【摘要】：電磁軌道炮因其高炮口速度成為未來火炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展方向,其關(guān)鍵部件是能提供短時強電流脈沖的脈沖電源。脈沖發(fā)電機是一種基于慣性儲能原理的脈沖電源,具有高能量密度的優(yōu)勢,有很強的應(yīng)用潛力。不過隨著軌道炮發(fā)射能量的不斷提高,單臺脈沖發(fā)電機難以滿足發(fā)射需求。為此,本論文提出并研究一種由多個脈沖發(fā)電機模塊組成的慣性儲能脈沖功率電源(Inertia-based Modular Pulsed Power Supply,IMPPS),解決單個電機驅(qū)動高能量軌道炮存在的電機制造困難、電流波形調(diào)節(jié)困難、放電轉(zhuǎn)矩沖擊大等問題。對脈沖發(fā)電機的研究原先都是基于一個模塊的研究,而慣性儲能模塊化電源需要解決脈沖發(fā)電機快速設(shè)計、選擇多少電機模塊、模塊之間以何種方式連接、以何種方式控制放電過程等實際問題。因此,本論文在脈沖發(fā)電機設(shè)計和模塊化電源匹配設(shè)計方法、連接方式、放電控制方法等方面展開研究,主要研究工作包括以下幾個方面:對脈沖發(fā)電機設(shè)計原理進行了研究�；诖攀肝环ê碗娐贩治鼋Y(jié)合的方法,解析描述了脈沖發(fā)電機的磁場特性和暫態(tài)運行過程,解決了空心結(jié)構(gòu)和暫態(tài)運行的脈沖發(fā)電機運行機理闡釋不清的問題,使電機設(shè)計和分析擺脫有限元軟件。在分析軌道炮對脈沖發(fā)電機特殊性能需求的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到了電機性能需求與設(shè)計參數(shù)之間的解析關(guān)系,并表達為主要設(shè)計參數(shù)與系數(shù)乘積的簡潔的形式。分析得到了脈沖發(fā)電機的“電磁”負荷及其限制因素——機械負荷和磁負荷,受碳纖維強度的限制。給出脈沖發(fā)電機的設(shè)計流程,實現(xiàn)了脈沖發(fā)電機的快速設(shè)計。最后研制測試了一臺百兆瓦級脈沖發(fā)電機。電機設(shè)計理論、樣機測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,為模塊化電源設(shè)計和研究奠定了基礎(chǔ)。脈沖發(fā)電機不是類似于鋰電池的標準器件,因而模塊化電源的匹配設(shè)計存在方案計算量大和方案對比尋優(yōu)困難等問題。為此,給出了一種模塊化電源裂變設(shè)計方法。這種方法將原先一臺基準電機滿足的負載需求分解為n個電機模塊滿足,利用了機械負荷和磁負荷相同的脈沖發(fā)電機具有的幾何相似性,將電機模塊參數(shù)和性能表述為模塊個數(shù)的函數(shù),并分析對應(yīng)的拖動電機和整流橋的參數(shù)和性能,最終得到n個滿足負載需求的模塊化電源方案,解決了方案快速設(shè)計和性能計算的問題。分析了模塊化電源匹配設(shè)計優(yōu)化目標與模塊個數(shù)之間的關(guān)系,給出了從中確定最優(yōu)模塊個數(shù)的方法。給出了模塊化電源匹配設(shè)計流程,針對32MJ炮口動能軌道炮,設(shè)計了6臺電機模塊組成的模塊化電源方案。針對模塊化電源電機繞組連接方式問題,以電機模塊成對運行的雙電機系統(tǒng)為基本的研究單元,對比分析了電機模塊串聯(lián)和并聯(lián)、獨立勵磁和串聯(lián)勵磁、直流端并聯(lián)和交流端并聯(lián)等不同連接方式的特點。研究并揭示了脈沖發(fā)電機參數(shù)偏差對放電電流的影響機理,分析了電機參數(shù)不一致對雙電機系統(tǒng)性能影響。結(jié)果表明:電機參數(shù)偏差對放電電流偏差是正反饋作用,交流端并聯(lián)的雙電機系統(tǒng)由于允許環(huán)流,能抑制電機參數(shù)偏差的正反饋作用,受電機參數(shù)不一致的影響更小。因而,雙電機系統(tǒng)選擇交流端并聯(lián)連接方式。分析了多個雙電機系統(tǒng)組成的模塊化電源特點和連接方式,最終選擇每個雙電機系統(tǒng)在直流端并聯(lián)的連接方式,這樣能靈活獨立控制每個單元放電時序,提高電流波形調(diào)節(jié)能力。模塊化電源是一種發(fā)電機系統(tǒng),需要控制其放電過程以確保軌道炮平穩(wěn)和高效運行,為此研究了模塊化電源放電控制方法。理論分析了模塊化電源驅(qū)動軌道炮的放電過程,得到其放電電流規(guī)律和特性。研究表明:脈沖發(fā)電機放電時,多相電流之間存在由觸發(fā)角控制的電壓增益和電流抑制的相互作用;模塊化電源驅(qū)動軌道炮是一個暫態(tài)的、機電耦合的、含有人為控制因素的過程。對模塊化電源放電控制問題進行了描述,確定了優(yōu)化目標、優(yōu)化變量和約束條件,給出了以加速比和效率為優(yōu)化目標的理想放電電流波形。在此基礎(chǔ)上,分別給出基于規(guī)則和基于遺傳算法的模塊化電源放電控制方法。最后,采用加權(quán)組合法將加速比和效率雙目標轉(zhuǎn)換為單目標,給出了基于遺傳算法的多目標放電控制方法,實現(xiàn)了軌道炮平穩(wěn)和高效運行。本論文在脈沖發(fā)電機設(shè)計理論研究和樣機制造測試的基礎(chǔ)上,通過對模塊化電源匹配設(shè)計方法、連接方式、放電控制方法等問題的研究,解決了電機模塊化應(yīng)用帶來的理論問題,為未來驅(qū)動高能量軌道炮的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

