脉冲功率开关在电磁轨道炮电容储能电源中的应用与实验研究
发布时间：2020-06-17 21:11
【摘要】：电磁轨道炮因其全电能的发射方式、超高的炮口初速、广泛的应用前途而成为国内外研究的热点。脉冲功率电源作为轨道炮系统的重要组成部分,用于为发射提供所需的能量,通过电力调节装置对电源放电电流的幅值、脉宽等参数有效的控制,以适应发射器负载的需求,从而达到超越常规火炮的发射速度。基于此,本文对电磁轨道炮电容储能型电源系统中的电力调节装置—脉冲功率开关,进行了如下应用与实验研究:1、真空触发开关脉冲电源系统研究。阐述了真空触发开关(TVS)的结构、触发特性,以及多棒极型真空触发开关(MTVS)的结构、导通特性与触发方式。采用RVU-43型MTVS作为主开关、针对小口径电磁轨道炮研究的需要,研制了一套由17个118kJ模块并联组成的总储能2MJ脉冲电源系统。对元器件的选型进行了分析与讨论,基于电容器直接放电方式设计了开关的触发电路,简述了控制、充电和测试系统,建立了相应的电路模型,通过仿真与实验比较的方式,验证了模型的准确性,确保满足设计的要求。电源系统最大工作电压13kV,单个储能模块最大可输出52.45kA电流,通过时序控制可产生数毫秒脉宽、幅值较大、波形可控可调的放电电流。通过小口径轨道炮发射实验,分析了同步放电条件下,不同充电电压、调波电感值、轨道结构对发射性能的影响,进行了同步放电条件下发射一致性实验。2、反向开关晶体管脉冲电源系统研究。阐述了反向开关晶体管(RSD)的结构、工作原理、换流特性以及预充触发电路。采用RSD开关研制了一套由16个储能64kJ模块组成的总储能1MJ、结构紧凑、集成度高的电容储能型脉冲电源系统。介绍了电源储能模块的组成,采用脉冲变压器升压预充电路设计了开关的预充触发电路,简述了充电、控制以及测试系统,建立了相应的电路模型,通过仿真与实验对比,以确保轨道炮电源满足幅值较高、时序可控、精准放电的波形要求。电源系统最大工作电压16kV,单个模块最大可输出60.02kA电流。充电电压14kV时,系统同步放电最大可输出829.88kA电流。通过小口径轨道炮发射实验,分析了在相同电气参数下,同步放电与时序放电对轨道炮发射性能的影响,研究了放电时序与发射过程的匹配问题,并进行了时序放电条件下的发射一致性实验。3、晶闸管开关脉冲电源系统研究。阐述了晶闸管开关(SCR)的结构与工作原理,串、并联应用时均压保护电路以及触发技术。采用SCR研制了一套由260个50kJ模块组成的总储能13MJ的脉冲电源系统,建立了相应的电路模型,通过仿真与实验对比以确保满足设计要求。电源系统最大工作电压10kV,单个模块最大可输出67.03kA峰值电流。通过对放电波形的观察可快速检验出故障模块,并对模块中元器件故障波形进行了分析。电源系统用于中口径电磁轨道炮发射实验,充电电压8.5kV时,可输出1.29MA,数毫秒脉宽的类平顶波电流,发射实验结果良好。对所应用的TVS、RSD、SCR三种开关,分别从开关的结构与导通机理、触发特性、电流上升率等方面展开对比分析与讨论,得到三种开关均能应用于轨道炮脉冲电源系统,相比较SCR更为适合的结论。同时建立了MJ级电源模块二极管串、并电路模型,根据开关的工作状态将放电过程分为电流增长、换相、衰减三个阶段进行分析,并通过仿真与实验验证了二极管串、并联应用的可行性。4、基于IGBT的小型化充电电源与电压保持技术研究。通过对多种充电方式的比较分析,认为采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的串联谐振高频恒流充电方式最为适合电磁轨道炮脉冲电源系统。为了满足250kJ电源模块高储能密度与短时高连续工作次数的要求,研制了一套小型化充电电源。对采用较大储能电源的发射系统较难满足高发射一致性的原因进行了分析,发现充电完成后金属化膜电容器电压受自身特性与系统杂散参数影响,随着等待发射时间增长而下降是其主要原因之一。当等待时间达到12s时,能量的损耗达总储能的5%以上。采用了一种简便、不额外增加系统体积的电压保持技术对充电系统进行改造,将放电电压的散布维持在1%以内,以达到提高轨道炮发射的一致性的目的。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ866
