功率变换器及电装技术

对变速恒频电源系统的功率变换器以及静止变流器的结构工艺进行概析，并着重介绍电装技术的有关要点和方法．     

5kW离子电推进大功率屏栅电源的设计研究

本文针对航天器用5kW离子电推力器核心供电模块屏栅电源的技术需求,采用移相全桥技术设计了低电压输入高电压输出的大功率屏栅电源模块。对比分析了ZVS和ZVZCS两种移相全桥方案后,得出ZVZCS更适合于电推进屏栅电源的设计。提出了ZVZCS移相全桥变换器CDD无损缓冲电路中辅助电容的设计方法,论述了屏栅电源功率级和控制电路的设计过程。通过实物产品验证表明：采用ZVZCS移相全桥技术设计的屏栅电源模块能在较宽的负载范围内实现超前桥臂和滞后桥臂的软开关,提高了变换器的效率;采用CDD无损缓冲电路能辅助实现滞后桥臂的零电流关断,降低原边电流的损耗,同时降低高压整流管的电压应力。在具备完善的输入滤波,浪涌抑制及母线开关等功能以后,最大功率下效率在95%以上。     

50kW大功率霍尔电推进PPU阳极电源设计

针对50 kW大功率电推进电源设计要求,提出了前级LLC、后级多输入Buck的两级拓扑结构,并根据该两级结构提出了一种新的控制方式,即通过对前级LLC的数量进行配置,降低母线电压,从而提升后级三输入Buck变换器的占空比,提升后级效率;适当减小前级LLC电源工作个数,能够减小前级总损耗,进一步提升整机效率;最后制作了50 kW大功率电推进电源试验样机。结果表明:在前级输入100 V时,后级输出能在300～2000 V的范围内改变。同时在输出功率为20 kW时,前级只有3个LLC模块工作,后级Buck电路的占空比为0.4,验证了控制方法的可行性。     

载人月面巡视器混合电源系统设计

针对载人月面巡视器电源负载能力受限问题,提出了基于太阳电池阵、蓄电池和超级电容器组成的混合电源技术。通过对现有的空间混合电源系统进行分析,确定了包含直流变换器的共太阳电池阵单母线结构的混合电源系统方案;建立了混合电源关键模块仿真模型,提出了功率分配控制策略,并对巡视器在大功率负载情况下的混合电源状态进行仿真,结果表明混合电源可按照功率分配控制策略调节蓄电池与超级电容器的充放电,达到了预期要求。     

离子推力器高效高可靠性屏栅电源设计

为了进一步提高离子推力器的可靠性和使用寿命,采用6个电源模块串联输出的方法设计了高效高可靠性的屏栅电源试验样机,每个模块采用全桥LLC谐振变换器,并对屏栅电源模块的性能、打火时开关管的瞬态电流应力分别进行了测试研究。结果表明：屏栅电源模块采用全桥LLC谐振变换器,可以实现零电压开通零电流关断（ZVSZCS）,整个电源的转换效率提高到96.9%;单个电源模块输出电压为210V,电源模块内部没有大于250V 的交流电压峰值,简化了高压绝缘设计的难度;变换器初级较大谐振电感的限流作用使得推力器出现打火时,开关器件瞬态电流仅为40A。该设计可以有效提高屏栅电源的效率和可靠性,可以应用于小行星探测等深空探测航天器的电推进系统。     

应用电流控制脉宽调制技术的功率变换器

介绍和分析了 A.G.Bose等提出的 PWM控制技术——电流控制脉宽调制技术 ,以及它在功率变换器中的应用 ,分析了电流控制脉宽调制系统的稳定性问题。实验表明 ,这种功率变换器具有重量轻、体积小、静态精度高、动态响应快等优点 ,有十分重要的应用价值。     

NASA亚声速大型飞机电推进技术研究综述

本文通过对近年来美国国家航空航天局(NASA)在亚声速大型电推进飞机(EAP)领域探索的研究,从飞机布局的变革、电推进系统技术成熟度的提高以及基础设施建设等几个方面进行总结分析。梳理了NASA研究的几种大型飞机可能的电推进布局形式,跟踪NASA在电机、功率变换器以及所采用的电推进材料等关键技术方面的研究进展,以及测试电推进飞机性能必需的地面试验台的建设情况。电推进技术的进步和发展,改变了传统的飞机设计思想,利用电推进的技术特征,考虑电推进与飞机机体的集成等设计理念,对我国大型飞机电推进技术的研究具有一定的参考和借鉴意义。     

