身管外壳对电磁轨道发射装置发射性能影响分析

电枢在发射过程中,瞬时变化的导轨电流会在金属身管外壳上感应出巨大的涡流,身管涡流会产生额外的损耗,同时外壳涡流的去磁效应会改变电枢、导轨等器部件的应力分布从而影响装置发射性能。该文建立了电磁轨道发射装置的数学模型,并针对整体式、上下分断式以及叠压式三种外壳结构有限元模型进行了电磁场-结构场联合仿真,获得了发射装置电磁参数和各部件应力分布。有限元电磁仿真结果表明,叠压式外壳结构外壳涡流最小、电感梯度最大、器部件应力最大,整体式外壳结构外壳涡流最大、电感梯度最小、器部件应力最小。全系统电气仿真和对比试验证明,在满足外壳支持强度和装置各部件应力条件下,选用高磁导率、低电导率的材料并设计抑制涡流的身管外壳结构,有利于提高发射装置电枢出口速度和系统效率,从而获得优良的发射性能。

对称PWM减小H半桥型开关功放电流纹波的新方法

针对H半桥两电平开关功率放大器输出电流纹波较大导致负载损耗增加的缺点,提出采用2路中心对称但占空比不同的PWM实现三电平工作方式的新方法,称为对称PWM法。该方法采用一路PWM占空比固定,另一路PWM占空比受控可变的原理实现了三电平工作方式。给出了输出电流纹波计算公式,利用Matlab对开关功率放大器进行了仿真,构建了以DSP为控制核心的数字式开关功率放大器试验平台,进行了两电平和三电平开关功率放大器对比试验。理论分析、数字仿真和试验结果的一致性表明,采用对称PWM法能够有效地减小H半桥开关功率放大器输出电流纹波。

双闭环控制的三相整流发电机数字式励磁系统

为了提高三相整流发电机电压控制精确度,提出采用直流侧电压负反馈和励磁电流负反馈构成的双闭环励磁控制策略。根据发电机空载特性曲线引入饱和系数,建立三相整流发电机励磁数学模型。该模型较好地反应出了其非线性特征。分析电压环采用PI调节存在突加负载时电压跌落较大的原因,给出将电流限幅器下限设置为空载励磁电流设定值的解决方法。为了验证所提出策略和分析方法的正确性,构建以DSP控制器为核心的整流发电机数字式励磁控制系统。实验结果表明采用双闭环控制的励磁系统具有较好的电压调节精确度,设置电流限幅器下限的方法明显改善了直流侧电压跌落。

基于H桥拓扑结构的励磁电流放大器

利用H桥电路拓扑构建励磁电流放大器,该拓扑结构只需要两个IGBT功率管,结构简单,有效缩减了励磁设备的体积并降低了成本。建立了该放大器的数学模型和仿真模型,给出了相应的仿真和试验结果。仿真和试验表明,H桥拓扑结构的励磁电流放大器,具有快速动态性能,对直流电源输出电流幅值的要求低且放电速度快。该电流放大器的PWM控制信号的占空比D在0.5～0.8之间,弥补了Buck电路放电较慢和在特殊工况时PWM占空比较小的不足。

前馈控制在脉冲整流发电机数字励磁控制系统中的应用

传统的发电机励磁控制采用发电机端口电压反馈来实现稳定发电机端口电压的目的,对于带脉冲负载的整流发电机,由于反馈控制滞后性以及发电机励磁惯性影响,励磁系统难以满足响应快速性要求。本文提出在反馈控制基础上引入前馈控制的方法,建立了基于DSP控制器的整流发电机数字式励磁控制系统,根据发电机电压矢量图给出了前馈控制原理和前馈控制算法,并给出试验获得前馈控制参数的方法。试验表明,当发电机负载短时快速增加时,只采用闭环控制直流侧电压跌落较大(27%左右),引入前馈控制后的励磁系统动态响应速度大大提高,直流侧电压跌落小于2%,提高了电压调节精度。

基于DSP矢量控制中检测反馈电流新方法

在三相电机的矢量控制中,反馈电流的值是由电流传感器(TA)直接检测得到的,这就要求至少使用2个电流传感器。提出利用数字信号处理器(DSP)的实时计算功能,采用1个电阻测量3个反馈电流的方法。但是,在空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术中,当PWM频率很高时,硬件限制了反馈电流的采样。因此,提出通过扩大PWM的周期解决硬件限制问题,即扩大法。但该方法降低了PWM的输出频率,从而影响电机的控制。又提出另一种改进的方法,即补偿法,该方法在不改变PWM周期的条件下,通过补偿主控周期中的一个PWM周期内用于电流采样的开关变化间隙时间,解决了硬件限制问题。给出了电流采样的硬件电路和补偿法程序流程图,在功率400 W的异步电机做实验结果表明,补偿法比扩大法的应用范围更大、效率更高。

