电感储能电源余能回收对轨道炮特性影响分析

对剩余能量进行回收并重复利用有利于提高电感储能脉冲电源驱动电磁发射系统的能量利用效率,剩余能量回收的快慢将直接影响电磁发射系统的发射性能。在电感储能脉冲电源的基础上引入剩余能量快速回收单元可以实现剩余能量快速回收。为研究带有剩余能量回收单元的改进电路对连续电磁发射系统产生的影响,分阶段对改进电路的放电过程进行分析,对一个12模块的增强型轨道炮系统进行建模仿真,并与改进前的电路进行对比分析,进而得到改进电路驱动电磁发射系统的输出特性和发射优点。

一种基于电感储能技术的紧凑型高功率脉冲源

基于电感储能技术 ,采用金属丝电爆炸断路开关 ,研制成功了紧凑型脉冲功率源 (其能量传输效率近 4 0 % ,体积约 0 3m3 )。它能在电阻负载上得到电流 >6 0kA、电压 >4 0 0kV、功率 >2 0GW的电脉冲 ,通过调节金属丝爆炸断路开关的长度、根数、直径、储能电感的大小、电容器的充电电压以及削尖开关中气体的压力等参数 ,在一定范围内容易实现同负载的阻抗匹配。

用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述

作为电磁发射装置的基础组成部分,高功率脉冲电源在很大程度上决定着电磁发射技术的研究进展和应用潜能。关于脉冲电源的研究整体上可以分为三个阶段,分别是基本拓扑单元的研究、脉冲电源模块化研究以及多电源模块协同工作的研究。电感储能型脉冲电源具有较高的储能密度,并且以静态形式储能,这些优势使其成为近期诸多学者研究的热点之一。目前,国内外研究机构和学者对电感储能型脉冲电源基本拓扑单元及其实验验证研究取得了很大的进展,然而对于电源模块化及多模块协同工作的研究尚处于初级阶段。在综述电感储能型脉冲电源基本拓扑及其参量分析与实验验证等研究现状的基础上,提出将来研究的关键是如何将基本拓扑单元模块化、小型化,从而构建多模块协同工作的大电流脉冲电源系统,使其早日进入实际应用阶段。

Marx发生器驱动的电感储能型脉冲功率源

为研制电感储能型高功率脉冲源,实验研究了采用Marx发生器驱动电感储能-电爆炸丝断路开关的技术途径。研究表明,以等效电容1μF的Marx发生器作为能源,采用1.5μH的储能电感和上百根直径0.05mm、长560mm金属丝并联形成的断路开关,在Marx发生器等效输出电压>180kV时,可在约10Ω负载上输出峰值功率>40GW,能量传递效率>50%,脉宽近200ns,前沿约50ns的脉冲,从而证明该技术途径可较大幅度提高脉冲功率源的输出功率和能量传递效率。

20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟,研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明:以电容器作为初始能源,在6～10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50～60kA,峰值功率大于20GW,能量转换效率大于30%。

电感储能连续脉冲电源电路及参数分析

小型化、轻量化和重频化是当前脉冲电源的主要发展趋势。高温超导电感储能型脉冲电源具有储能密度高、损耗小和对充电功率要求低等优点而受到研究人员的关注。其中,基于高温超导脉冲变压器储能和脉冲压缩的脉冲电源模式是重要的发展方向之一。为此针对脉冲电源的重频化发展趋势,提出了一种基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,理论分析了该脉冲电源电路的工作过程和主要性能影响因素,构建了3 kJ的高温超导脉冲变压器线圈仿真模型,对主要性能影响因素的理论分析方法进行了仿真验证。由仿真和理论计算结果可以看出,电流放大倍数随着副边电感的增大而减小,不过,断路开关的最大电压和最大电容储能比例也都随之降低。最后,利用小型高温超导脉冲变压器搭建了连续脉冲电源的实验电路,实现了连续电流脉冲的输出。仿真和实验结果证明了这种连续脉冲电源电路的可行性。