基于小波变换的开关磁阻电机系统功率变换器故障诊断

适用于开关磁阻电机(SRM)驱动系统的功率变换器是决定系统可靠性的关键环节,功率变换器的长时间故障运行会导致整个系统的崩溃,因此,功率变换器的故障诊断具有重要的作用。采用离散小波变换方法,提取故障相电流的平均值与标准差的比值作为诊断特征量,对功率变换器斩波管和位置管的4种故障类型进行分析和讨论,实现了故障类型的确定与故障器件的定位。最后通过仿真和试验验证了所提的故障诊断方法具有良好的可行性和有效性。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

大功率处理单元阳极电源模块的研究

针对霍尔电推进系统对大功率阳极电源的需求问题,通过对电源功率拓扑的对比、理论分析、电路仿真以及试验验证对大功率阳极电源进行了研究。结果表明副边移相拓扑具有效率高、宽的电压输出调节能力,能够适应负载变化范围大、具有模式切换的霍尔电推进系统。     

Direct drive options for electric propulsion systems

Power processing units (PPUs) in an electric propulsion system provide many challenging integration issues. The PPU must provide power to the electric thruster while maintaining compatibility with all of the spacecraft power and data systems. Inefficiencies in the power processor produce heat, which must be radiated to the environment in order to ensure reliable operation. Although PPU efficiencies are generally greater than 0.9, heat loads are often substantial. This heat must be rejected by thermal control systems which generally have specific masses of 15-30 kg/kW. PPUs also represent a large fraction of the electric propulsion system dry mass. Simplification or elimination of power processing in a propulsion system would reduce the electric propulsion system specific mass and improve the overall reliability and performance. A direct drive system would eliminate all or some of the power supplies required to operate a thruster by directly connecting the various thruster loads to the solar array. The development of concentrator solar arrays has enabled power bus voltages in excess of 300 V which is high enough for direct drive applications for Hall thrusters such as the Stationary Plasma Thruster (SPT). The option of solar array direct drive for SPTs is explored to provide a comparison between conventional and direct drive system mass     

离子推进器和流量控制单元

使用电动电源线确保使用电力,它等于几十千瓦。 建议它应该高达10000秒。 Keldysh研究中心（KeRC）正在开发推进系统。 35千瓦离子推进器和FCU-500流量控制单元。 IT-500和FCU-500的2000小时寿命测试是 离子推进器大部分运行2018小时,使用40千克氙气。 本文还介绍了磁场和离子光学的改进以及石墨网格的发展状况。     

大功率离子推力器和流动控制单元验证现状 及其2000小时寿命试验

为了发展基于电推进的大功率空间运输系统,需要开发和验证功率达数十千瓦的电推进系统,深空任务电推进系统优化的比冲要求高达10⁵s。凯尔迪什研究中心（KeRC）正在开发这样的电推进部件。本文概述了 35kW离子推力器 IT-500及其流动单元FCU-500的验证现状。作为其验证的一部分,完成了IT-500 和 FCU-500的2000h寿命试验。其中,离子推力器大部分验证条件是：输入功率17.8kW,使用了40kg氙,2018h寿命试验。本文介绍了磁场和离子光学以及石墨格栅开发现状。     

大功率空间核电推进技术研究进展

大功率空间核电推进系统是空间核电源技术和大功率电推进技术的高度融合,具有高能量密度、超高比冲、较大推力的优势,可适用于超大型航天器轨道转移任务、远距离无人深空探测任务、载人火星等大型深空探测任务,能够极大地拓展人类深空探测的能力。本文针对大功率空间核电推进技术,对其工作原理和系统组成进行了介绍,同时开展了关键技术梳理,重点归纳了国内外在技术领域的研究历程和最新进展。     

超轻型电动飞机电动力系统的参数匹配

结合某型超轻型电动飞机的设计参数,阐述了电动力系统的布局、系统参数匹配的原则和步骤.提出了电动力系统参数匹配和性能验证的方法.从动力性、经济性、系统质量的角度验证了该系统的可行性.参考飞机的最大平飞速度为175.5km/h,大于设计要求的最大平飞速度170km/h,满足动力性能要求.电动力系统的运行费用为6.8元/h,是相近功率活塞发动机运行费用的1/8.与3种电动飞机相比,参考机型的功质比仍比较高,达0.0842kW/kg,为可接受值.      

