續(xù)流能量回收的線圈發(fā)射電源系統(tǒng)研究

劉淼，郭燈華，史鐸林

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033)

電磁發(fā)射技術(shù)是機械能發(fā)射、化學(xué)能發(fā)射之后的一次發(fā)射方式革命,而電磁線圈發(fā)射作為電磁發(fā)射方式之一,因其發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡單、瞬時推力大、電樞與線圈摩擦小等優(yōu)點,具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

基于電容儲能型脈沖電源,電磁線圈炮中使用傳統(tǒng)的PFN(Pulse Forming Network)電路結(jié)構(gòu)由脈沖電容、晶閘管、負載線圈組成放電回路,晶閘管、負載線圈、二極管組成續(xù)流回路。晶閘管接收觸發(fā)脈沖而開通,脈沖電容為線圈提供電流,通過二極管續(xù)流。線圈發(fā)射效率遠高于軌道炮,但仍存在較高的開關(guān)器件損耗及線圈損耗,同時由于續(xù)流回路的存在,放電電流脈寬較大,電樞運動到下一級線圈或出炮口時,前級線圈中仍存在環(huán)路電流,給電樞施加與電樞運動方向相反的力,影響發(fā)射效率。

在降低系統(tǒng)損耗方面,文獻[3-4]建立基于電流絲的等效電路,根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化算法,對5級線圈發(fā)射系統(tǒng)進行了優(yōu)化,雖然其電樞加速度更為穩(wěn)定,但出口速度略有下降;文獻[5]從電樞加速本質(zhì)是磁場變化的角度,對多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速原理進行分析,通過改變驅(qū)動線圈的電流方向,在發(fā)射器膛內(nèi)產(chǎn)生了方向相反的兩種磁場,分析電樞運動規(guī)律及電流分布,獲得了改變磁場方向?qū)Πl(fā)射效率的影響機理,最終將后4級的發(fā)射效率提升20.7%;文獻[6]以驅(qū)動線圈與電樞的結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動線圈匝數(shù)及電樞初始觸發(fā)位置為變量,以發(fā)射速度和能量轉(zhuǎn)換效率之積為目標(biāo)函數(shù),引入遺傳算法對發(fā)射器參數(shù)進行優(yōu)化,優(yōu)化后系統(tǒng)效率提升8%,系統(tǒng)性能明顯改善。在能量回收方面,目前針對線圈發(fā)射技術(shù)能量回收的研究較少,但在電磁軌道炮已有人做了研究[7-12],有文獻在傳統(tǒng)PFN結(jié)構(gòu)上反并聯(lián)二極管和小電感串聯(lián)構(gòu)成的能量回收通路,進行Simplorer仿真,最終降低系統(tǒng)能量損耗6.3%[13]。

筆者立足于電磁線圈發(fā)射裝置脈沖電源優(yōu)化,提出一種續(xù)流能量回收的電磁發(fā)射電源系統(tǒng),旨在提高線圈發(fā)射效率,降低系統(tǒng)損耗,在連續(xù)發(fā)射上具有更大的優(yōu)勢;分析當(dāng)前線圈發(fā)射用電源系統(tǒng)存在的損耗問題,提出新的電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),通過該拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電源系統(tǒng)的能量回收及再利用,達到提高電磁線圈發(fā)射效率的目的。

1 續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)研究

線圈發(fā)射過程中,電源系統(tǒng)將充電機提供的電能儲存到脈沖電容中,當(dāng)電樞經(jīng)過最佳位置時,上位機控制晶閘管開通,脈沖電容與線圈形成RLC回路,由脈沖電容為線圈供能。

由于趨膚效應(yīng)的影響,電樞中感應(yīng)電流分布不均勻,因此采用電流絲法,將電樞劃分為若干個環(huán),理論上當(dāng)劃分足夠細時,每個環(huán)中的電流一致[14]。電樞劃分如圖1所示,按照電流絲劃分后線圈及電樞等效電路模型如圖2所示,將多級電磁線圈炮等效為m個線圈與n個電流環(huán)組合。

由電流絲法得到線圈發(fā)射的電磁方程和運動方程如下所示[3]:

(1)

(2)

(3)