电感储能连续脉冲电源驱动电磁发射系统仿真

为探索连续电磁轨道发射用超导电感储能脉冲电源,建立基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,对脉冲电源电路驱动电磁发射系统的不同放电阶段进行数学建模,仿真分析电路参数对电磁发射特性的影响,最后实验验证脉冲电源的可行性。仿真中基于储能27.72 kJ的单模块的高温超导脉冲变压器,当耦合系数为0.95,转换电容为400μF,副边电感为9.2μH,抛体质量为21.61 g时,得到510 m/s的发射速度,原边电感在放电结束后可回收剩余能量6 kJ。结果表明基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源用于电磁发射系统是可行的,并有利于系统能量利用效率的提高和连续电磁发射的实现。

新型电感储能脉冲功率驱动源

提出了将传统单个储能电感利用传输线分隔成两部分的新型电感储能脉冲功率驱动源技术方案。理论分析表明,利用传输线电容的耦合延时作用,可有效对调制器输出脉冲波形进行整形,并且可以进一步提高能量转换效率,从而克服传统电感储能脉冲功率源输出波形质量差(类三角波波形)的缺点。基于该思想开展了实验研究,获得了电压约300 kV,电流约20 kA的电子束,并成功驱动S波段磁绝缘线振荡器获得了百MW量级的微波输出。

新型电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑

提出了一种用于电磁发射的电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑。该拓扑中两储能电感充电时串联,放电时并联,以实现电流倍增。与meatgrinder电路相比,该电路两储能电感之间不需要磁耦合,具有设计简单灵活、容易制造的特点。为避免电感储能断路时断路开关出现过电压问题,用电容作为能量转换器件可实现开关的零电压断路。对该脉冲电源系统的工作原理进行了理论分析,搭建了小型实验系统,验证了该电源拓扑的可行性。以轨道炮为负载,对电感、电容参数对系统性能的影响进行了仿真分析,结果表明多个电源模块的并联运行能明显提高系统能量转换效率。

电感储能与充磁线圈的能量转换

为了提高电感储能的功率脉冲电源向充磁线圈负载放电的转换效率,从电感之间能量交换的原理入手,分析了影响系统转换效率的因素,推导了负载线圈电感的表达式;并据此给出了转换效率与负载线圈匝数之间的关系与特性曲线。研究结果为电感储能的充磁机负载匹配提供依据。

电感储能系统驱动虚阴极振荡器数值研究

应用PSpice程序构建了一种比较符合实验实际的电感储能系统驱动反射三极管虚阴极振荡器的等效电路模型 ,研究了虚阴极中的电流电压关系 ,以及电爆炸丝切断开关和脉冲变压器的作用。具体介绍了电爆炸丝和虚阴极振荡器的计算模型。计算结果给出了脉冲变压器、电爆炸丝和虚阴极振荡器的参数选择对负载上获得的电压、电流的影响。

电感储能系统中电爆炸导体断路开关的电路特性研究

为探究电爆炸导体断路开关与电感储能系统的参数匹配问题,通过分析金属导体在电爆炸过程中的物态变化,结合电爆炸导体断路开关参数选取的理论经验公式,得到电爆炸导体断路开关的参数,并进行多次电爆炸试验。结果表明:在电感储能系统的初始电压为5 kV、电爆炸导体的直径为0.15 mm时,可得到大于140 MW的脉冲功率信号。

超导电感储能脉冲输出电路的模块化设计及其关键问题

超导电感储能以其低损耗在高功率脉冲电源中有独特的优势。然而电感储能其能量不易释放,而且脉冲成形回路中使用的高功率断路开关也不易实现。文中研究的模块化超导电感脉冲输出电路不仅可以降低断路开关所需的关断电流,还可以增强输出脉冲电流波形的可调制性。然而,多模块集成时,各储能电感之间容易产生电磁耦合,影响放电效率。该文还详细分析了两模块集成时,储能电感之间的耦合对脉冲放电的影响,并研究了一种消除互感的办法。研究表明,将储能电感按照一定的位置规律摆放,即可消除互感,同时也能满足装置结构紧凑的要求,为超导电感储能的实际应用提供了一定的工程指引。

