模塊時(shí)序和電感對(duì)電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響

Influences of Module Timing and Inductance on the Pulse Power Supply System Used for Electromagnetic Launch

邱　燕

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710300)

模塊時(shí)序和電感對(duì)電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響

Influences of Module Timing and Inductance on the Pulse Power Supply System Used for Electromagnetic Launch

邱燕

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710300)

摘要：針對(duì)電磁發(fā)射時(shí)要求電流幅值高、上升時(shí)間短、理想工作時(shí)電流幅值曲線(xiàn)近似為梯形模式、持續(xù)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)等特點(diǎn)，研究了模塊充電電壓、電容、電感以及觸發(fā)時(shí)序變化對(duì)負(fù)載電流幅值和脈沖寬度的影響。通過(guò)計(jì)算和仿真，分析了模塊時(shí)序間隔和電感對(duì)電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響，提出了滿(mǎn)足電磁發(fā)射所需電流實(shí)際要求的可行性方法。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射時(shí)序放電脈沖電源模塊時(shí)序電感

Abstract：High amplitude of current, short rising time, ideal trapezoid working mode and the millisecond time duration are requested for electromagnetic launch, in accordance with these features, the influence on the amplitude of load current and the pulse width is researched by changing the module charging voltage, capacitance and inductance as well as the trigging timing. Through calculation and simulation, the influence of the timing interval of module and the size of inductor on the pulse power supply system is analyzed, and the feasible method for satisfying practical requirement of the current for electromagnetic launch is proposed.

Keywords：Electromagnetic launchTiming of dischargePulse power supplyModule timingInductance

0引言

電磁發(fā)射技術(shù)是利用電磁力(洛侖茲力)沿導(dǎo)軌發(fā)射炮彈的武器,主要由能源、加速器、開(kāi)關(guān)3部分組成[1]。目前,實(shí)驗(yàn)常用的能源裝置主要為電容儲(chǔ)能式脈沖發(fā)生器。加速器則能夠把電磁能量轉(zhuǎn)換成炮彈動(dòng)能，使炮彈高速發(fā)射[2]。

由于電磁發(fā)射所需電流的幅值高，上升時(shí)間短，理想工作時(shí)幅值曲線(xiàn)近似為梯形模式，持續(xù)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)[3]，因此單個(gè)脈沖功率模塊難以滿(mǎn)足。目前常采取多組并聯(lián)的電源模塊按序放電來(lái)獲得較寬的電流寬度。這種方式并不能獲得理想的恒定電流，實(shí)際所得到的電流曲線(xiàn)必然會(huì)有振蕩和過(guò)沖。采取多模塊時(shí)序并聯(lián)放電時(shí)，本文通過(guò)改變模塊的充電電壓、電容、電感以及觸發(fā)時(shí)序，來(lái)改變負(fù)載電流的幅值及脈沖寬度，從而滿(mǎn)足電磁發(fā)射所需的電流要求。

1電容儲(chǔ)能式脈沖功率電源的參數(shù)計(jì)算

在恒定電流(constant current,CC)模式作用下，彈丸受力均勻，理論分析比較方便。對(duì)于電磁軌道CC比較理想的電流模式,假如加載到電路的電流是幅值為I的恒定電流，脈沖電流幅度、電流寬度與彈丸的速度、軌道的長(zhǎng)度、電樞和彈丸質(zhì)量之間的近似方程如下：

(1)

(2)

彈丸的炮口速度、電樞和彈丸的質(zhì)量及軌道的長(zhǎng)度是已知的，由式(1)可求出所需電流的寬度即電樞在軌道上的運(yùn)行時(shí)間t和所需電流的峰值I。

設(shè)軌道和電樞的阻值為R，忽略電樞與軌道之間的阻力，如摩擦阻力和空氣阻力，并且假設(shè)電流為恒定值，根據(jù)能量守恒，列出下式：

(3)

式(3)等號(hào)左側(cè)為電容儲(chǔ)能能量，右側(cè)為電感儲(chǔ)能能量、電樞(含彈丸)的動(dòng)能以及軌道上的熱損。結(jié)合式(1)和式(2)，得到下列關(guān)系式：

(4)

式(4)反映了電路中C、L、R、U0與彈丸炮口速度V之間的關(guān)系[5]。設(shè)軌道選用銅金屬材料，長(zhǎng)度為6m，寬度為30mm，由5層薄板串聯(lián)而成，薄板間距1mm，厚度為6.4mm；固體電樞也是由5層薄板串聯(lián)而成，每層尺寸為30mm(長(zhǎng))×39mm(寬)×6.4mm(厚)，薄板間距1mm，電樞采用鋁金屬材料。設(shè)軌道及電樞電阻為R=ρl/s，其中ρ為電阻率，l為材料的長(zhǎng)度, s為面積。常用金屬導(dǎo)體在20 ℃時(shí)的電阻率：銅 1.75×10-8Ω·m，鋁 2.83×10-8Ω·m。R銅=2.7mΩ，R鋁=0.02mΩ，R=5.42mΩ，質(zhì)量為100g，出口速度為3 000m/s。

