基于meat grinder with SECT电路的50kJ电感储能型脉冲电源的研究

电感储能型脉冲电源是目前电磁发射技术的研究热点,提升装置储能密度对于推动电感储能型脉冲电源的应用和研究具有重要意义。本文介绍了一种适用于电感储能型脉冲电源的名为meat grinder with SECT的新电路,并对该电路进行了详细的原理分析,指出该电路兼具电流关断能力强和拓扑结构简单的优点。通过仿真将meat grinder with SECT和STRETCH meat grinder、STRETCH meat grinder with ICCOS这两种主流电路进行了性能比较,发现meat grinder with SECT电路在保持电气性能不变的同时,成本最低,体积最小。基于meat grinder with SECT电路,本文研制了50k J电感储能型脉冲电源并进行了试验测试,测试结果达到了预期目标。     

电感储能连续脉冲电源驱动电磁发射系统仿真

为探索连续电磁轨道发射用超导电感储能脉冲电源,建立基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,对脉冲电源电路驱动电磁发射系统的不同放电阶段进行数学建模,仿真分析电路参数对电磁发射特性的影响,最后实验验证脉冲电源的可行性。仿真中基于储能27.72 kJ的单模块的高温超导脉冲变压器,当耦合系数为0.95,转换电容为400μF,副边电感为9.2μH,抛体质量为21.61 g时,得到510 m/s的发射速度,原边电感在放电结束后可回收剩余能量6 kJ。结果表明基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源用于电磁发射系统是可行的,并有利于系统能量利用效率的提高和连续电磁发射的实现。     

基于超导储能电感的meat-grinder脉冲电源

为了探索高温超导储能用于线圈型同步感应电磁推进脉冲电源的可行性,研究了超导电感和电容混合型meat-grinder脉冲电源电路。设计并研制了一个小型的高温超导储能脉冲变压器,提出了高温超导储能脉冲变压器使用meat-grinder电路拓扑结构的脉冲成形方案,并以3个电感线圈作模拟同步感应电磁推进系统负载,进行了仿真分析和实验验证。在77 K和储能电流96 A的情况下,实验得到了2.35~3.04 kA的电流脉冲输出,并有望在20 K温度下满足线圈型电磁推进的应用要求。结果表明,提出的脉冲电源模式是可行的。因负载电流脉冲受负载阻抗影响较大,在实际电磁推进应用中,需要减小线路电阻和常导电感的内阻。     

用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述

作为电磁发射装置的基础组成部分,高功率脉冲电源在很大程度上决定着电磁发射技术的研究进展和应用潜能。关于脉冲电源的研究整体上可以分为三个阶段,分别是基本拓扑单元的研究、脉冲电源模块化研究以及多电源模块协同工作的研究。电感储能型脉冲电源具有较高的储能密度,并且以静态形式储能,这些优势使其成为近期诸多学者研究的热点之一。目前,国内外研究机构和学者对电感储能型脉冲电源基本拓扑单元及其实验验证研究取得了很大的进展,然而对于电源模块化及多模块协同工作的研究尚处于初级阶段。在综述电感储能型脉冲电源基本拓扑及其参量分析与实验验证等研究现状的基础上,提出将来研究的关键是如何将基本拓扑单元模块化、小型化,从而构建多模块协同工作的大电流脉冲电源系统,使其早日进入实际应用阶段。     

多模块电感型脉冲源系统的分析与优化

由于电感储能型脉冲源单模块的能级受限,无法达到电磁发射的能量要求,需进行多模块协同工作的研究。而电感型脉冲源元件参数众多,工作过程复杂,且多模块运行中存在串扰,给系统设计带来很大的挑战。该文基于Meat Grinder with SECT电路,探究了多模块电感型脉冲源的工作过程,经过磁路和电路的等效处理之后,将多模块系统的运行简化为单模块问题。基于此,建立了详细的多模块脉冲源系统的解算方法,可以利用最底层的几何和电气参数,计算出脉冲源系统的性能指标。使用遗传算法对系统参数进行大规模优化,得到储能密度最高的多模块电感型脉冲源系统的参数,使用8个分立的脉冲源模块,并联、同步为负载放电,可以实现4.58MJ/m³的储能密度和158kA的电流输出。     

新型电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑

提出了一种用于电磁发射的电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑。该拓扑中两储能电感充电时串联,放电时并联,以实现电流倍增。与meatgrinder电路相比,该电路两储能电感之间不需要磁耦合,具有设计简单灵活、容易制造的特点。为避免电感储能断路时断路开关出现过电压问题,用电容作为能量转换器件可实现开关的零电压断路。对该脉冲电源系统的工作原理进行了理论分析,搭建了小型实验系统,验证了该电源拓扑的可行性。以轨道炮为负载,对电感、电容参数对系统性能的影响进行了仿真分析,结果表明多个电源模块的并联运行能明显提高系统能量转换效率。     

