大功率电弧加热器系统的仿真研究

摘要

电弧等离子体风洞是一种能产生高温、高压的热源设备，用于在地面模拟航天用再入式飞行器的气动环境。电弧加热器系统是电弧等离子体风洞最重要的组成部分。随着祖国航天事业的迅速发展，近年来对电弧等离子体风洞，特别是其核心的电弧加热器系统提出了更高的要求。
　　 电弧加热器系统主要包括大功率电源系统，等离子电弧负载和等离子电弧加热器。等离子电弧作为一种非线性负载，其特性非常复杂，不利于控制，因此，对大功率电源系统的控制性能提出了很高的要求。作为一种高压大功率设备，电弧加热器系统的硬件实现成本巨大，任何设计上的改动都可能需要付出较大的经济代价。为解决这些问题，本文在MATLAB仿真软件中，对电弧加热系统进行建模仿真。首先，基于著名的电弧黑盒模型麦也尔电弧模型(Mayr arc model)和柯西电弧模型(Cassie arc model)，提出了一种改进的等离子电弧模型，并用S-函数编程实现。通过实验结果与仿真结果的对比，验证了该电弧模型的有效性。其次，在MATLAB/Simulink仿真环境中，搭建了由三种不同叠桥整流单元经变压器移相叠加组成的新型18脉/24脉/36脉叠桥相移整流电源模型。通过仿真，研究各电源拓扑的性能、特点。最后，将叠桥相移组合电源模型与等离子电弧模型匹配，模拟大功率电弧加热器系统的工作情况。通过对电弧加热器系统模型的仿真研究，得到各拓扑模型的优势与不足之处，以优化实际电弧加热器系统的搭建。
　　 此外，电弧加热器系统作为电网的大功率非线性负载，会产生大量的谐波干扰，污染电网。通过对电弧加热器系统网侧电流进行傅里叶分析，能有助于从根本上改善电流谐波干扰问题。但是，对于本文研究的电弧加热器电源系统拓扑，即移相绕组在变压器原边，且叠桥整流单元为二极管整流桥与晶闸管整流桥混合的叠桥相移组合电源，其网侧电流不具备奇偶对称性。直接使用傅里叶分析的方法对网侧电流进行谐波分析，计算量非常大且复杂。本文基于P.P.Bringer公式采用了一种新的谐波分析方法，对叠桥相移组合电源网侧电流进行研究。通过理论分析与仿真结果的比较，验证了该谐波分析方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 电弧加热器系统研究的发展与现状

1.2.1 电弧加热器电源系统的发展与现状

1.2.2 电弧加热器系统仿真研究的发展与现状

1.3 主要研究内容

2 等离子电弧的建模与仿真

2.1 等离子电弧特性分析

2.1.1 等离子电弧概述

2.1.2 电弧伏安特性

2.2 电弧模型的建立

2.2.1 Mayr电弧模型和Cassie电弧模型

2.2.2 改进电弧模型的提出

2.3 电弧模型在MATLAB中的实现

2.3.1 S函数的建立

2.3.2 电弧模型参数的确定

2.3.3 电弧模型的封装

2.4 电弧模型的仿真验证

2.5 本章小结

3 电弧加热器电源系统拓扑结构的研究

3.1 电弧加热器系统稳定性分析

3.2 叠桥相移组合电源技术

3.3 叠桥相移组合电源的仿真研究

3.3.1 18脉叠桥相移组合电源方案研究

3.3.2 24脉叠桥相移组合电源方案研究

3.3.3 36脉叠桥相移组合电源方案研究

3.4 本章小结

4 大功率电源系统谐波分析

4.1 变压器延边三角形移相技术

4.1.1 顺延型延边三角形移相变压器的研究

4.1.2 逆延型延边三角形移相变压器的研究

4.2 叠桥相移组合电源交流侧电流谐波分析方法

4.3 大功率叠桥相移组合电源谐波分析算例

4.3.1 18脉晶闸管叠桥组合电源的谐波分析

4.3.2 18脉晶闸管与二极管叠桥组合电源的谐波分析

4.4 谐波分析的仿真验证

4.5 本章小结

5 电弧加热器系统的仿真与分析

5.1 电弧加热器系统在MATLAB中的实现

5.2 电弧加热器系统的综合比较分析

5.2.1 交流侧电流谐波比较

5.2.2 直流侧输出纹波比较

5.2.3 动态性能的比较

5.2.4 电源输出调压范围比较

5.2.5 电源输出功率因数比较

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步完善的工作

参考文献

附录A 电弧加热器系统相关标准

作者简历

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