到了改善。     

基于改进遗传算法的电磁轨道炮电源时序优化

针对电磁轨道炮电流波形平稳性的特殊要求,提出了一种基于改进遗传算法的电源时序优化方法。根据脉冲电源时序放电的特点,将电磁轨道炮的工作过程分成相互关联的多个阶段,采用多阶段优化策略。各阶段运用引入了精英保留、自适应变异和交叉3种策略共同作用的改进遗传算法产生新种群,克服早熟及收敛速度慢的缺陷; 优化过程中逐步动态更新缩小设计变量的搜索空间,以进一步提高搜索能力。以使用金属电枢的电磁轨道炮多个脉冲电源时序设计为例进行分析比较,结果表明,该方法不但增强了搜索能力,改善了求解的质量,而且电流波形非常平稳,提高了优化结果的实用性,是确定电磁轨道炮脉冲电源时序的一种有效方法。