【摘要】：電磁軌道炮因其全電能的發(fā)射方式、超高的炮口初速、廣泛的應(yīng)用前途而成為國內(nèi)外研究的熱點。脈沖功率電源作為軌道炮系統(tǒng)的重要組成部分,用于為發(fā)射提供所需的能量,通過電力調(diào)節(jié)裝置對電源放電電流的幅值、脈寬等參數(shù)有效的控制,以適應(yīng)發(fā)射器負載的需求,從而達到超越常規(guī)火炮的發(fā)射速度。基于此,本文對電磁軌道炮電容儲能型電源系統(tǒng)中的電力調(diào)節(jié)裝置—脈沖功率開關(guān),進行了如下應(yīng)用與實驗研究:1、真空觸發(fā)開關(guān)脈沖電源系統(tǒng)研究。闡述了真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)的結(jié)構(gòu)、觸發(fā)特性,以及多棒極型真空觸發(fā)開關(guān)(MTVS)的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)通特性與觸發(fā)方式。采用RVU-43型MTVS作為主開關(guān)、針對小口徑電磁軌道炮研究的需要,研制了一套由17個118kJ模塊并聯(lián)組成的總儲能2MJ脈沖電源系統(tǒng)。對元器件的選型進行了分析與討論,基于電容器直接放電方式設(shè)計了開關(guān)的觸發(fā)電路,簡述了控制、充電和測試系統(tǒng),建立了相應(yīng)的電路模型,通過仿真與實驗比較的方式,驗證了模型的準確性,確保滿足設(shè)計的要求。電源系統(tǒng)最大工作電壓13kV,單個儲能模塊最大可輸出52.45kA電流,通過時序控制可產(chǎn)生數(shù)毫秒脈寬、幅值較大、波形可控可調(diào)的放電電流。通過小口徑軌道炮發(fā)射實驗,分析了同步放電條件下,不同充電電壓、調(diào)波電感值、軌道結(jié)構(gòu)對發(fā)射性能的影響,進行了同步放電條件下發(fā)射一致性實驗。2、反向開關(guān)晶體管脈沖電源系統(tǒng)研究。闡述了反向開關(guān)晶體管(RSD)的結(jié)構(gòu)、工作原理、換流特性以及預(yù)充觸發(fā)電路。采用RSD開關(guān)研制了一套由16個儲能64kJ模塊組成的總儲能1MJ、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的電容儲能型脈沖電源系統(tǒng)。介紹了電源儲能模塊的組成,采用脈沖變壓器升壓預(yù)充電路設(shè)計了開關(guān)的預(yù)充觸發(fā)電路,簡述了充電、控制以及測試系統(tǒng),建立了相應(yīng)的電路模型,通過仿真與實驗對比,以確保軌道炮電源滿足幅值較高、時序可控、精準放電的波形要求。電源系統(tǒng)最大工作電壓16kV,單個模塊最大可輸出60.02kA電流。充電電壓14kV時,系統(tǒng)同步放電最大可輸出829.88kA電流。通過小口徑軌道炮發(fā)射實驗,分析了在相同電氣參數(shù)下,同步放電與時序放電對軌道炮發(fā)射性能的影響,研究了放電時序與發(fā)射過程的匹配問題,并進行了時序放電條件下的發(fā)射一致性實驗。3、晶閘管開關(guān)脈沖電源系統(tǒng)研究。闡述了晶閘管開關(guān)(SCR)的結(jié)構(gòu)與工作原理,串、并聯(lián)應(yīng)用時均壓保護電路以及觸發(fā)技術(shù)。采用SCR研制了一套由260個50kJ模塊組成的總儲能13MJ的脈沖電源系統(tǒng),建立了相應(yīng)的電路模型,通過仿真與實驗對比以確保滿足設(shè)計要求。電源系統(tǒng)最大工作電壓10kV,單個模塊最大可輸出67.03kA峰值電流。通過對放電波形的觀察可快速檢驗出故障模塊,并對模塊中元器件故障波形進行了分析。電源系統(tǒng)用于中口徑電磁軌道炮發(fā)射實驗,充電電壓8.5kV時,可輸出1.29MA,數(shù)毫秒脈寬的類平頂波電流,發(fā)射實驗結(jié)果良好。對所應(yīng)用的TVS、RSD、SCR三種開關(guān),分別從開關(guān)的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)通機理、觸發(fā)特性、電流上升率等方面展開對比分析與討論,得到三種開關(guān)均能應(yīng)用于軌道炮脈沖電源系統(tǒng),相比較SCR更為適合的結(jié)論。同時建立了MJ級電源模塊二極管串、并電路模型,根據(jù)開關(guān)的工作狀態(tài)將放電過程分為電流增長、換相、衰減三個階段進行分析,并通過仿真與實驗驗證了二極管串、并聯(lián)應(yīng)用的可行性。4、基于IGBT的小型化充電電源與電壓保持技術(shù)研究。通過對多種充電方式的比較分析,認為采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的串聯(lián)諧振高頻恒流充電方式最為適合電磁軌道炮脈沖電源系統(tǒng)。為了滿足250kJ電源模塊高儲能密度與短時高連續(xù)工作次數(shù)的要求,研制了一套小型化充電電源。對采用較大儲能電源的發(fā)射系統(tǒng)較難滿足高發(fā)射一致性的原因進行了分析,發(fā)現(xiàn)充電完成后金屬化膜電容器電壓受自身特性與系統(tǒng)雜散參數(shù)影響,隨著等待發(fā)射時間增長而下降是其主要原因之一。當?shù)却龝r間達到12s時,能量的損耗達總儲能的5%以上。采用了一種簡便、不額外增加系統(tǒng)體積的電壓保持技術(shù)對充電系統(tǒng)進行改造,將放電電壓的散布維持在1%以內(nèi),以達到提高軌道炮發(fā)射的一致性的目的。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TJ866
【圖文】：

