永磁直驱风力发电机机侧变流器的控制策略研究 2

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 3.69MB 73 页 15积分

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摘要

随着科学技术的不断发展，用于军用的脉冲功率技术正逐步进入民用领域，

例如环境保护、材料处理、臭氧生成等，并取得了良好的效果。

本文设计一种脉冲功率装置，主要用于蓝藻水华处理。传统处理蓝藻的方式

有以下缺点：见效满、对水质有二次污染。本文利用脉冲功率装置产生高压脉冲

进行水中放电，利用放电所产生羟基自由基以及其他活性粒子、冲击波等物理与

化学反应，透过蓝藻细胞膜，击破细胞内的气囊，使蓝藻失去浮于水面的能力并

沉入水底，在缺少合适的成长繁殖条件下，蓝藻细胞便会自然死亡。这种方式的

优点为：见效快、对水中生物无伤害、没有第二次的水质污染，基本克服了传统

处理方法的缺点。

本文主要介绍的脉冲功率系统的三大组成部分：充电单元、磁压缩单元和脉

冲形成单元。充电单元中主要分析了整流、逆变、倍压电路的工作原理，给出了

高频变压器的设计方法。对磁开关与磁压缩的原理进行了说明，对脉冲形成的方

式给出了解释。计算出电路中关键元器件的参数，并根据其计算参数进行选型。

利用 Saber与Pspice软件进行了设计验证仿真，并将仿真结果与实验结果进行对比，

证明了设计的可行性，在脉冲功率系统的设计中，合理利用仿真软件可以有效的

提高设计效率，降低研发成本。该功率系统输出高压脉冲峰值大于 100kV，脉冲

宽度为 1µs。

关键词：脉冲功率充电单元磁压缩脉冲形成

ABSTRACT

With the continuous development of science and technology, pulsed power

technology for the military is gradually into civilian areas, such as environmental

protection, material handling, ozone generation, and have achieved good results.

This design of a pulsed power devices, mainly used for processing algal blooms.

Traditional treatment methods are effective at least in cyanobacteria and water quality

shortcomings of secondary pollution. The pulsed power devices for high-voltage pulse

produced water discharge, use and discharge of the hydroxyl radical and other active

particles, shock waves and other physical and chemical reactions, through the cell

membrane of cyanobacteria, the balloon break the cells, so that loss of algae floating on

the water's capability and sink to the bottom, the growth in the absence of suitable

breeding conditions, the algae cells will die a natural death. The advantages of this

approach: quick, no harm to aquatic organisms, there is no second water pollution, the

basic approach to overcome the shortcomings of the traditional.

This paper describes the pulsed power system of three components: charging unit,

the magnetic pulse compression unit and the formation of units. Charging unit analyzes

the rectifier, inverter, doubler circuit works, given the high frequency transformer

design. Magnetic switches and magnetic compression of the principles described, the

pulse is given to explain the formation of the way. Calculate the critical components of

the circuit parameters and calculated parameters based on their selection. The use of

Saber and Pspice simulation software for the design verification and simulation results

were compared with experimental results prove the feasibility of the design, the pulsed

power system design, the rational use of simulation software can effectively improve

the design efficiency, reduce development costs . The power system output indicators:

the pulse peak is greater than 100kV, pulse width of 1μs.

Keywords: pulsed power， charging unit ，magnetic compression

pulse forming

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

§1.1 脉冲功率技术的含义及其发展 ...................................................................... 1

§1.2 脉冲功率系统的基本组成与应用 .................................................................. 2

§1.3 课题意义及主要研究工作 .............................................................................. 3

第二章高压脉冲功率系统的设计 ............................................................................. 6

§2.1 脉冲功率系统整体设计 .................................................................................. 6

§2.2Saber、Pspice 仿真与 OriginLab 数据图形处理 ............................................ 7

第三章充电单元 ......................................................................................................... 8

§3.1 充电单元整体设计 .......................................................................................... 8

§3.2 整流电路 .......................................................................................................... 8

§3.3 Buck 变换器 ..................................................................................................... 9

§3.4 单相电压型全桥逆变电路 ............................................................................ 13

§3.5 高频变压器 .................................................................................................... 16

§3.6 倍压电路 ........................................................................................................ 17

§3.7 硬件电路设计 ................................................................................................ 19

§3.7.1 开关器件选取 ......................................................................................... 19

§3.7.2 驱动电路 ................................................................................................ 20

§3.7.3 辅助电源电路 ......................................................................................... 24

§3.8 仿真分析 ........................................................................................................ 25

第四章磁压缩电路 ................................................................................................... 35

§4.1 磁开关的原理 .................................................................................................... 35

§4.2 磁芯材料的物理特性 ........................................................................................ 36

§4.3 伏秒积分方程 .................................................................................................... 37

§4.4 磁压缩电路 ........................................................................................................ 38