电感储能型大电流毫秒级脉冲源研制

减小关断开关耐受电压和提高负载电流峰值是电感储能型脉冲功率电源研究的难点。基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结构特点,提出一种改进的meat grinder电路,采用大匝比的耦合电感线圈,并利用IGBT自身反并联二极管使电路自恢复过程自发进行,最终电路主体只用了两个IGBT构成电感储能型脉冲电源的拓扑。该拓扑降低了对开关管的控制要求,同时可以产生几十千安大电流,具有重频运行的潜力。该文对电路动态过程分阶段进行了详细的理论分析和电路仿真。仿真结果显示该电路可产生波形平滑、峰值较高的电流输出。基于仿真分析的拓扑,该文研制了4.61kJ的电感储能型脉冲功率电源,采用20:1的大匝比耦合电感线圈,并进行试验测试,负载电流峰值达到30.40kA,脉宽1.7ms,测试结果与预期结果吻合较好。

电感储能型线圈炮系统的建模和参数优化

建立了包括驱动线圈、弹丸以及驱动线圈与弹丸之间耦合关系的单级脉冲感应线圈炮系统的模型。利用MATLAB对系统特性进行了仿真,通过分析系统各主要参数对发射弹丸的影响,得到了一些对线圈炮设计有指导作用的结论。在此基础上对线圈炮部分参数进行了优化设计,搭建了小型实验系统并进行了发射实验,验证了上述模型和分析的正确性。

串联充电-并联放电型电感储能线圈炮系统的研究

建立了串联充电-并联放电型电感储能单级脉冲感应线圈炮的系统模型,利用PSpice对系统特性进行了仿真,分析了弹丸线圈时间常数、转换电容、初始位移等参数对发射过程的影响,并对比了单个电感线圈储能和两个电感线圈串联充电-并联放电型电源拓扑的发射结果。搭建了由两个电感线圈构成的串联充电-并联放电的小型线圈炮实验系统,其中控制电路以DSP芯片TMS320F2812为基础设计而成。实验结果和仿真结果吻合较好,验证了系统模型的正确性。

XH-1装置电感储能系统的电路模拟

针对ＸＨ－１装置电感储能系统，建立了电爆炸断路开关基于开关电阻倍增比与比能关系的电路模型，给出了与电感储能系统耦合时，利用ＰＳＰＩＣＥ模拟计算得到的开关上的电流电压波形和负载上的电压波形，分析了负载阻抗参数对输出脉冲的影响。

全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器

全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。

基于多相并联和电感储能的准方波脉冲电流源

工作在准连续工作模式下的半导体激光器驱动电源,其脉冲放电级常采用线性电流源,具有波形质量高的特点,但高功率应用下有较大的功率损耗,且负载适应能力差。开关型电流源效率高,自适应负载能力强,但在脉冲电流源的研制上面临诸多困难,如脉冲沿响应和低电流纹波等。为此,该文提出一种新型的基于多相并联和电感储能的脉冲电流源拓扑,通过电感预储能和脉冲开关电路,以产生快速的脉冲沿响应;采用多相并联电路,并通过移相策略,实现高功率和平顶电流的低纹波。同时对拓扑的S-DCM和S-CCM 2种不同模式进行分析,得到高效率和高重频的工作模式。提出一种基于固定占空比和平均均流的混合控制方法,实现对脉冲平顶电流的快响应和高精度控制。最后,通过仿真和实验证实了该拓扑结构和控制算法的正确性与可行性。

电感储能型高功率脉冲电源断路开关的最新发展

介绍了国内外电感储能 (包括超导储能 )