大功率电弧加热器电源设计
Design of High-power Supply for Arc Heater
- 电力电容器与无功补偿 2025年46卷第5期 页码：122-128
- 作者机构：
- 作者简介：
王钢（1983—），男，工程师，主要从事大功率整流电源工作。E-mail：2429674162@qq.com。
梁雪林（1988—），男，工程师，通信作者，主要从事大功率整流电源工作。E-mail：lxlsbssgcs@163. com。
杨远剑（1979—），男，研究员，主要从事大功率整流电源。E-mail：1588271237@163.com。
何敏（1973—），男，正高级工程师，主要从事大功率整流电源工作。E-mail：lxl432009@163.com。
- 基金信息：
DOI：10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2025.05.014
中图分类号：收稿：2025-06-08，
纸质出版：2025-10-25
- 稿件说明：
移动端阅览
王钢, 梁雪林, 杨远剑, 等. 大功率电弧加热器电源设计[J]. 电力电容器与无功补偿, 2025,46(5):122-128.
WANG Gang, LIANG Xuelin, YANG Yuanjian, et al. Design of High-power Supply for Arc Heater[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2025, 46(5): 122-128.
王钢, 梁雪林, 杨远剑, 等. 大功率电弧加热器电源设计[J]. 电力电容器与无功补偿, 2025,46(5):122-128. DOI： 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2025.05.014.
WANG Gang, LIANG Xuelin, YANG Yuanjian, et al. Design of High-power Supply for Arc Heater[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2025, 46(5): 122-128. DOI： 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2025.05.014.
摘要
针对电弧风洞试验的高性能需求，本文设计了一套输出电流0～3000 A可调、电压0～22000 V可调的52MW高功率电弧加热器电源，具体包括变流器拓扑分析、关键器件选型、参数设计、损耗及散热设计。为解决电弧负载的非线性特性问题，提出了一种基于模糊PI控制的优化控制策略，并在此基础上对保护系统进行了详细设计。通过某电弧风洞的运行考核验证，所设计的电源能够在额定电流条件下实现千秒级长时间稳定运行，恒流精度达到0.57%，电流无超调，输出电流纹波系数小于3%。实验结果表明，该电源的各项性能参数均满足设计要求，为电弧风洞试验提供了高性能、高可靠性的电源解决方案。
Abstract
As for the high-performance requirements of arc wind tunnel test，in this paper a set of 52 MW high-power arc heater power supply with adjustable output current（0～3 000 A）and adjustable voltage （0～22 000 V）is designed，including specifically topology analysis of converter，type seelction，parameter design，loss and radiation design of key elements. To address the nonlinear characteristics of the arc load， an optimized control strategy based on fuzzy PI control is proposed and，on this basis，the protection system is designed in detail. It is demonstrated through operational assessment and verification in a certain arc wind tunnel that the designed power supply can achieve long-duration stable operation at the rated current for over a thousand seconds，with a constant current accuracy of 0.57%，no current overshoot and an output current ripple coefficient of less than 3%. The Experimental results show that each performance parameter of the power supply can meet the design requirements，and provide a high-performance and highly reliable power solution for arc wind tunnel test.
关键词
Keywords
references
隆永胜 , 袁竭 , 姚峰 , 等 . 大功率电弧加热器关键技术概述 [J ] . 西北工业大学学报 , 2021 , 39 ( 4 ): 776 - 785 .
LONG Yongsheng , YUAN Jie , YAO Feng , et al . Overview of key technologies of high power arc heater [J ] . Journal of NorthwesternPolytechnicalUniversity , 2021 , 39 ( 4 ): 776 - 785 .
LUO Wanqing , YANG Yuanjian , LIANG Jianhan , et al . Study on the simulation method of the ground test in the arc-heated wind tunnel [J ] . International Journal of Aerospace Engineering , 2020 , 2020 ( 1 ): 8890743 .
袁修荣 . 大功率电弧加热器电源系统的建模与控制 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2020 .
VECCHIO A D , PURPURA C , FILIPPIS F D . Cold air injection and mixing in scirocco hypersonic large scale arcjet faility [C ] // Aiaa International Space Planes & Hypersonic Systems & Technologies . Norfolk,Virginia : AIAA , 2003 : 69 - 59 .