电容器级新型储能电介质的储电性能研究

在电容型储能脉冲功率电源中,脉冲电容器的储能密度直接影响脉冲功率电源和脉冲功率系统的小型化发展.目前,脉冲电容器的介质材料多采用双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP),其储能密度很难进一步提升,因此需要研究新型电容储能材料,以提高电容器的储能密度.本文以电容器用储能电介质为研究对象,对聚合物基无机纳米复合电介质(PVDF/Ti...     

舰载电磁轨道炮用高功率脉冲电源研究进展

结合舰载电磁轨道炮的发展需求,分别阐述了发电机系统、电感储能系统、电容器系统和超级电容储能系统等四种高功率脉冲电源的基本原理和研究现状,并分析了它们的优缺点和应用前景。     

脉冲电源对电弧放电等离子体温度的控制研究EI北大核心CSCD

等离子体温度是电弧放电过程中的重要参数,控制等离子体温度能够有效的控制等离子体化学反应过程。为此,在研制电感储能和电容储能2种脉冲电源的基础上,测定了在不同放电频率、电容电压和储能电容条件下的脉冲电弧放电等离子体发射光谱,并计算了对应条件下的温度。结果显示:电弧放电等离子体温度可以通过改变电感储能电源中的放电频率和电容储能电路中的电压和电容值控制,其线性关系良好,相关系数分别为0.946、0.974和0.979。     

高储能密度电感的设计

电感作为电感储能型脉冲电源的核心元件,其结构及参数直接影响脉冲电源的性能指标。电感设计的关键环节是获得最高的储能密度,Brooks线圈等高品质因数电感虽然具有高储能密度,但是由于在计算电感储能密度时,电感体积的计算方法不同,导致由给定材料绕制的Brooks线圈并不一定具有最高的储能密度。本文电感设计时基于空心平面螺旋型线圈,通过分析给定范围内的线圈参数,计算并寻找具有最高储能密度的电感。通过实验验证了该方法的准确性。最后,比较了该方法的寻优结果与Brooks线圈参数,验证了该方法在寻找高储能密度电感方面的优势。     

混合储能脉冲电源中电容重复利用方案设计及仿真

在基于超导电感-电容混合储能脉冲电源中,两个储能电感比值较大时转换电容的容量要求也较大,降低了超导储能的体积优势。针对这一问题,本文分析了转换电容对单模块电路工作特性的影响,提出了多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的设计思路,并以三模块为例对同时放电和延时放电模式进行了仿真验证。仿真结果表明:多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路可以共用一个转换电容支路,两种放电模式对负载电流脉冲都进行了改进,但同时放电模式进一步降低了超导储能的优势,而延时放电模式可大幅提高超导储能的优势。     

基于meat-grinder脉冲电源的感应线圈炮发射性能仿真分析

为了减小脉冲电源的体积,探索电感储能脉冲电源用于感应线圈炮的可行性,在线圈炮系统中引入了电容转换的meat-grinder脉冲电源电路。首先对该脉冲电源驱动感应线圈炮负载的工作原理进行了分析。然后基于Maxwell 2D仿真环境,建立了单级感应线圈炮的2维有限元模型,瞬态仿真确定了触发放电位置,并分析了驱动线圈电感和电容器电容值对发射性能的影响。仿真结果表明:电容转换的meat-grinder电路用于驱动感应线圈炮是可行的;触发放电位置、驱动线圈的电感和电容器的电容值对发射性能都存在影响;选择合理的参数可以提高发射效率。在系统设计时,驱动线圈电感和电容器电容值的选取需要从降低断路开关电压,保持较高发射效率,以及降低电容器容量要求等方面综合考虑。     

脉冲电源储能电容反向充电电压释放方法

在放电主开关放置于储能电容支路的脉冲功率电源放电过程中,储能电容存在反向充电现象,反向电压无法释放,影响储能电容的使用寿命,并降低了脉冲功率电源的使用效率。在详细推导电容储能型脉冲功率电源放电过程的基础上,分析影响储能电容反向充电电压的因素,讨论降低储能电容反向充电电压的途径,将放电主开关放置于负载支路的电路结构,实现了储能电容反向充电电压的释放。仿真和实验结果表明:调整放电开关位置后的脉冲功率电源负载电流特性与调整前基本一致,完全满足电磁发射的需求;同时,反向电压的及时释放提高了储能电容的使用寿命,增加了电磁发射系统的效率。     