由式(1)求出：平頂電流幅度為I=612kA，平頂電流持續(xù)時(shí)間為t=4ms。考慮到軌道的摩擦和空氣阻力等因素，實(shí)際電流應(yīng)大于612kA。

由式(4)和已知軌道炮軌道材料參數(shù)， 忽略調(diào)波電感值和電容器上的損耗，可得充電電壓的值與電容器的電容值分別為U0=5kV、C=686mF。

2模塊時(shí)序放電的影響

在電磁發(fā)射脈沖電源系統(tǒng)中，每個(gè)模塊并聯(lián)放電主要是依據(jù)時(shí)序放電的形式進(jìn)行的。時(shí)序放電過(guò)程是非常復(fù)雜的，所有放電模塊連接到負(fù)載上，模塊之間存在著電氣聯(lián)系和能量流動(dòng)，從而相互影響各自的放電情況。負(fù)載電流是由放電模塊個(gè)數(shù)和每個(gè)模塊的放電狀況決定的，所以對(duì)于多模塊并聯(lián)放電的脈沖電源系統(tǒng)的特性分析，需要根據(jù)模塊的放電狀態(tài)進(jìn)行討論。

每個(gè)模塊的放電原理圖如圖1所示。主開(kāi)關(guān)通斷和續(xù)流支路通斷的狀態(tài)決定了這個(gè)模塊的放電狀態(tài)。

圖1　電容儲(chǔ)能放電原理圖

多模塊放電示意圖如圖2所示。

圖2　多模塊放電示意圖

在多數(shù)情況下，脈沖電源系統(tǒng)中每個(gè)模塊的工作狀態(tài)有3種：①換路前，為 C-L-R電路放電狀態(tài)；②換路中，為 C-L-R電路和R-L電路疊加的放電狀態(tài)；③換路后，即R-L電路放電狀態(tài)。當(dāng)脈沖功率裝置的容量要求比較大時(shí)，采用多個(gè)電容器并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)要求所需的電流幅值和寬度。

以六模塊并聯(lián)系統(tǒng)為例，搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，每個(gè)模塊的儲(chǔ)能電容C=686 mF/6=114.33 mF。

利用PISM仿真軟件進(jìn)行仿真，采用型號(hào)為MWF5-200的脈沖電容器，電容量為C=200×575=115 mF。等效串聯(lián)電阻為0.2 mΩ，等效串聯(lián)電感為0.035 nH；負(fù)載(電磁發(fā)射系統(tǒng))等效電阻為5.42 mΩ的電阻。續(xù)流支路的二極管為理想二極管；吸能電阻R設(shè)為 20 mΩ；調(diào)波電感L取為6 μH。利用開(kāi)關(guān)K和串連的二極管構(gòu)成理想狀態(tài)的TVS模型，此處的二極管起TVS電流過(guò)零熄弧的作用[6]。

模塊時(shí)序放電對(duì)總的負(fù)載電流波形有非常大的影響，負(fù)載不同，就要設(shè)置不同的時(shí)序，獲得最接近理想情況的電流，使電源系統(tǒng)擁有最佳性能。下面以六模塊電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析模塊時(shí)序放電對(duì)負(fù)載電流的影響。

假設(shè)六模塊時(shí)序放電系統(tǒng)中每個(gè)模塊等間隔為444 μs、555 μs、666 μs觸發(fā)放電。負(fù)載電流的波形和每個(gè)單模塊的放電電流波形如圖3所示。圖3中,I1到I6為6個(gè)模塊各自的電流，I7為整個(gè)電源模塊提供給負(fù)載的電流。

圖3　等間隔時(shí)序下負(fù)載電流波形

從圖3的仿真電流波形可以得出，模塊之間觸發(fā)時(shí)間的間隔較短時(shí)，負(fù)載電流的變化率di/dt比較大，可快速上升到達(dá)峰值，峰值較高，脈寬小，電流維持在較高水平的時(shí)間相對(duì)較短。各單模塊發(fā)出的電流的變化率di/dt較小，峰值低，脈寬大。反之，隨著模塊之間觸發(fā)時(shí)間間隔的增大，負(fù)載電流的變化率di/dt減小，到達(dá)峰值所用的時(shí)間變長(zhǎng)，電流幅值減小，脈寬增大，維持在較高水平的時(shí)間也得到延長(zhǎng)。各單模塊的電流變化率di/dt增大，峰值增高，脈寬減小。

應(yīng)用于電磁發(fā)射的電源，其負(fù)載理想電流的特點(diǎn)是：初始電流迅速上升到達(dá)峰值，可持續(xù)在高電流水平，末端電流可以迅速下降[7]。因此，在時(shí)序調(diào)節(jié)中，開(kāi)始和結(jié)束的兩個(gè)階段要讓兩個(gè)或多個(gè)模塊同時(shí)放電或者觸發(fā)間隔時(shí)間很短，保證負(fù)載電流快速上升和下降。中間階段的每個(gè)模塊的觸發(fā)間隔時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，有效地保證電流脈寬，更趨近于理想的負(fù)載電流。所以考慮六模塊系統(tǒng)中各個(gè)模塊不等間隔的觸發(fā)放電，根據(jù)等間隔的放電電流波形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，得到的總電流波形及各單模塊的放電波形如圖4所示。