JIN Yong , LI Yue , JIANG Chuan , et al . Review on the research progress of arc plasma power sources in China [J ] . IEEE Access , 2023 ( 11 ): 141394 - 141405 .
刘天立 . 高压大功率电源控制系统研制 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2019 .
王泽宇 . 大功率电弧加热器电源系统的建模及串并联运行研究 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2021 .
欧东斌 , 曾徽 , 马汉东 , 等 . 大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究 [J ] . 气体物理 , 2021 , 6 ( 3 ): 62 - 67 .
OU Dongbin , ZENG Hui , MA Handong , et al . Quantitative study of flow characteristics during ignition for high power arc heater [J ] . Physics of Gases , 2021 , 6 ( 3 ): 62 - 67 .
ŁUKASIK Z , OLCZYKOWSKI , et al . Estimating the impact of arc furnaces on the quality of power in supply systems [J ] . Energies , 2020 , 13 ( 6 ): 1462 - 1491 .
OLCZYKOWSKI Z . Arc voltage distortion as a source of higher harmonics generated by electric arc furnaces [J ] . Energies , 2022 , 15 ( 10 ): 3628 - 3650 .
胡官鹏 . 大功率电弧加热器电源串并联运行控制系统研究 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2012 .
MONTGOMERY P. A. , SMITH D. M. , SHEELEY J. M. , et al . The quest for higher total pressures justification and current development efforts for a higher pressure arc-heated facility [C ] // USAF Developmental Test and Evaluation Summit , Woodland Hills,California : AIAA , 2004 : 6815 .
戴隽文 . 大功率电弧加热器系统的仿真研究 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2010 .
郭文杰 . 航天器大气环境模拟用高压大功率电弧加热器电源系统研究 [D ] . 北京 : 北京交通大学 , 2008 .
DAI Junwen , HAO Ruixiang , YOU Xiaojie , et al . Modeling of plasma arc for the high power arc heater in Matlab [C ] // 2010 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications . [S. l.] : IEEE , 2010 : 463 - 468 .
郑琼林 , 郭文杰 , 郝瑞祥 . 大功率电弧加热器电源的设计研究 [J ] . 电力电子技术 , 2009 , 43 ( 10 ): 8 - 10 .
ZHENG Qionglin , GUO Wenjie , HAO Ruixiang . Study on high power converter for arc heater applications [J ] . Power Electronics , 2009 , 43 ( 10 ): 8 - 10 .
TAKAYUKI SHIMODA1 , KAZUHIKO YAMADA . Arc heating wind tunnel facility in isas/japan and the activity to update and improve it for further sample return missions [C ] // 2016 46th International Conference on Environmental Systems , Austria : ICES , 2016 .
GUO Wenjie , FAN Lin , XU You , et al . Nonlinear control of power supply for an arc heater [C ] // 2006 1ST IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications , Singapore : IEEE , 2006 : 1 - 4 .
臧春艳 . 航天继电器稳态电弧等离子体电离过程与电弧特性研究 [D ] . 武汉 : 华中科技大学 , 2006 .
GUO Wenjie , FAN Lin , XU You , et al . Analysis of nonlinear control for high power arc heater utilizing thyristor converter [C ] // 2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference , Jeju,Korea(South) : IEEE , 2006 : 1 - 5 .
徐建明 . PID控制器及其设计方法研究 [D ] . 杭州 : 浙江工业大学 , 2002 .
KIM B , CHOI S B , KIM Y . Observer-based control for a torque converter lock-up clutch utilizing a steady-state torque map [J ] . IEEE Transactions on Control Systems Technology , 2023 , 31 ( 3 ): 1208 - 1219 .
LIU X , QIU L , FANG Y , et al . A fuzzy approximation for FCS-MPC in power converters [J ] . IEEE Transactions on Power Electronics , 2022 , 37 ( 8 ): 9153 - 9163 .
GHIORMEZ L , PANOIU M , PANOIU C . Fuzzy logic controller for power control of an electric arc furnace [J ] . Mathematics , 2024 , 12 ( 21 ): 3445 - 3470 .
0
浏览量
5
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- Meta-XML下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 陕ICP备05005324号-3
陕公网安备 61010402000197 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies