超高速涡轮发电机用15kW变换器研究

摘要

近年来，随着分布式供电和多电技术的发展，电力系统已经慢慢取代传统飞行器中的液压、气压等机械系统，使得二次侧功率系统均以电的形式进行分配，多电、全电飞行器已经成为当代新的发展方向。以超高速涡轮发电机为主体的电源系统将成为新一代多电飞行器电源系统的重要研究方向，其原理是利用燃气尾焰和飞行器飞行过程中的高速气流带动涡轮机旋转进行发电。然而由于发电机气源压力与励磁均不可调，其输出外特性极软。又因为发电功率的不确定性以及负载的随机性，造成发电与用电间的能量不匹配。因此，本文研究用于超高速涡轮发电机的变换器系统，以发电机安全运行和负载持续供电为目标研究这一发电系统的能量匹配问题。
　　本文首先分析了超高速涡轮发电机供电系统的特性，对超高速涡轮发电机开环系统的输出特性进行理论分析与实验，研究了发电机与负载之间的能量匹配情况。根据以上研究结果总结了本文设计的变换器系统的功能需求，即变换器实现恒压输出和在负载较轻时，通过能量匹配环节限制发电机转速，保护供电系统安全。然后对其拓扑结构进行适用性分析及优选，提出了由buck电路衍生的能耗型三端口变换器的应用方案，并对变换器系统的控制策略进行分析设计。
　　根据提出的技术指标，对变换器参数及控制系统进行设计。设计变换器中buck电路电感、电容以及能耗匹配环节电阻值。对变换器电压控制环路进行补偿设计，保证变换器的动态响应性能和稳定性。为了实现变换器的高比功率，本文采用热仿真方法对变换器的几何结构进行优化设计，使用ProE软件对变换器几何结构进行初步设计，对变换器各器件进行损耗分析，使用Flotherm软件对变换器进行热仿真，优化变换器结构。
　　本文根据提出的设计方案搭建了一台15kW实验样机，同时本文还提出了超高速涡轮发电机外特性模拟实验装置，用一台恒功率交流源来模拟发电机负载变化时输出的变化情况。对变换器样机进行实验调试，达到了设计要求，通过恒功率交流源做变换器能量匹配策略实验，验证了控制方法的合理性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

第2章 超高速涡轮发电机供电系统分析

2.1超高速涡轮发电机输出特性

2.2超高速涡轮发电机供电系统能量匹配原理分析

2.3超高速涡轮发电机用变换器拓扑分析

2.4 本章小结

第3章 15kW变换器参数及控制器设计

3.1 变换器参数设计

3.2变换器中开关器件选择

3.3 变换器控制系统设计

3.4 本章小结

第4章 变换器结构设计与热分析

4.1 变换器各部分损耗分析

4.2 变换器结构设计

4.3 本章总结

第5章 实验平台搭建与实验分析

5.1 试验平台搭建

5.2实验波形及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