串联充电-并联放电型电感储能线圈炮系统的研究

建立了串联充电-并联放电型电感储能单级脉冲感应线圈炮的系统模型,利用PSpice对系统特性进行了仿真,分析了弹丸线圈时间常数、转换电容、初始位移等参数对发射过程的影响,并对比了单个电感线圈储能和两个电感线圈串联充电-并联放电型电源拓扑的发射结果。搭建了由两个电感线圈构成的串联充电-并联放电的小型线圈炮实验系统,其中控制电路以DSP芯片TMS320F2812为基础设计而成。实验结果和仿真结果吻合较好,验证了系统模型的正确性。     

先进飞轮储能电源工程应用研究进展

先进飞轮储能电源研究目前集中于三项关键技术:为提高飞轮储能密度的复合材料设计与制作:高效高速大功率永磁无刷电机研制以及重型飞轮的高温超导磁体悬浮轴承技术.经过30余年以工程应用为目标的飞轮储能电源系统实验研究为飞轮电源的工业化应用奠定了坚实的基础,低速飞轮作为不间断电源UPS的储能元件在10年前开始在不间断电源工程中得到商业推广应用,高速飞轮因其技术难度大而至今处于工程试用研发阶段.飞轮储能电源技术在国内研究广泛,理论研究丰富,但工程应用研究进展缓慢.     

脉冲电源对电弧放电等离子体温度的控制研究

等离子体温度是电弧放电过程中的重要参数,控制等离子体温度能够有效的控制等离子体化学反应过程。为此,在研制电感储能和电容储能2种脉冲电源的基础上,测定了在不同放电频率、电容电压和储能电容条件下的脉冲电弧放电等离子体发射光谱,并计算了对应条件下的温度。结果显示:电弧放电等离子体温度可以通过改变电感储能电源中的放电频率和电容储能电路中的电压和电容值控制,其线性关系良好,相关系数分别为0.946、0.974和0.979。     

基于过程集成的电磁轨道炮脉冲电源多目标优化

利用数值仿真方式研究电磁轨道炮脉冲电源系统——多级电容储能系统。首先利用系统仿真软件Simplorer V7搭建脉冲电源模型,进而仿真观察发射过程。弹丸发射速度和脉冲电源系统效率是设计者最关注的两个目标,而导轨及电枢材料又限制了弹丸的最大加速度,因此有必要找出在一定储能下的最佳参数配合(弹丸质量、各级储能段触发时间),使得弹丸发射速度最大,同时系统有较高的效率。本文基于过程集成的思想,使用优化软件iSIGHT,应用解决多目标优化问题的优秀算法——NSGA-II来求解上述的多目标问题的Pareto最优解。优化后的参数配置明显提升了发射速度,同时提高了系统效率。Pareto解集的多样性也给设计者在权衡速度和效率时更大的选择范围。在优化结果的基础上,对弹丸质量、触发间隔与发射速度、系统效率之间的关系做了进一步的讨论。     

含有强耦合电感的XRAM发生器及100kJ模块设计

电感储能型脉冲电源由于具有较高的储能密度和相对容易实施等优势而倍受研究者的关注。Meat grinder和XRAM是构成电感储能型脉冲电源的两种基本拓扑单元。其中,由多个电感线圈串联充电、并联放电构成的XRAM拓扑在结构上具有较强的拓展性,易于实现模块化。本文将构成XRAM电路的多个电感定制成为相互层叠的多个空心平面螺旋线型线圈结构,使电感线圈间具有强耦合作用。与原有结构相比,在相同储能时体积更小。理论分析和初步试验说明了电感间的强耦合作用不会弱化电路的电气性能。最后,讨论了利用这种含有强耦合电感的XRAM拓扑构建100k J能级模块的方案,并计算了储能密度,突出了其优越性。     

一种新型的恒流高压充电电源

在强激光脉冲电容器储能系统和加速器电容储能系统中,都存在对大容量储能电容充电的问题。在这些系统中充电电源的设计应满足容量、效率和充电速率等方面的要求。     

电磁发射用“锂电池-超级电容”混合储能技术研究综述

随着电磁发射系统(EMLS)应用场景的多样化发展,单一储能器件无法同时满足不同种类载荷发射过程中高功率密度和高能量密度的储能需求。为此,分析了EMLS短时间歇式运行模式下的储能需求,介绍了EMLS储能技术的研究现状及现有缺陷。在此基础上,对“锂电池-超级电容”混合储能应用于EMLS所需要攻克的储能器件选择、并联结构设计、容量配置和实时控制等关键技术进行了论述与总结,并对电磁发射混合储能技术的未来研究与发展方向提出了展望。