§4.4.1 串联磁压缩电路 ......................................................................................... 38

§4.4.2 并联磁压缩电路 ......................................................................................... 41

§4.5 磁芯仿真建模 .................................................................................................... 43

§4.6 两级磁压缩回路 ................................................................................................ 46

§4.7 磁压缩电路设计 ................................................................................................ 48

第五章 Blumlein 型脉冲形成网络 ........................................................................... 51

§5.1Blumlein-PFN 网络结构与放电过程 ................................................................. 51

§5.2 Blumlein-PFN 仿真分析 .................................................................................... 54

§5.2.1 基本参数的选择 ........................................................................................ 54

§5.2.2 各项参数变化对波形的影响 .................................................................... 55

§5.3 BPFN 电路设计 ................................................................................................. 58

第六章实验分析 ....................................................................................................... 61

结论 ............................................................................................................................ 66

参考文献 .................................................................................................................... 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 70

致谢 ........................................................................................................................ 71

第一章绪论

§1.1 脉冲功率技术的含义及其发展

脉冲功率技术是 20 世纪 60 年代发展起来的一门高新技术领域,是当代高科技

的主要基础学科之一。脉冲功率技术是用较长时间储存能量，然后经过快速压缩、

转换，最后将巨大的功率瞬时有效地释放给负载。应用脉冲功率技术可以获得非

常大的瞬时功率，例如 1014W，这比全世界的发电量还要大 1~2 个量级[1]。

1947 年英国人 A.D.Blumlein 以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉

冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。20 世纪 60 年代，英国原子能武器研

究中心的 J.C.Martin 领导的研究小组，成功地将 Marx 发生器与 Blumlein 的专利结

合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器 SMOG（3MV，50kA，30ns）,

脉冲功率达到 TW（1012W）量级，从此开创脉冲功率技术研究的一个新时代[2]。

随着近代许多新兴科学技术的发展，如可控热核聚变研究、新兴强激光、高能电

子与粒子加速器、电磁脉冲、新武器研究等方面的应用，脉冲功率技术得到快速

发展。特别是近来脉冲功率在民用方面也取得了较大的发展，如在能源、烟气净

化、环境科学、医疗和生物工程等领域都取得了可喜的发展。目前对脉冲功率技

术的要求越来越高，即不但要求高电压（如几十兆伏）、大电流（如几百千安到几

十兆安），而且要求快脉冲（如纳秒、亚纳秒）和重复频率运行等。由于脉冲功率

技术无论在军事上或民用上都具有广阔的发展前景，因此受到了越来越广泛的关

注。1976 年在美国召开了第一届 IEEE 国际脉冲功率技术会议（IEEE International

Conference on Plused Power Technology）,1976 年在美国又召开了第二次会议，以

后定期每两年召开一次会议，至今已召开了第 17 届脉冲功率技术会议。同时，在

其他相关学科的学术会议上，“脉冲功率技术”的内容也被列为主要内容之一，如高

功率粒子束国际会议（International Conference on High-Power Particle Beams）[3]。

脉冲功率技术的研究内容主要是能量的储存、高功率脉冲的产生和应用。一

般包括下列内容。

（1）能量的储存：电容储能、电感储能、机械储能（脉冲发电机组、单极脉

冲发电机等）、化学储能（蓄电池、炸药等）。如何提高储能密度和高效率地把储

存的能量传输给形成线，这是能量储存研究中的重要课题。

（2）高功率脉冲的产生：用传输线方法获得高压纳秒级主功率脉冲，常用的

是Blumlein 传输线和单传输线技术、大容量电容器组成并联放电技术、Marx 发生

器及 Marx 陡化电容器技术及如何获得更高功率的脉冲（如 1000TW）,并高效率地

用于蓝藻水华处理的高压脉冲电源的研究

把能量传量输给负载。

（3）开关技术：开关作为脉冲功率装置中众多关键器件中的一种，要求其通

流能力大、固有电感小、放电时延时及其分散性小等。开关种类繁多，如：场畸

变火花开关、多极多通道开关、激光开光、磁开关、光导半导体开关、水开关和

等离子体短路开关等，主要研究开关的放电过程及物理特性。

（4）脉冲功率装置及其相关技术：作为负载的真空二极管、纳秒级高电压脉

冲下介质的绝缘特性及其相关的测量与诊断技术。

还应特别指出，重复频率脉冲功率技术的研究也是当前一个热点。

§1.2 脉冲功率系统的基本组成与应用

典型的脉冲功率系统的组成框图和能量压缩过程如图 1-1 所示。最基本的系统

是由两部分组成：一部分是低功率水平的能量储存系统；另一部分是高功率脉冲

的产生和有效传输到负载。人们在相对较长的时间内把低功率水平的电能储存起

来，如电力系统提供的长时间连续运行的电能（相对脉冲功率放电），对大容量电

容器组充电。储存的能量通过脉冲放电得到高功率脉冲，再有效地释放给负载[1]。

初级能源能量储存

部分

脉冲形成

部分负载

D.C.