超高速發(fā)射進行可行性研究，分別將尼龍彈丸加速到４．８ｋｍ／ｓ［２Ｇ］。逡逑發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)在２０世紀７０年Ｍａｒｓｈａｌｌ博士為首的研宄團隊建造Ａ的５５０ＭＪ單極發(fā)電機和５ｍ長的．９ｋｍ／Ｓ，開啟了電磁軌道發(fā)射技術(shù)全開始評估電磁發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用潛工作小組，制定了由國防部出資、多８］年，美國西屋公司主要承擔建造了一臺１５ＭＪ單級發(fā)電機５米長軌１９８２年進行了多次發(fā)射試驗，將質(zhì)ＭＡ，炮口動能達２．８ＭＪ，超過了初速Ｋ系統(tǒng)儲能升級至３０ＭＪ，主要用于。逡逑

與論證工作，系統(tǒng)由１２段４ｍ長５６ｍｍ邋口徑的發(fā)射器組成，采用模塊化設(shè)計、可分布逡逑式饋電的６０ＭＪ電容儲能電源，用于提高軌道炮發(fā)射效率與初速的研究，并于１９９１年完逡逑成了邋２ＭＪ電源系統(tǒng)的組建雷電軌道炮系統(tǒng)如圖１．２所示。逡逑~栧義賢跡保參魑莨糾椎綣斕瑯諳低沖義希梗澳甏跗冢攔輪荽笱в朊攔驕獻鞒閃⒘訟冉際躚繡乘ǎ歟睿櫻保簦酰簦邋澹媯錚蟈義希粒洌觶幔睿悖澹溴澹裕澹悖瑁睿錚歟錚紓�，邋ＩＡＴ），主要脆]魯咚俜⑸浼際醯難芯浚郟矗藎郟矗玻蕁＃保梗梗的輳桑粒醞瓿懾義狹隋澹保常停實縟荽⒛藶齔宓繚聰?shù)蛙嚹组建并进行了咒\誥兜绱歐⑸涫匝�，用４０ｍｍ邋空a跺義希常福沓し⑸淦鶻柿浚埃保罰耄緄牡杓鈾僦粒玻玻擔耄恚�，峰謾n緦鞔錚保停粒郟矗常蕁Ｍ輳攔義閑嫉绱歐⑸溲芯康鬧氐憒臃⒄構(gòu)婺８蟮撓布湮⊙芯坑牘こ碳際躚芯浚郟矗矗蕁Ｋ駑義蝦笫輳桑粒醞瓿閃隋澹停良鍛鞴斕瀾峁�、材料�?xùn)V喙炫浜系撓嘔芯浚迪至隋澹玻埃埃埃恚簀義霞杜誑謁俁任奚帳次廾馀儐鞣⑸�，为米廃詢鎏动能电磁耪庅证提供了基础数菌L凸丶煎義鮮躚櫓ぃ郟矗擔蕁＃玻埃埃改輳桑粒越辛舜罌誥洞籩柿糠⑸涫匝�，使用咱E常沓ぃ保玻埃恚礤蹇誥豆戾義系瑯詵⑸洌保常耄緄

本文編號：2718169