激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动

为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N2和O2的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%~2.57%和4.8%~6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%~0.11%和0.75%~1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O2和N2的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管内部及喷管出口截面的分布规律是一致的。

永磁同步直线电动机位置伺服系统矢量控制

采用矢量控制方法构建永磁同步直线电动机位置伺服系统,并利用SVPWM技术中对两种不同空间矢量合成,进行PWM波的谐波分析。给出了磁场定向矢量控制的软件实现思路,介绍了以IR2130为驱动芯片的驱动电路硬件原理。实验结果表明,该直线电动机位置伺服系统控制效果良好。

谐振频率法测量高频变压器短路电感参数

串联谐振逆变电路中谐振频率与谐振电容和谐振电感具有严格的数学关系,根据该电路在高频变压器短路工况下的谐振频率,可以计算出高频变压器短路电感。基于此,提出了一种根据串联谐振逆变电路中的谐振频率计算高频变压器漏抗,并在线监测高频变压器状态的方法。分析了电路的4种工作模态,给出了高频变压器短路条件下串联谐振电路等效电路模型,并推导了高频变压器短路电感计算公式。试验平台的测试结果表明:采用谐振频率法计算出高频变压器短路电感与专用的仪器测试结果较为接近。同时,将谐振电流整形为方波信号并根据方波实时检测谐振频率,可以作为谐振回路器件尤其是高频变压器出现异常变化的一种状态监测方法。

电磁轨道发射装置动态电感梯度分析

推导了导轨间磁场均匀分布和非均匀分布两种情况下电感梯度数学计算模型。引入了速度频率来模拟电枢发射过程速度趋肤效应,对导轨二维模型以及三维电磁场模型进行时谐仿真,并将获得的单位长度电感以及电感梯度,分别用于电气仿真系统中电感和电枢推力的计算。电气仿真和试验结果表明,电流和出口速度误差均在2%以内,证明了动态电感梯度分析及参数提取方法的正确性和准确性。

混合型气动CO_2激光器主喷管冻结效率研究

采用两振型弛豫模型及严海星的弛豫速率数据,对混合型气动CO2激光器(简称MGDL)主喷管中的非平衡流动进行了计算。研究了N2(ν=1)分子质量分数沿喷管轴线的分布,总温、总压、CO2和H2O的摩尔分数、喷管构型对N2(ν=1)分子冻结效率的影响。计算结果表明:N2(ν=1)分子质量分数沿喷管轴线方向逐渐减少,在喉部附近降低幅度最大;随着总温的升高,N2(ν=1)分子冻结效率先降低后升高;随着总压、CO2和H2O摩尔分数的增大,N2(ν=1)分子冻结效率逐渐降低;随着喷管扩张段半锥角的增大或者喷管喉部直径的减小,N2(ν=1)分子冻结效率逐渐增大。

不同特征脉冲电流对电枢安全发射性能的影响

为了探究电枢发射过程中的大变形、断裂损伤和转捩机理,首先基于Johnson-Cook材料失效模型,通过LS-DYNA软件构建了电磁轨道发射装置的动态多物理场弹塑性仿真模型;然后,计算分析了相同出口动能条件下,电枢在不同脉冲电流波形作用下的变形、断裂及枢轨接触力变化等情况。仿真结果表明:在相同载流强度下,较低峰均比的脉冲电流波形更能保证电枢的安全发射性能;在保证枢轨接触力的前提下,通过调波的方式降低出口电流,可以减小出膛后电枢臂外扩变形;降低电流波形下降段的下降速率,能够防止因枢轨接触力不足而产生转捩。

超声速气流中液体横向射流雾化过程数值模拟

为了更加深入了解超燃冲压发动机燃烧室中的燃料雾化机理,对来流Mach数为1.94的超声速气流中液体横向射流的雾化过程进行了数值模拟研究.计算采用Euler-Lagrange方法,液滴二次破碎模型采用K-H/R-T模型.计算结果表明考虑液滴二次破碎时,采用雾化锥模型获得的射流穿透深度以及液滴速度分布与实验结果符合得很好;初始液滴直径对射流穿透深度和液滴分布的影响很小;随着初始雾化锥角的增加,相同横截面上的射流穿透深度逐渐减小.当不考虑液滴二次破碎时,液滴穿透深度及分布与所选的初始液滴直径有很大关系.