充电

μs

脉冲放电

脉冲功率

低功率储存高功率输出

（a）

（b）

图1-1 脉冲系统框图和能量压缩图

过去和现在脉冲功率技术的应用主要是在高新技术、国防科研等领域：可控

聚变、模拟核爆、高功率微波、高功率激光、电磁轨道炮、强电磁脉冲、X射线

照相等方面。但是，脉冲功率技术现在也逐渐发展应用于民用，如人工电磁环境

第一章绪论

的产生（军民两用）、脱硫脱硝及除尘、处理污水、灭菌消毒、（脉冲放电中子）

爆炸物检测、油井解堵疏通、去除人体结石、岩石破碎等。脉冲功率技术在各领

域应用中产生的放电现象如图 1-2 所示。

图1-2 脉冲功率技术在各种应用中放电现象

§1.3 课题意义及主要研究工作

湖泊富营养化的直观表征为蓝藻水华暴发，因此蓝藻水华是湖泊污染的重要

标志。工业废水和城镇生活污水的大量排放，农业面源氮、磷的严重流失，产生

了大量的有机污染物，这些污染物随着入湖径流直接或间接进入湖泊，造成湖水

污染物含量快速增加。因为浮游藻类对环境的变化非常敏感，所以每当环境中的

氮、磷等营养物质增加到一定程度后，喜肥水的蓝藻类特别是微囊藻生长繁殖加

速，藻体数量增多，造成水体透明度低，不仅抑制了其他藻类生长繁殖，而且自

身生存空间也越来越小，一部分藻细胞死亡，死亡的藻细胞在胶体形成期彼此粘

连，到胶体老化期粘连的团块重量降低，因此上浮到水面并出呈现蓝绿色或黄褐

色颜色，形成了水华。

蓝菌的次生代谢产物微囊藻毒素（Microcystin）有非常强的毒性，可能会严重

损害肝脏，引致肝癌。不同种类的蓝菌含有不同类型的毒素，当中包括神经毒素

（Neurotoxin）、肝毒素（Hepatotoxicity）、细胞毒素（Cytotoxicity）及内毒素等。

蓝藻水华令饮用水源受到威胁，其所产生的毒素影响人类健康。

蓝藻水华治理途径和措施主要有：控制或转移氮、磷等外源性营养盐以及有

毒、有害污染物质的输入；调引清洁水冲洗，以稀释扩散营养盐的浓度；对湖底

用于蓝藻水华处理的高压脉冲电源的研究

污染淤泥进行疏浚或者进行曝气以加速湖底沉积物氧化分解；提高水生植被覆盖

率以净化水质并与藻类争夺氮、磷等营养物质；放养能够摄食蓝藻的鱼类（如鲢、

鳙），等等。不过要有效地控制富营养化和根治蓝藻“水华”的暴发，需要一个较长

时间，国际上需要一般至少 10-20 年。

图1-3 蓝藻细胞图

蓝藻细胞内部结构如图 1-3 所示。图中 GV 代表 gas vesicles（空气气囊），正

因为细胞内部有这种气囊结构，蓝藻细菌才能浮在水面，以最优的位置来吸收阳

光进行生长繁殖。如果有一种方法能够在不损害细胞的条件下能够进入细胞内部

破坏 GV，这样蓝藻细菌就不能够浮于水面接收阳光，而是沉入水底，水底没有蓝

藻细胞生长繁殖所需的环境，这样可以从根本上解决水华问题，并且没有二次污

染问题。

图1-4 水中放电现象图

高压脉冲水中放电是一种新型的水处理技术，水中放电是向水中注入能量的

过程，当能量注入时水中会产生放电流道，这些放电流道大多是等离子体。这些

等离子体中存在高能电子，水分子与这些高能电子发生碰撞将会产生一系列的反

应，生成羟基自由基和其他的活性粒子，反应所生成的决大多数中间态产物都有

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摘要：

摘要随着科学技术的不断发展，用于军用的脉冲功率技术正逐步进入民用领域，例如环境保护、材料处理、臭氧生成等，并取得了良好的效果。本文设计一种脉冲功率装置，主要用于蓝藻水华处理。传统处理蓝藻的方式有以下缺点：见效满、对水质有二次污染。本文利用脉冲功率装置产生高压脉冲进行水中放电，利用放电所产生羟基自由基以及其他活性粒子、冲击波等物理与化学反应，透过蓝藻细胞膜，击破细胞内的气囊，使蓝藻失去浮于水面的能力并沉入水底，在缺少合适的成长繁殖条件下，蓝藻细胞便会自然死亡。这种方式的优点为：见效快、对水中生物无伤害、没有第二次的水质污染，基本克服了传统处理方法的缺点。本文主要介绍的脉冲功率系统的三大组成部分：...

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