连续脉冲电源用超导脉冲变压器设计与试验研究

将超导电感储能用于脉冲电源,可以减少充电过程中的电阻损耗,降低对初级充电电源的功率要求。本文介绍了一种基于超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,对该电路的工作过程进行了详细的原理分析,指出该连续脉冲电源电路兼具漏感能量回收和负载剩余能量回收的优点,并研制了用于该连续脉冲电源电路原理验证的小型高温超导脉冲变压器。通过连续电流脉冲测试实验对该连续脉冲电源电路原理和小型高温超导脉冲变压器的可行型进行了验证,分析比较了该小型高温超导脉冲变压器在常导和超导状态下的连续脉冲输出特性。测试结果达到了预期目标,并证明了超导电感在提高能量传输效率和降低对初级充电电源功率要求方面的优势。     

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。     

双极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究

提出并深入研究了高频脉冲交流环节逆变器电路拓扑族及其双极性移相控制策略。借助周波变换器换流重叠和输出滤波电感电流极性选择 ,该双极性移相控制策略实现了变压器漏感能量和滤波电感电流的自然换流 ,解决了这类逆变器固有的电压过冲和换流重叠期间周波变换的环流现象 ,实现了逆变桥功率器件的ZVS开关和周波变换器功率器件的ZCS开关。仿真与原理试验结果均证实了这种双极性移相控制策略的可行性和理论分析的正确性     

基于瞬时漏感参数特性识别电流互感器匝间短路故障

提出一种快捷的电流互感器匝间短路等效瞬时漏感的计算方法,通过二次侧绕组直流电阻、漏感、二次侧负载等相关试验参数和二次电流采样值便可计算出电流互感器匝间短路等效瞬时漏感.对计算结果的分析可知,电流互感器发生匝间短路故障时,其故障相与非故障相的等效瞬时漏感相位相反,且非故障相的等效瞬时漏感为无穷大.仿真实验结果验证了上述特性,其可以作为电流互感器匝间短路故障的判据.另外,仿真实验结果显示,正常运行时,各相等效瞬时漏感的计算值呈现正负交替的特征,可作为电流互感器匝间短路故障的判据.电流互感器正常运行时,根据二次不平衡电流计算出的等效瞬时漏感幅值随不平衡电流变化,利用该特性可防止保护在流过不平衡电流时误动.     

用于轨道炮的超导储能脉冲电源设计

针对轨道炮的应用需求,为解决电感储能型脉冲电源炮口消弧与剩余能量回收的问题,在绞肉机电路基础上提出了一种新型超导储能脉冲电源拓扑。建立了脉冲电源与简单轨道炮的仿真模型,仿真实现了轨道电流在电枢出炮口前降为0的设计并进行了能量回收,分析了电容参数和终止放电时机对系统性能的影响。仿真与实验结果表明:该拓扑可以实现充电、放电、终止放电、能量回收4种工作模态;在充电电流16.5 A的条件下,最终输出的脉冲电流峰值达到了166 A,而且在放电过程后,回收了部分能量,回馈电流为11.2 A,这减少了系统45.78%的能量损耗;电容参数的设计应同时考虑对系统电压应力和脉冲电流波形的要求,终止放电时机应在考虑延时的前提下尽量后移。     

变极性微弧氧化电流脉冲电源拓扑研究

提出了一种基于双管反激拓扑的微弧氧化电流脉冲单元,它具有脉冲能量可控的优点.分析了将两单元直接反并联构成变极性电流脉冲电源时,在两单元次级电感中产生环流的原因,以及环流对负载和开关管造成的危害.利用晶闸管作为阻断环流的开关,构成一种变极性电流脉冲电源拓扑,详细分析了其工作过程,并进行了实验验证.     

