具有负载自动匹配功能的电能变换器

摘要

基于超高速涡轮发电机的飞行器电源系统是当今电力电子领域崭新的研究方向,其原理是利用飞行器喷气推进过程中的燃气尾焰或高速气流带动永磁发电机转子旋转进而输出三相交流电。利用这种电源系统代替传统的燃气液压装置或蓄电池组,可有效降低飞行器电源系统的体积和重量。具有负载自动匹配功能的电能变换器可以在解决发电机与负载之间能量匹配问题的同时,将三相交流电转化为可供负载使用的直流恒定电压。
　　本文围绕超高速涡轮发电机独立发电系统自身特点,对开环超高速涡轮发电机外特性进行定性分析。研究其“失配”行为和重匹配机理,总结电能变换器拓扑优选规则,提出基于buck拓扑的双通道交错并联变换器的具体方案。最后对串联型和并联型两种能耗匹配电路进行比较并优选。
　　针对技术指标,对电能变换器主要参数如电感、输出电容和能耗电阻等进行设计,并通过开环仿真对参数设计的正确性进行验证。由于电能变换器的功率等级较高,最后对变换器的热管理和高功率密度工艺结构进行设计。
　　研究电能变换器控制系统设计方法,应用模拟控制器,通过推导buck变换器小信号模型,以小信号模型为基础对反馈补偿网络进行计算和设计。通过Matlab仿真对补偿后控制系统的动态响应性能进行检验。
　　为了验证设计方法的合理性,拟制作一台实验样机,通过对实测波形的分析和讨论,验证电能变换器设计的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 超高速涡轮发电机独立发电系统存在的问题

1.1.2 亟待研究的科学问题

1.2 国内外研究现状

1.2.1 独立供电系统“失配”行为及重匹配机理

1.2.2 “失配”特征及重匹配参数优化和追踪策略研究

1.2.3 地面模拟试验系统能量匹配方法及控制策略研究

1.2.4 负载侧直流变换器及能耗型匹配电路选型研究

1.2.5 高频变频三相供电情况下的谐波抑制研究

1.3 本文主要内容

第2章 独立发电系统及负载分析

2.1 开环超高速涡轮发电机外特性分析

2.2 气源压力或负载变化时的“失配”行为机理

2.3 负载侧直流变换器拓扑适应性及拓扑优选

2.4 能耗匹配电路

2.5 本章小结

第3章 超高速涡轮发电机电能变换器设计

3.1 超高速涡轮发电机电能变换器技术指标

3.2 变换器器件选型及相关参数计算

3.2.1 Buck电感设计

3.2.2 Buck输出电容设计

3.2.3 整流滤波电容设计

3.2.4 其他器件

3.2.5 仿真验证

3.3 变换器结构设计及热管理

3.3.1 变换器散热结构设计

3.3.2 高功率密度设计

3.4 本章小结

第4章 变换器控制系统设计

4.1 控制器TL494介绍及外围元件选择

4.1.1 TL494芯片介绍

4.1.2 振荡器频率及死区时间设置

4.1.3 采样电路设计

4.2 补偿系统设计

4.2.1 buck小信号模型

4.2.2 反馈补偿网络设计

4.3 本章小结

第5章 实验波形与分析

5.1 实验波形及分析

5.1.1 三相输入电压变化时的输出电压情况

5.1.2 负载变化时的输出电压情况

5.1.3 能耗匹配电路驱动波形

5.2 变换器结构设计

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

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