對(duì)某型艦消磁設(shè)備動(dòng)態(tài)特性分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

對(duì)某型艦消磁設(shè)備動(dòng)態(tài)特性分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

針對(duì)某型艦消磁設(shè)備在降低輸出電流階躍產(chǎn)生尖峰電壓的問題,指出了原設(shè)計(jì)電路上的不足,通過兼顧設(shè)備的動(dòng)態(tài)誤差,調(diào)整緩沖電路的時(shí)間常數(shù),改進(jìn)電路后經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證及實(shí)際使用,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

消磁設(shè)備; 尖峰電壓; 時(shí)間常數(shù)

Class Number TP16

1 引言

某新型消磁設(shè)備屬新研制的最新一代智能型消磁設(shè)備,但在初次裝艦后的系泊試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)輸出電流階躍產(chǎn)生尖峰電壓,為降低尖峰電壓,需增加緩沖電路的時(shí)間常數(shù),但時(shí)間常數(shù)過大,將影響設(shè)備的動(dòng)態(tài)誤差,必須同時(shí)兼顧這兩項(xiàng)性能指標(biāo)[1～2]。本文通過調(diào)整時(shí)間常數(shù),檢測(cè)輸出電流階躍時(shí)的尖峰電壓和動(dòng)態(tài)誤差,在整套設(shè)備滿足精度的前提下,盡可能地延長積分常數(shù)[3～5]。

2 分析過程

根據(jù)圖1電源模塊的原理框圖及電源模塊的原理線路圖,結(jié)合分析出廠試驗(yàn)、單機(jī)恢復(fù)試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)等過程,著重分析與繞組相聯(lián)的輸出級(jí)與緩沖級(jí)電路對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響[6～7]。

圖1 電源模塊的原理框圖

2.1 輸出換向級(jí)電容及繞組電感對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響

圖2為DC/DC整流——輸出級(jí)原理線路圖,在不考慮繞組電感時(shí),分析線路的動(dòng)態(tài)特性。

圖2 輸出級(jí)原理線路圖

當(dāng)輸出電流增加時(shí),其等效電路如圖3所示。

電路的時(shí)間常數(shù)為

其中RS為次級(jí)線包的內(nèi)阻。

當(dāng)DC/DC不工作時(shí),其等效電路如圖4所示。

圖3 電流上升階段等效線路圖

圖4 DC/DC不工作時(shí)等效線路圖

則τ=RL(C1+C0)。

輸出電流下降階段,當(dāng)控制信號(hào)的頻率高于1/τ時(shí),DC/DC將停止能量傳送,由C1、C0向負(fù)載供電;當(dāng)控制信號(hào)的頻率低于1/τ時(shí),DC/DC工作,電流按要求輸出。

額定輸出時(shí),效率為89%,11%的損耗中包含其它各部分電路的損耗,當(dāng)不考慮其它損耗時(shí),認(rèn)為11%為RS損耗,則

P損=I2RS,P輸出=I2RL

τ上升=0.11τ

設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性主要由τ決定。此時(shí),對(duì)于20°/s信號(hào),其頻率遠(yuǎn)小于截止頻率1/τ=121Hz。信號(hào)能夠被跟蹤但引入的誤差是

2.2 緩沖電路動(dòng)態(tài)特性分析

為降低尖峰脈沖的幅度,在信號(hào)通道上加入緩沖電路時(shí),信號(hào)的流程圖如圖5所示。

圖5 加入緩沖后系統(tǒng)信號(hào)流程圖

引入的誤差為

對(duì)于Y分量電源,包含10個(gè)電源模塊,則

τ=(330+30)μF/模塊×10模塊×2.5Ω=9ms

當(dāng)τ緩=6.8ms時(shí),ε=0.525%,誤差增加了0.237%;

當(dāng)τ緩=22ms時(shí),ε=1.056%,誤差增加了0.768%;

2.3 緩沖電路對(duì)尖峰脈沖的影響分析

當(dāng)τ緩<τ,輸入信號(hào)降躍到0時(shí),緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級(jí)快,極性控制信號(hào)先于C0、C1下降至0,發(fā)生極性反轉(zhuǎn),有沖擊電壓,其幅度與τ緩有關(guān),τ緩越接近τ,C0、C1上的電壓越接近0,沖擊電壓越小。

當(dāng)τ緩≥τ,輸入信號(hào)階躍到0時(shí),緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級(jí)慢,電路將根據(jù)電流反饋調(diào)整DC/DC的脈沖寬度,使換向級(jí)輸出跟蹤緩沖級(jí)的變化,當(dāng)緩沖器輸出信號(hào)為0時(shí),DC/DC——換向級(jí)也下降至0,不產(chǎn)生反向過沖電壓。在不產(chǎn)生過沖電壓的時(shí)間常數(shù)中,當(dāng)τ緩=τ時(shí),引入動(dòng)態(tài)誤差最小。