电磁轨道发射系统电路模型及发射效率研究

在发射装置串联电路模型的基础上,根据能量等效原理,提出了直流脉冲等效电路模型,建立了系统能量效率ηe与能量等效电阻R_(k)^(*)、损耗等效电阻R^(*)和电流等效占空比D三个参数的数学模型。根据速度趋肤效应引入速度频率,将电枢动态运动模型转化为静态扫频模型并进行涡流场扫频分析,建立了全系统电气仿真模型。与试验结果进行对比,结果表明:电路模型、系统仿真与试验三者之间系统效率的误差小于3%。利用建立的等效电路模型和仿真模型对发射效率的影响因素进行分析,为发射效率优化设计提供了研究方法。

永磁同步直线电机的MATLAB仿真及其定位实验

利用MATLAB/Simulink库元件建立了永磁同步直线电机的模型,采用磁场定向矢量控制方法构建永磁同步直线电机定位的仿真系统,并进行了直线电机定位实验。

MGDL主喷管中氮气第一振动能级冻结效率

传统的气动CO2激光器计算方法一直基于弛豫动力学,本文将混合型气动CO2激光器(简称MGDL)主喷管中的能量转移过程当作化学反应来处理,采用化学反应动力学的方法对N2(v=1)振动能级的冻结效率进行了研究。根据文献中给出的正向反应速率常数,求解了逆向反应速率常数。研究了N2(v=1)分子在MGDL主喷管中的分布及总压和含水量对N2(v=1)振动能级冻结效率的影响。计算结果表明:N2(v=1)分子质量分数的减少主要发生在喷管喉部及其附近区域;与不含水的情形相比较,含水时N2(v=1)振动能级的冻结效率明显降低;总压升高时,N2(v=1)振动能级的冻结效率下降,但下降幅度很小;相比较,随着含水量的增加,N2(v=1)振动能级的冻结效率下降较快。

主喷管总温对MGDL小信号增益系数的影响

在国内外数值模拟工作的基础上,建立了更加准确的"混合型气动CO2激光器(简称MGDL)"增益场计算程序。利用该程序,一方面研究了基于筛形喷管的混合型气动CO2激光器光腔中的小信号增益分布规律;另一方面着重研究了主喷管入口总温对基于筛形喷管的混合型气动CO2激光器小信号增益系数的影响规律。计算结果表明:当其他参数不变时,主喷管入口总温存在一个最佳值,使得光腔中的小信号增益系数最大;当主喷管入口总温小于这个最佳值时,随着主喷管入口总温的增加,光腔中相同位置处的小信号增益系数逐渐增大;当主喷管入口总温大于这个最佳值时,随着主喷管入口总温的增加,光腔中相同位置处的小信号增益系数逐渐减小。此外,分析了主喷管入口总温对小信号增益系数的影响机制。

N_2O/C_7H_8单喷嘴燃气发生器试验研究

以基于N2O/C7H8的燃烧驱动混合型气动CO2激光器点火试验为研究背景,设计了液态N2O供应系统及N2O/C7H8单喷嘴燃气发生器。对液态N2O供应系统、N2O/C7H8的点火及燃烧性能进行了研究。试验结果表明:设计的N2O供应系统能够实现液态N2O的稳定供应;在设定的时序下,两个设计工况(余氧系数分别为0.3和0.4)均能顺利点火,燃烧室压力平稳;随着余氧系数的增加,燃烧效率明显提高。

周期性温度激励对MGDL混合性能及小信号增益系数的影响

将基于周期性温度激励的主动控制技术引入"混合型气动CO2激光器(MGDL)"研究,通过数值计算深入研究了周期性温度激励对MGDL主/副气流混合特性及小信号增益系数的影响。研究结果表明:与未施加周期性温度激励的情形相比,在MGDL副喷管出口位置施加特定幅值及特定频率的周期性温度激励后,可以显著增强主/副气流的混合效果并大幅提高混合喷管中的小信号增益系数。激励幅值和激励频率对主/副气流混合特性及小信号增益系数有重要影响:随着激励幅值的增加,小信号增益系数先增大后减小;在混合喷管下游区域,文中所选的六种激励频率条件下获得的小信号增益系数均高于未施加周期性温度激励时的情形;随着激励频率的增加,主/副气流的混合效果越来越好,但当激励频率增加到一定值后,主/副气流的混合效果不再发生变化。

大型复合母排多端口电路仿真模型研究

针对阻感负载模型不能精确反映出吸收电容等缓冲器件对复合母排特性影响的问题,提出了复合母排多端口参数矩阵的建模方法。利用该复合母排多端口电路仿真模型,对并联器件的电流不均度以及吸收电容容值对功率器件过电压性能的影响进行了分析,仿真结果可指导复合母排优化设计及吸收电容的选型。通过对逆变器系统的仿真和试验,对比了中点电流的频谱,验证了复合母排多端口电路仿真模型的有效性。