圖4　不等間隔時(shí)序下放電電流波形

開(kāi)關(guān)控制放電時(shí)間間隔分別為：t1=0 ms、t2=0.278 ms、t3=1.25 ms、t4=1.53 ms、t5=1.805 ms、t6=2.917 ms。由圖4可見(jiàn)，其負(fù)責(zé)電流的波動(dòng)振蕩情況明顯改善，電流在600 kA附近波動(dòng)，峰值電流可達(dá)640 kA，電流快速上升到達(dá)峰值，上升時(shí)間不到1 ms，并且電流維持在較高水平，末端電流可以快速下降，波形比較理想。

3電感的大小對(duì)電流疊加效果的影響

電抗器是用于脈沖電流波形調(diào)節(jié)的重要元件，其電感值與電流脈沖峰值的大小及峰值上升時(shí)間有密切的關(guān)系，并具有中間儲(chǔ)能的作用[8]。

電抗器電感量的確定要考慮兩個(gè)方面。一是電感量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致回路電流的峰值偏小，脈沖電流上升陡度小，放電時(shí)間增大，導(dǎo)致軌道炮對(duì)電能的利用率降低[9]。二是電感量過(guò)小，負(fù)載電流波動(dòng)大，峰值大，而且過(guò)小的電感量不利于波形的調(diào)節(jié)[10]，對(duì)開(kāi)關(guān)的要求更嚴(yán)格，對(duì)開(kāi)關(guān)的正常觸發(fā)和電源系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。

電感量為2 μH和10 μH的仿真結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)是電感為2 μH時(shí)的仿真結(jié)果，開(kāi)關(guān)控制放電時(shí)間間隔分別為：t1=0 ms，t2=0.56 ms、t3=1 ms、t4=1.639 ms、t5=2.222 ms、t6=2.778 ms。圖5(b)是電感為10 μH時(shí)的仿真結(jié)果，開(kāi)關(guān)控制放電時(shí)間間隔分別為：t1=0 ms、t2=0 ms、t3=0.833 ms、t4=1.39 ms、t5=1.806 ms、t6=2.083 ms。

圖5　不同電感量情況下放電電流波形

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)電感量小時(shí)，放電電流可以快速上升和下降，在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到第一個(gè)波頭，但是不利于波形的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致負(fù)載電流的波動(dòng)比較大。電感變小，每個(gè)模塊的發(fā)出的電流峰值就會(huì)增大，這對(duì)開(kāi)關(guān)的要求就更嚴(yán)格，對(duì)開(kāi)關(guān)的正常觸發(fā)和電源系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。當(dāng)電感量大時(shí)，雖然降低了回路的電流峰值，減輕了開(kāi)關(guān)和電源系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，但是負(fù)載電流到達(dá)第一個(gè)波頭所用的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；脈沖電流的上升陡度變小，放電時(shí)間增大，但是電流平頂時(shí)間變小，這就降低了軌道炮對(duì)電能的利用率。因此，要選擇合適的電感值。

減小后面幾個(gè)放電模塊的放電時(shí)間，以增大電能利用率，即減小后面幾個(gè)放電模塊的電感，再進(jìn)行時(shí)序調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)仿真后得到的負(fù)載電流和各模塊放電電流波形如圖6所示。

圖6　負(fù)載電流和各模塊放電電流波形

仿真時(shí)，把模塊5和6的電感值減小到3 μH，加快后兩個(gè)放電模塊的放電速度，再進(jìn)行時(shí)序調(diào)整，開(kāi)關(guān)控制放電時(shí)間間隔分別為：t1=0 ms、t2=0 ms、t3=0.833 ms、t4=1.167 ms、t5=1.556 ms、t6=2.556 ms。由圖6可以看出,負(fù)載電流的平滑度相對(duì)較好，但是彈丸經(jīng)過(guò)軌道的時(shí)間是4 ms，陰影部分是沒(méi)有利用的電能，明顯比圖4的陰影部分面積小，電能利用率明顯增大。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)所建立的電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)模型，本文計(jì)算和仿真分析了模塊時(shí)序間隔和電感大小對(duì)電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響。在實(shí)際電路應(yīng)用中,可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，比如通過(guò)適當(dāng)增大電容量、增大充電電壓等方法來(lái)增大合成電流和增加脈寬長(zhǎng)度，滿(mǎn)足電磁發(fā)射所需的電流等實(shí)際要求。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH85；TM91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507002

修改稿收到日期：2014-08-30。

作者邱燕(1981-)，女，2004年畢業(yè)于西安理工大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事新能源技術(shù)的研究。