离子风空气加速器的电源设计与研究

论文摘要

随着非平衡态等离子体研究的不断深入,离子风技术引起了国内外学者的广泛关注,成为非平衡态等离子体研究的一个分支和国际研究的前沿。离子风技术已经开始应用于空气推进、冷却、电声学、除尘、除湿、空气净化、固体流体边界层修正、燃烧控制等领域。离子风空气加速器是利用空气电晕放电离子风技术实现气流加速的装置。而现有的离子风发生装置效率低、产生的气流速度小,不能达到实际应用的要求。离子风速度的提高逐渐成为这一领域国际研究的热点方向之一。本文综述了国内外离子风及其电源研究的概况,概括了离子风空气加速器研究的主要成果和存在的主要问题。从宏观描述及微观分析阐明了离子风空气加速器的工作原理,然后从电离区电晕放电、电离区和漂移区内离子输运的电流通道模型分析了电极模块。通过对电极模块负载特性的等效,提出离子风空气加速器的等效电路,计算了等效电容和等效电阻。使用Multisim10软件对等效电路仿真,分析电压的波动频率及幅值变化、等效电阻和等效电容变化对极间放电电流变化的影响。针对离子风空气加速器中电晕放电的特性和电极模块放电的特点,提出了离子风空气加速器的电源设计。电源的硬件电路设计包括主控制电路、功率MOSFET的驱动和缓冲电路、采样反馈电路、高压升压电路和多倍压整流电路;软件设计包括主控芯片PIC的系统配置、PWM占空比及频率设定、主程序及中断子程序流程图。通过样机调试实验对设计的电源进行评估:在PWM周期为55μs,脉宽为10μs时,电压微小变化的幅值为Va.c.=977.24V,频率为f= 1/55μs≈18.2kHz,实际测得的电压值相对于理论值的误差为1.58%。本电源实现的高压范围:16623V~20347V ,频率调节范围:18.2kHz～2 2.2kHz,电压微小变化的幅值为977V,电压的误差均在3%以内,实验验证了设计的电源符合等效电路的要求,同时验证了等效电路的合理性。为后续研究离子风空气加速提供了电源模块。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外离子风研究综述
• 1.3 国内外离子风电源研究概况
• 1.4 课题研究的意义
• 1.5 课题研究的内容
• 第二章 离子风空气加速器的等效电路分析
• 2.1 离子风空气加速器简介
• 2.1.1 离子风空气加速器原理的宏观描述
• 2.1.2 离子风空气加速器机理的微观分析
• 2.2 离子风空气加速器电极模块的分析
• 2.2.1 电离区气体放电分析
• 2.2.1.1 正电晕、负电晕放电
• 2.2.1.2 电离区气体放电条件
• 2.2.2 电离区和漂移区内离子输运的电流通道模型分析
• 2.3 离子风空气加速器的等效电路抽象及计算
• 2.3.1 离子风空气加速器的电路等效
• 2.3.2 等效电容和等效电阻的计算
• 2.4 等效电路的仿真及分析
• 2.4.1 等效电路的仿真
• 2.4.2 电压的波动频率及幅值变化对电流变化影响的分析
• 2.4.3 等效电阻、等效电容变化对电流变化影响的分析
• 2.5 离子风空气加速器对电源模块的要求
• 2.6 本章小结
• 第三章 离子风空气加速器电源的软硬件设计
• 3.1 离子风空气加速器电源的设计思路
• 3.2 离子风空气加速器电源的硬件电路设计
• 3.2.1 市电的电磁干扰（EMI）滤波电路
• 3.2.2 AC/DC 的变换模块
• 3.2.3 控制模块
• 3.2.4 功率MOSFET 的驱动和缓冲电路
• 3.2.5 采样信号处理模块
• 3.2.6 升压模块
• 3.3 离子风空气加速器电源的软件设计
• 3.3.1 电源软件实现流程
• 3.3.2 系统初始化及配置
• 3.4 本章小结
• 第四章 离子风空气加速器电源的调试及功能分析
• 4.1 离子风空气加速器的电源实物图
• 4.2 离子风空气加速器电源的调试
• 4.2.1 主控芯片PWM 输出的调试
• 4.2.2 PWM 驱动电路的调试
• 4.2.3 升压模块的调试
• 4.2.4 电源的整机调试
• 4.3 电源在离子风空气加速器中的功能分析
• 4.3.1 电源功能在极间距变化时的比较分析
• 4.3.2 电源的PWM 周期不同时的比较
• 4.3.3 电源功能与等效电路仿真结果的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文