引了美國軍方的注意，在上世紀八十年代EM 受美國陸軍資助，為其研制用于驅(qū)動CEM 研制的多代樣機，均用于驅(qū)動軌道EM 完成了速射炮用補償脈沖發(fā)電機的設(shè)，由鋁筒提供被動補償，樣機外形如圖

第 1 章 緒 論驗的成功，促使美國陸軍和 CEM 合作設(shè)立，旨在研究更加緊湊的脈沖發(fā)電機。為此，，用復(fù)合材料代替鐵磁材料的空心脈沖發(fā)電機[轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，由鋁筒提供被動補償。復(fù)合機質(zhì)量大幅度降低，運行轉(zhuǎn)速提高。該電增加儲能，因而電機能量密度得到很大提高
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM31

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李軍;嚴萍;袁偉群;;電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J];高電壓技術(shù);2014年04期

2 張適昌;嚴萍;王玨;袁偉群;任成燕;邵濤;張東東;;民用脈沖功率源的進展與展望[J];高電壓技術(shù);2009年03期

3 葉才勇;于克訓(xùn);劉曉旭;潘垣;;補償脈沖發(fā)電機電流脈沖成形的分析[J];高電壓技術(shù);2008年02期

4 李格;被動補償脈沖發(fā)電機渦流損耗的解析計算[J];核聚變與等離子體物理;2001年02期

5 李格,劉保華,秦文汀,陳強,李佳民,張延標;旋轉(zhuǎn)磁通壓縮脈沖發(fā)電機驅(qū)動電磁軌道炮實驗[J];核聚變與等離子體物理;2001年01期

6 劉克富,潘垣;用于ETCG脈沖電源的CPA波形調(diào)節(jié)策略[J];華中理工大學(xué)學(xué)報;2000年06期

7 劉克富,潘垣,李勁松,劉保華;補償脈沖發(fā)電機為主體電源的電熱化學(xué)炮系統(tǒng)模擬和試驗[J];電工技術(shù)學(xué)報;2000年02期

8 武衛(wèi)東,李朗如,叢林;被動補償脈沖發(fā)電機無槽電樞繞組瞬態(tài)電感的計算[J];中國電機工程學(xué)報;1999年04期

9 徐善綱,史黎明,張適昌;補償脈沖發(fā)電機的容性負載特性[J];電工電能新技術(shù);1990年04期

10 徐善綱,張適昌,史黎明;補償脈沖發(fā)電機[J];電工電能新技術(shù);1990年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉輝;基于協(xié)同工作的多個電感儲能型脈沖電源模塊的研究[D];北京理工大學(xué);2014年

2 胡玉偉;電磁軌道炮仿真及性能優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 莊黎;脈沖電源系統(tǒng)參數(shù)對炮口初速精度的影響分析[D];南京理工大學(xué);2017年

2 牟樹君;空心脈沖發(fā)電機勵磁與控制系統(tǒng)的研究[D];華中科技大學(xué);2009年

3 張世林;空心補償脈沖發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計與仿真[D];華中科技大學(xué);2008年

4 鄭科;永磁式被動補償脈沖發(fā)電機研究[D];華中科技大學(xué);2004年

本文編號：2608098