脉冲爆震发动机点火系统的研究与设计

摘要

本文以脉冲爆震发动机点火系统的点火能量及点火频率均可调为研究背景,设计高频高压直流点火系统,以克服传统工频高压直流电源变换效率低,体积和重量大等缺点,并针对高频高压点火系统的主电路拓扑、控制策略等方面进行了详细讨论。利用理论分析与数值仿真相结合的方法对脉冲爆震发动机点火系统进行了全面的较为深入的研究,最后利用实验验证了方案的可行性,本文主要工作如下所述。
　　 一、根据脉冲爆震发动机的工作原理及其发展的关键技术,详细论述了决定脉冲爆震发动机发展的关键技术之一——点火系统的分类及其工作原理。针对脉冲爆震发动机对其点火系统的要求,提出采用电力储能放电点火系统的方案,并确定设计低压高能半导体电嘴点火系统的方案。
　　 二、根据半导体电嘴放电点火机理及其性质,确定了低压高能半导体电嘴点火系统的主电路拓扑模型,采用Buck斩波电路调压,LCC-SPRC串并联谐振逆变电路升压,功率开关管控制点火频率。针对Buck调压电路和LCC串并联谐振电路在CCM工作模式下,分析其工作原理,采用基波分析法推导变换器稳态模型,给出详细的设计计算方法。基于主电路拓扑,设计主电路各模块的控制电路,并给出相关辅助电路的设计方法。
　　 三、在硬件电路设计的基础上,对电路进行了数值仿真和实验。利用电路仿真软件Simulink建立了主电路拓扑的模型,分别对Buck调压电路、LCC-SPRC逆变电路及放电频率调控电路进行仿真。由仿真结果表明调节Buck控制电路的占空比可以在1kV～4kV范围内控制主电路输出的电压,调节频率控制电路可在0～50Hz范围内控制放电频率,从理论上得到点火系统能量和点火频率可调的结论,基本满足PDE对点火起爆系统的要求。此外,设计了放电能量测量电路,并建立放电能量测量电路模型,对其进行仿真计算,从原理上得到放电测量电路设计的正确性。
　　 四、根据设计的Buck调压电路、LCC-SPRC逆变电路,搭建控制电路。针对Buck控制电路进行了多组实验,研究了占空比与可调电阻的关系。实验得到的多组控制信号与仿真的控制信号进行对比,综合地验证了电路的可行性与正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 PDE工作原理及分类

1．3 PDE发展关键技术及其点火系统应用状况

1．3．1 PDE发展的关键技术

1．3．2 PDE点火系统发展状况

1．4 点火系统分类及工作原理

1．5 电力储能放电点火系统

1．6 本文主要研究目标及内容

2 PDE点火系统分析与设计

2．1 半导体放电点火原理及性质

2．1．1 半导体电嘴放电机理

2．1．2 半导体电嘴放电平均功率计算

2．2 主电路拓扑

2．3 输入整流滤波电路设计

2．3．1 输入整流滤波电路分析

2．3．2 输入整流滤波电路参数设计

2．4 Buck调压电路分析及设计

2．4．1 Buck电路理论分析

2．4．2 Buck电路参数设计

2．5 LCC-SPRC串并联谐振变换电路分析与设计

2．5．1 LCC-SPRC半桥串并联谐振变换电路建立

2．5．2 半桥LCC-SPRC串并联谐振变换器的稳态分析

2．5．3 LCC串并联谐振电路工作性能分析

2．5．4 LCC-SPRC串并联谐振电路主要参数计算

2．6 放电电路分析与设计

2．7 控制电路及辅助电源电路

2．7．1 Buck调压电路控制电路

2．7．2 LCC串并联谐振电路控制电路设计

2．7．3 放电电路频率控制电路

2．7．4 辅助电路设计

3 系统建模及仿真分析

3．1 电容充放电仿真分析

3．2 Buck电路仿真分析

3．3 LCC串并联谐振电路仿真

3．4 放电频率控制电路仿真

3．5 电压控制及限流电路

4 变压器设计及点火能量测试电路分析

4．1 LCC谐振逆变电路变压器模型分析及设计

4．1．1 变压器的等效电路模型

4．1．2 变压器磁芯材料的选择

4．1．3 变压器参数设计

4．2 点火能量测试电路分析

4．2．1 点火能量测试简介

4．2．2 点火能量测试电路仿真

5 PDE 点火系统实验

5．1 Buck调压电路实验

5．2 LCC串并联谐振逆变电路实验

6 结论与展望

6．1 主要工作与总结

6．2 创新点

6．3 工作展望

致谢

参考文献

附录