【图文】：
超高速发射进行可行性研究，分别将尼龙弹丸加速到４．８ｋｍ／ｓ［２Ｇ］。逡逑发展，电磁发射技术在２０世纪７０年Ｍａｒｓｈａｌｌ博士为首的研宄团队建造Ａ的５５０ＭＪ单极发电机和５ｍ长的．９ｋｍ／Ｓ，开启了电磁轨道发射技术全开始评估电磁发射技术现状和应用潜工作小组，制定了由国防部出资、多８］年，美国西屋公司主要承担建造了一台１５ＭＪ单级发电机５米长轨１９８２年进行了多次发射试验，将质ＭＡ，炮口动能达２．８ＭＪ，超过了初速Ｋ系统储能升级至３０ＭＪ，主要用于。逡逑
与论证工作，系统由１２段４ｍ长５６ｍｍ邋口径的发射器组成，采用模块化设计、可分布逡逑式馈电的６０ＭＪ电容储能电源，用于提高轨道炮发射效率与初速的研究，并于１９９１年完逡逑成了邋２ＭＪ电源系统的组建雷电轨道炮系统如图１．２所示。逡逑~栧义贤迹保参魑莨纠椎绻斓琅谙低冲义希梗澳甏跗冢拦轮荽笱в朊拦骄献鞒闪⒘讼冉际跹绣乘ǎ欤睿樱保簦酰簦邋澹妫铮蝈义希粒洌觯幔睿悖澹溴澹裕澹悖瑁睿铮欤铮纾澹桑粒裕饕邮鲁咚俜⑸浼际醯难芯浚郏矗荩郏矗玻荨＃保梗梗的辏桑粒酝瓿慑义狭隋澹保常停实缛荽⒛苈龀宓缭聪低车淖榻ú⒔辛酥锌诰兜绱欧⑸涫匝椋茫矗埃恚礤蹇诰跺义希常福沓し⑸淦鹘柿浚埃保罚耄绲牡杓铀僦粒玻玻担耄恚螅逯档缌鞔铮保停粒郏矗常荨Ｍ辏拦义闲嫉绱欧⑸溲芯康闹氐愦臃⒄构婺８蟮挠布湮⊙芯坑牍こ碳际跹芯浚郏矗矗荨Ｋ驽义虾笫辏桑粒酝瓿闪隋澹停良锻鞴斓澜峁埂⒉牧嫌胧喙炫浜系挠呕芯浚迪至隋澹玻埃埃埃恚箦义霞杜诳谒俣任奚帐次廾馀傧鞣⑸洌谰冻潭艿绱排诼壑ぬ峁┝嘶∈莺凸丶煎义鲜跹橹ぃ郏矗担荨＃玻埃埃改辏桑粒越辛舜罂诰洞笾柿糠⑸涫匝椋褂迷迹常沓ぃ保玻埃恚礤蹇诰豆戾义系琅诜⑸洌保常耄绲
本文编号：2718169
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ866
【图文】：
超高速发射进行可行性研究，分别将尼龙弹丸加速到４．８ｋｍ／ｓ［２Ｇ］。逡逑发展，电磁发射技术在２０世纪７０年Ｍａｒｓｈａｌｌ博士为首的研宄团队建造Ａ的５５０ＭＪ单极发电机和５ｍ长的．９ｋｍ／Ｓ，开启了电磁轨道发射技术全开始评估电磁发射技术现状和应用潜工作小组，制定了由国防部出资、多８］年，美国西屋公司主要承担建造了一台１５ＭＪ单级发电机５米长轨１９８２年进行了多次发射试验，将质ＭＡ，炮口动能达２．８ＭＪ，超过了初速Ｋ系统储能升级至３０ＭＪ，主要用于。逡逑
与论证工作，系统由１２段４ｍ长５６ｍｍ邋口径的发射器组成，采用模块化设计、可分布逡逑式馈电的６０ＭＪ电容储能电源，用于提高轨道炮发射效率与初速的研究，并于１９９１年完逡逑成了邋２ＭＪ电源系统的组建雷电轨道炮系统如图１．２所示。逡逑~栧义贤迹保参魑莨纠椎绻斓琅谙低冲义希梗澳甏跗冢拦轮荽笱в朊拦骄献鞒闪⒘讼冉际跹绣乘ǎ欤睿樱保簦酰簦邋澹妫铮蝈义希粒洌觯幔睿悖澹溴澹裕澹悖瑁睿铮欤铮纾澹桑粒裕饕邮鲁咚俜⑸浼际醯难芯浚郏矗荩郏矗玻荨＃保梗梗的辏桑粒酝瓿慑义狭隋澹保常停实缛荽⒛苈龀宓缭聪低车淖榻ú⒔辛酥锌诰兜绱欧⑸涫匝椋茫矗埃恚礤蹇诰跺义希常福沓し⑸淦鹘柿浚埃保罚耄绲牡杓铀僦粒玻玻担耄恚螅逯档缌鞔铮保停粒郏矗常荨Ｍ辏拦义闲嫉绱欧⑸溲芯康闹氐愦臃⒄构婺８蟮挠布湮⊙芯坑牍こ碳际跹芯浚郏矗矗荨Ｋ驽义虾笫辏桑粒酝瓿闪隋澹停良锻鞴斓澜峁埂⒉牧嫌胧喙炫浜系挠呕芯浚迪至隋澹玻埃埃埃恚箦义霞杜诳谒俣任奚帐次廾馀傧鞣⑸洌谰冻潭艿绱排诼壑ぬ峁┝嘶∈莺凸丶煎义鲜跹橹ぃ郏矗担荨＃玻埃埃改辏桑粒越辛舜罂诰洞笾柿糠⑸涫匝椋褂迷迹常沓ぃ保玻埃恚礤蹇诰豆戾义系琅诜⑸洌保常耄绲
本文编号：2718169
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