双极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究

提出并深入研究了高频脉冲交流环节逆变器电路拓扑族及其双极性移相控制策略。借助周波变换器换流重叠和输出滤波电感电流极性选择，该双极性移相控制策略实现了变压器漏感能量和滤波电感电流的自然换流，解决了这类逆变器固有的电压过冲和换流重叠期间周波变换器的环流现象，实现了逆变桥功率器件的零电压开关和周波变换器功率器件的零电流开关。仿真与原理试验结果均证实了这种双极性移相控制策略的可行性和理论分析的正确性。     

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。     

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。     

瞬变电磁法高动态电流陡脉冲发射电路研究

瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)要求激励脉冲电流下降沿高度线性、稳定,并具有关断延时短、无电流过冲和良好的正负向一致性等特点,全桥电路可用于产生双极性电流脉冲,但在母线电压低、负载电感量大、回路电阻小的情况下,脉冲的前后沿波形形状难以满足瞬变电磁法要求。提出恒压钳位电流陡脉冲发射电路,讨论了电路参数计算、能量回馈和损耗等问题,采用仿真和实验方法,与改进RCD缓冲器、电感能量衰减器(inductance energy decay device,IEDD)和准谐振发射电路作了对比分析。结果表明,推荐电路关断延时短,下降沿线性度高且斜率可调,电路参数最优解与负载、电源和输出电流不相关,改善了上升沿波形,减小了能量损耗。讨论阻断二极管位置对关断性能的影响并提出了在不同输出功率情况下的推荐方案。     

一种固态开关紧凑高压脉冲电源的设计与仿真

为了满足运载工具对脉冲放电电源的需求,设计了一种利用车载蓄电池作充电电源,采用两级电感储能、电容传输能量的拓扑电路,脉冲变压器输出最大幅值30 kV、ns级上升沿(反应器负载)、高压脉冲重复频率1 kHz的用于放电处理汽车尾气的全固态开关紧凑型高压脉冲电源;分析了电源主电路工作原理,对电路的动态工作进行数学建模和解析求解,并用Matlab仿真给出一组典型的电源工作波形,为电源设计和元件参数选取提供了依据。在给定电路和负载参数下对电源工作进行PSpice仿真分析的结果表明,该方法能真实反映实际元器件参数对电路工作的影响;该电源能胜任一定范围的阻、感、容性负载下的工作,负载特性可用于电路设计的改进和用户参数的选取,特别是容性反应器负载的特性表明电源可用于汽车尾气的处理。     

单级磁脉冲压缩系统分析

为提高磁脉冲压缩系统的应用效果,在分析了传统磁脉冲压缩系统的原理、缺点后介绍了省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统并从原理、压缩过程以及不同的拓扑电路3方面详细分析了单级磁脉冲压缩系统,特别是C3和C4对负载放电过程,给出了等效电路。通过等效电路的仿真解释了续流电感L2对系统的影响;仿真和实验结果的对比验证了电路仿真模型的正确;对于快速恢复二极管替代续流电感的系统电路,仿真与实验结果均表明脉冲尾部的反峰幅值与持续时间都显著减小。     

纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

基于Saber的磁脉冲发生电路仿真研究

磁脉冲发生系统利用快速饱和磁性材料在饱和时电感量的突变来实现对能量的压缩和释放。本文设计了一种包含快饱和磁性器件的单级脉冲发生电路,对电路的工作原理进行了详细分析并对关键参数进行了设计,讨论了中储电容和限流电感对脉冲压缩效果的影响。利用Saber仿真软件,对电路进行了仿真研究。由仿真结果可知,当储能电容初始电压为280V时,该电路可在350Ω的纯阻性负载上产生下降沿约83ns,峰值为13. 64kV的负极性高压脉冲,验证了理论分析的正确性与电路的可行性。     

超导电感储能高功率脉冲技术及其仿真研究

提出了利用超导磁储能系统(SMES)来提高电力系统稳定性、提供紧急备用电源和实现新概念武器脉冲电源的“一机三职”功能的基础上,研究了一种基于超导电感储能系统和超导开关的脉冲功率成形技术,探讨了超导脉冲功率技术需要解决的重要基础问题;并根据超导电感储能系统及超导开关特性,提出了超导磁体和超导开关的理想结构,设计了一种脉冲成形网络模型;通过控制外加电流触发超导开关失超来控制超导开关断路,实现高密度无损耗储能、可控脉冲整形,并在电阻负载下,进行了脉冲成形回路放电仿真实验,得到了较理想的脉冲功率输出。     

一种高电压增益宽范围软开关双向DC-DC变换器

提出一种高电压增益宽范围软开关双向DC-DC变换器拓扑,其以双向Buck/Boost结构为基础,利用耦合电感的漏感与谐振电容串联谐振,能够在非极端占空比条件下实现高电压增益。耦合电感的漏感与谐振电容组成的谐振腔不仅可以控制循环的漏感能量,还可以抑制谐振电流的变化,使其在低压侧较宽的电压范围内,全负载工况下均能实现软开关。所提拓扑采用低压侧交错并联、高压侧串联的结构,使其具有低压侧电流纹波小、相电流小、开关管及电容电压应力低等优点。详细分析该变换器的工作原理,对其电压增益、软开关条件等稳态工作特性进行研究。最后,搭建一台低压侧40～150V、高压侧400V、功率2kW的实验样机,验证理论分析的正确性。     

基于断路开关的准方波输出脉冲功率源

为了改善电感储能脉冲功率源的输出波形,提出一种基于电爆炸金属丝断路开关的准方波输出脉冲功率源。该脉冲源以脉冲电容器为初始储能源,通过脉冲形成网络对电爆炸金属丝开关放电,当电流达到峰值附近时,电爆炸金属丝开关断开,将能量切换到负载上。由于脉冲形成网络中电感电流不能突变,所以负载上能得到数倍于初始储能电容充电电压的脉冲输出;由于脉冲形成网络中电容的续流作用,所以负载上能得到准方波脉冲输出。通过理论分析和电路仿真分析,确定了脉冲形成网络的电感电容级数和爆炸丝参数。对功率源进行了实验验证,实验结果表明:在1μF初始充电电容充电32 kV时,在10Ω负载上得到电压幅值83 kV,半高宽279 ns,90%平顶172 ns左右的脉冲输出,证明了该原理的脉冲功率源可行性。     

瞬变电磁发射机中的电流脉冲整形技术

如何在大功率、大电感情况下实现电流脉冲短关断延时和下降沿高线性度是瞬变电磁发射机的关键问题。文中讨论了常规吸收电路对脉冲下降沿线性度、关断延时、电压应力等方面产生的影响,计算了电路参数最优解,提出了一种准谐振型吸收电路,分析了电路参数与关断延时、下降沿线性度的关系,运用Matlab和PSim进行了计算和仿真分析。实验证明,推荐电路具有关断延时短、正负脉冲一致性好、无过冲现象等特点,适宜于TEM发射机的负载能量吸收电路。     

基于反激变换器的漏感能量回收方法

反激变压器原边漏感的存在增加了功率器件的电压应力,并降低了变换器的变换效率。本文研究了一种新颖的变压器漏感能量吸收电路,实现了漏感能量的回收和利用。论文采用的吸收电路为反激电路,它能将主电路变压器漏感能量直接释放到输出侧供给负载。同时吸收电路采用电压滞环控制,工作频率由漏感能量决定,当主电路的功率降低时吸收电路的工作频率也会随之降低,变换器轻载效率高。详细分析了吸收电路的工作原理,给出了参数设计方法,研制了两路交错并联反激变换器的实验样机,实验结果证明了所提出方法的有效性。     

风力发电机组四象限脉冲整流器控制技术研究

风能是一种具备大规模开发利用价值的新型能源。大力加强风力发电关键控制技术的研究,对实现风能向电能的高效转化具有重要意义。本文重点研究了三相电压型脉冲整流器的工作原理和控制策略。基于Matlab/Simulink搭建了三相电压型脉冲整流器的仿真模型。仿真实验证明,该四象限脉冲整流器能够实现对母线电压、网侧输入电流、网侧功率因数的有效控制,具有很高的工程应用价值。