分布式电推进飞机设计技术综述

分布式电推进系统利用电力驱动多个推进器作为飞机的动力装置,在提升飞机气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等方面蕴藏着可供人们挖掘和利用的巨大潜能,被广泛认为是一种航空领域的颠覆性技术。本文在对电动飞机的优势和不足,电推进系统的尺度独立性以及分布式电推进飞机分类进行初步研究之后,重点从飞机工程设计的专业划分角度出发,分别从飞机总体设计、气动设计、结构设计、系统及支持设施设计等学科对分布式电推进飞机设计技术的研究情况和学术进展进行综述。随着电池能量密度、电机及控制器功率密度的不断提升以及相关机载电气设备的小型化和轻量化,分布式电推进通用飞机基本具备按需航空市场化能力,尽管仍存在一些挑战,但该技术为未来飞机设计提供了更多的权衡空间与可能性。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

Ultracapacitors + DC-DC converters in regenerative braking system

An ultracapacitor system for an electric vehicle has been implemented. The device allows higher accelerations and decelerations of the vehicle with minimal loss of energy and minimal degradation of the main battery pack. The system uses a DC-DC power converter, which is connected between the ultracapacitor and the main battery pack. The design has been optimized in weight and size, by using water-cooled heat sinks for the power converter, and an aluminum coil with air core for the smoothing inductance. The ratings of the ultracapacitor are: nominal voltage: 300 Vdc; nominal current: 200 Adc; capacitance: 20 Farads. The amount of energy stored allows us to have 40 kW of power during 20 seconds, which is enough to accelerate the vehicle without the help of the traction batteries. The vehicle uses a brushless DC motor with a nominal power of 32 kW and a peak power of 53 kW. A control system based on a Digital Signal Processor (DSP) manipulates all the aforementioned variables and controls the Pulse Width Modulation (PWM) switching pattern of the converter transistors. The car used for the implementation of this system is a Chevrolet LUV truck.     

POWOW: power without wires: a SEP concept for space exploration

Electric propulsion has emerged as a cost-effective solution to a wide range of satellite applications. Deep Space 1 successfully demonstrated electric propulsion as the primary propulsion source for a satellite. The POWOW concept is a solar-electric propelled spacecraft capable of significant cargo and short trip times for traveling to Mars. It would enter aerosynchronous orbit and from there, beam power to surface installations via lasers. The concept has been developed with industrial partner expertise in high efficiency solar cells, advanced concentrator modules, innovative arrays, and high power electric propulsion systems. The latest version of the spacecraft, the technologies used, and trip times to Mars are presented. The POWOW spacecraft is a general purpose solar electric propulsion system that uses new technologies that are directly applicable to commercial and government spacecraft with power levels ranging from a LEO power level of 4 kW up to GEO spacecraft about 1 MW. The system is modular, expandable, and amenable to learning curve cost projection methods     

Dynamic neighborhood genetic learning particle swarm optimization for high-power-density electric propulsion motor

To maximize the power density of the electric propulsion motor in aerospace application, this paper proposes a novel Dynamic Neighborhood Genetic Learning Particle Swarm Optimization (DNGL-PSO) for the motor design, which can deal with the insufficient population diversity and non-global optimal solution issues. The DNGL-PSO framework is composed of the dynamic neighborhood module and the particle update module. To improve the population diversity, the dynamic neighborhood strategy is first proposed, which combines the local neighborhood exemplar generation mechanism and the shuffling mechanism. The local neighborhood exemplar generation mechanism enlarges the search range of the algorithm in the solution space, thus obtaining high-quality exemplars. Meanwhile, when the global optimal solution cannot update its fitness value, the shuffling mechanism module is triggered to dynamically change the local neighborhood members. The roulette wheel selection operator is introduced into the shuffling mechanism to ensure that particles with larger fitness value are selected with a higher probability and remain in the local neighborhood. Then, the global learning based particle update approach is proposed, which can achieve a good balance between the expansion of the search range in the early stage and the acceleration of local convergence in the later stage. Finally, the optimization design of the electric propulsion motor is conducted to verify the effectiveness of the proposed DNGL-PSO. The simulation results show that the proposed DNGL-PSO has excellent adaptability, optimization efficiency and global optimization capability, while the optimized electric propulsion motor has a high power density of 5.207 kW/kg with the efficiency of 96.12%.