3 改進(jìn)過程

3.1 最佳時(shí)間常數(shù)的確定

通過上述分析,以8.25ms時(shí)間常數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn),逐步調(diào)整相關(guān)電阻電容,在設(shè)備滿足精度的情況下,盡可能降低階躍信號(hào)產(chǎn)生的尖峰電壓。增加緩沖電路的時(shí)間常數(shù),測(cè)量階躍時(shí)的輸出電壓波形,并測(cè)量動(dòng)態(tài)誤差[8～10]。在緩沖電路參數(shù)確定前,為確保設(shè)備安全,從50%額定值階躍到0。

未增加電容時(shí),輸出電壓波形示意圖如圖6所示。

圖6 未增加電容時(shí),輸出電壓波形示意圖

測(cè)量三次動(dòng)態(tài)誤差,分別為1.52%、1.5%、1.55%,靜態(tài)誤差為0.59%。

增加0.68μF電容,相當(dāng)于τ緩=6.8ms,輸出電壓波形示意圖如圖7所示。

圖7 增加0.68μF電容時(shí),輸出電壓波形示意圖

測(cè)量三次動(dòng)態(tài)誤差,分別為1.85%、1.98%、1.87%,靜態(tài)誤差為0.57%,從主控制器到輸出電流的誤差為2.6%。

增加2.2μF電容,相當(dāng)于τ緩=22ms,輸出電壓波形示意圖如圖8所示。

圖8 增加2.2μF電容時(shí),輸出電壓波形示意圖

測(cè)量三次動(dòng)態(tài)誤差,分別為1.95%、2.12%、2.02%,靜態(tài)誤差為0.7%,從主控制器到輸出電流的誤差為3.2%,超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。

由于增加2.2μF電容后,誤差超標(biāo),因此確定消磁設(shè)備所增加的電容為0.68μF。輸出電流從Ie階躍到0時(shí),最大反向電壓為290V,小于IGBT的極限電壓。在后續(xù)的多次通電試驗(yàn)中,均未發(fā)生同類問題,證明該方法有效。

3.2 改進(jìn)措施

則最大變化率為|f′(t)|max=2πa/18=0.35A。

當(dāng)以F限(F限>|f′(t)|max)作為變化率限制值時(shí),不會(huì)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,在后續(xù)設(shè)備的設(shè)計(jì)中,采用如下限制變化函數(shù):

式中A(N)輸出為本次輸出值,A(N)輸入為本次輸入值,A(N-1)輸出為前一次輸出值,F限為變化率限制值,T為信號(hào)輸入周期。當(dāng)輸入出現(xiàn)非預(yù)期突變時(shí),將按等式的第一個(gè)式子緩升或第三個(gè)式子進(jìn)行緩降,防止輸出電流的突變,而正常信號(hào)輸入時(shí),將按中間的等式輸出。

F限的確定:按動(dòng)態(tài)20°/s要求時(shí),F限≥0.35A;按過渡過程要求時(shí),因過度時(shí)間≤1s,取緩升時(shí)間為0.5s,則F限=2(0.35A-(-0.35A))=1.4A,取兩者最大值,則F限=1.4A,引入誤差:

τ為軟件產(chǎn)生的延時(shí),約0.6ms,按1ms計(jì)算,則εmax=0.035%,數(shù)字輸入誤差遠(yuǎn)小于模擬輸入誤差,而對(duì)突變信號(hào),如突變0.5A,則緩沖時(shí)間為:0.5A/1.4A=357ms,緩沖效果更好。

4 結(jié)語

本文針對(duì)某型艦消磁設(shè)備在降低輸出電流階躍產(chǎn)生尖峰電壓的問題,通過分析輸出換向級(jí)電容及繞組電感對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響、緩沖電路動(dòng)態(tài)特性及緩沖電路對(duì)尖峰脈沖的影響,以8.25ms時(shí)間常數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn),逐步調(diào)整相關(guān)電容,在設(shè)備滿足精度的情況下,最終確定消磁設(shè)備所增加的電容為0.68μF。在后續(xù)的多次通電試驗(yàn)中,均未發(fā)生同類問題,證明該方法有效。

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Analyzing and Ameliorating Design of Dynamic Characteristic Degaussing Equipment of Some Marine

XU Jie

(Military Representative office of Navy in Guilin, Guilin 541002)

When reducing the output current of degaussing electrical source of some marine, signal produces the aiguilles voltage. This paper indicates the deficiency of originally circuit,and considers the dynamic precision of the equipment and adjusts the time constant of circuit. The improving circuit achieves the design request by the lab validating and fact application.

degaussing equipment, aiguilles voltage, time constant

2014年4月17日,

2014年5月28日

徐杰,男,碩士,工程師,研究方向：電磁環(huán)境及防護(hù)工程。

TP16

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.042