惯性储能模块化电源研究

发布时间：2020-03-30 21:37

【摘要】：电磁轨道炮因其高炮口速度成为未来火炮发射技术的发展方向,其关键部件是能提供短时强电流脉冲的脉冲电源。脉冲发电机是一种基于惯性储能原理的脉冲电源,具有高能量密度的优势,有很强的应用潜力。不过随着轨道炮发射能量的不断提高,单台脉冲发电机难以满足发射需求。为此,本论文提出并研究一种由多个脉冲发电机模块组成的惯性储能脉冲功率电源(Inertia-based Modular Pulsed Power Supply,IMPPS),解决单个电机驱动高能量轨道炮存在的电机制造困难、电流波形调节困难、放电转矩冲击大等问题。对脉冲发电机的研究原先都是基于一个模块的研究,而惯性储能模块化电源需要解决脉冲发电机快速设计、选择多少电机模块、模块之间以何种方式连接、以何种方式控制放电过程等实际问题。因此,本论文在脉冲发电机设计和模块化电源匹配设计方法、连接方式、放电控制方法等方面展开研究,主要研究工作包括以下几个方面:对脉冲发电机设计原理进行了研究。基于磁矢位法和电路分析结合的方法,解析描述了脉冲发电机的磁场特性和暂态运行过程,解决了空心结构和暂态运行的脉冲发电机运行机理阐释不清的问题,使电机设计和分析摆脱有限元软件。在分析轨道炮对脉冲发电机特殊性能需求的基础上,推导得到了电机性能需求与设计参数之间的解析关系,并表达为主要设计参数与系数乘积的简洁的形式。分析得到了脉冲发电机的“电磁”负荷及其限制因素——机械负荷和磁负荷,受碳纤维强度的限制。给出脉冲发电机的设计流程,实现了脉冲发电机的快速设计。最后研制测试了一台百兆瓦级脉冲发电机。电机设计理论、样机测试数据和经验,为模块化电源设计和研究奠定了基础。脉冲发电机不是类似于锂电池的标准器件,因而模块化电源的匹配设计存在方案计算量大和方案对比寻优困难等问题。为此,给出了一种模块化电源裂变设计方法。这种方法将原先一台基准电机满足的负载需求分解为n个电机模块满足,利用了机械负荷和磁负荷相同的脉冲发电机具有的几何相似性,将电机模块参数和性能表述为模块个数的函数,并分析对应的拖动电机和整流桥的参数和性能,最终得到n个满足负载需求的模块化电源方案,解决了方案快速设计和性能计算的问题。分析了模块化电源匹配设计优化目标与模块个数之间的关系,给出了从中确定最优模块个数的方法。给出了模块化电源匹配设计流程,针对32MJ炮口动能轨道炮,设计了6台电机模块组成的模块化电源方案。针对模块化电源电机绕组连接方式问题,以电机模块成对运行的双电机系统为基本的研究单元,对比分析了电机模块串联和并联、独立励磁和串联励磁、直流端并联和交流端并联等不同连接方式的特点。研究并揭示了脉冲发电机参数偏差对放电电流的影响机理,分析了电机参数不一致对双电机系统性能影响。结果表明:电机参数偏差对放电电流偏差是正反馈作用,交流端并联的双电机系统由于允许环流,能抑制电机参数偏差的正反馈作用,受电机参数不一致的影响更小。因而,双电机系统选择交流端并联连接方式。分析了多个双电机系统组成的模块化电源特点和连接方式,最终选择每个双电机系统在直流端并联的连接方式,这样能灵活独立控制每个单元放电时序,提高电流波形调节能力。模块化电源是一种发电机系统,需要控制其放电过程以确保轨道炮平稳和高效运行,为此研究了模块化电源放电控制方法。理论分析了模块化电源驱动轨道炮的放电过程,得到其放电电流规律和特性。研究表明:脉冲发电机放电时,多相电流之间存在由触发角控制的电压增益和电流抑制的相互作用;模块化电源驱动轨道炮是一个暂态的、机电耦合的、含有人为控制因素的过程。对模块化电源放电控制问题进行了描述,确定了优化目标、优化变量和约束条件,给出了以加速比和效率为优化目标的理想放电电流波形。在此基础上,分别给出基于规则和基于遗传算法的模块化电源放电控制方法。最后,采用加权组合法将加速比和效率双目标转换为单目标,给出了基于遗传算法的多目标放电控制方法,实现了轨道炮平稳和高效运行。本论文在脉冲发电机设计理论研究和样机制造测试的基础上,通过对模块化电源匹配设计方法、连接方式、放电控制方法等问题的研究,解决了电机模块化应用带来的理论问题,为未来驱动高能量轨道炮的实际应用奠定了基础。
【图文】：

发射导轨,铁芯,电机,补偿脉冲发电机

引了美国军方的注意，在上世纪八十年代EM 受美国陆军资助，为其研制用于驱动CEM 研制的多代样机，均用于驱动轨道EM 完成了速射炮用补偿脉冲发电机的设，由铝筒提供被动补偿，样机外形如图

脉冲发电机,电磁炮

第 1 章绪论验的成功，促使美国陆军和 CEM 合作设立，旨在研究更加紧凑的脉冲发电机。为此，，用复合材料代替铁磁材料的空心脉冲发电机[转电枢式结构，由铝筒提供被动补偿。复合机质量大幅度降低，运行转速提高。该电增加储能，因而电机能量密度得到很大提高
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31

【参考文献】