當(dāng)前線圈發(fā)射系統(tǒng)如圖3所示,驅(qū)動電路如圖4所示。

當(dāng)前線圈發(fā)射系統(tǒng)工作原理為:當(dāng)電樞到達對應(yīng)線圈的觸發(fā)位置時,驅(qū)動板發(fā)出觸發(fā)脈沖信號,晶閘管開通,電容、晶閘管、線圈形成回路,電容為線圈提供能量,電容電壓降為0 V后,晶閘管、線圈、二極管形成續(xù)流回路,電流緩慢減小至0 A,晶閘管關(guān)斷,完成當(dāng)級加速動作。多級線圈連續(xù)加速,為電樞提供更高速度。但在高速階段,由于存在續(xù)流過程的脈沖電流脈寬較大,電樞在脈寬時間內(nèi)早已通過該級線圈,而線圈中仍存在大量續(xù)流能量,大大增加損耗。

為了克服這種缺點,提出一種續(xù)流能量回收的電源系統(tǒng),如圖5所示。利用線圈發(fā)射電磁力與線圈通流方向無關(guān),只與互感梯度有關(guān)的特點,通過電容正反向工作,來存儲續(xù)流能量。低速階段電樞通過線圈時間較長,需要增加脈沖寬度,同時為了正反向工作,采用圖5中含續(xù)流回路的驅(qū)動電路;高速階段對應(yīng)的線圈,采用圖5中續(xù)流能量回收驅(qū)動電路。

電樞在前n級線圈中運動,當(dāng)?shù)竭_觸發(fā)位置時,驅(qū)動T1、T3使能,形成放電回路,電容放電經(jīng)晶閘管T1將能量提供給線圈負載,隨后通過T3續(xù)流,電流為0 A時兩晶閘管自主關(guān)斷;經(jīng)過n級加速電樞達到一定速度,到達第n+1級線圈,當(dāng)電樞到達該級觸發(fā)位置時,驅(qū)動T1開通,電容經(jīng)晶閘管T1將能量提供給線圈負載;電容電壓降為0后,線圈電流一部分以能量傳遞給電樞,剩余續(xù)流能量給脈沖電容反向充電,當(dāng)電流降為0 A后,T1截止。后續(xù)級按照上述動作實現(xiàn)電樞逐級加速。

下一次發(fā)射前,充電機為所有脈沖電容反向充電,由于高速段對應(yīng)的脈沖電容上一次發(fā)射存有回收的續(xù)流能量,充電所需能量較少。發(fā)射時,含續(xù)流回路的驅(qū)動電路中晶閘管T2、T4開通,電容經(jīng)晶閘管T2給線圈放電;電容電壓降為0 V時,線圈負載,晶閘管T2、T4形成續(xù)流回路;續(xù)流能量回收驅(qū)動電路中晶閘管T2開通,反向放電。這樣,續(xù)流能量存儲在電容正向。在下一次發(fā)射時,充電機對脈沖電容正向充電,連續(xù)發(fā)射依次進行,以此類推。

2 續(xù)流能量回收級數(shù)的確定

從前面分析可知,電樞達到一定速度后,才可以采用續(xù)流能量回收的驅(qū)動電路,因此,需要確定可續(xù)流能量回收的級數(shù)與哪些因素相關(guān)。

由上述方程可知,電樞在線圈中運動伊始,驅(qū)動線圈電流及互感梯度均為正向,使得電樞中感應(yīng)出正向電流,產(chǎn)生推力為線圈加速;當(dāng)電流的上升時間與電樞的加速時間不匹配時,磁場的減小會在電樞中感應(yīng)出反向電流,將電樞分為若干個單元,當(dāng)若干單元所受電磁力合力反向時,則會形成反向作用力,此現(xiàn)象稱為截獲效應(yīng)。降低電樞截獲效應(yīng)將成為提高發(fā)射效率的有效手段;同時,如能將發(fā)射所剩能量回收到脈沖電容中,發(fā)射效率將有極大地提升。在上升時間不變的條件下,若能減小其反向作用力時間,則能夠降低截獲效應(yīng),但同時又要保證電樞加速充分,即以下條件:

1)通過減小電流下降階段時間來降低反作用力做功;

2)電樞尾部在有效加速時間內(nèi)通過該級線圈。

假設(shè)每級線圈的能量轉(zhuǎn)換效率一致,則電樞通過n級線圈后速度為

(4)

通過n+1級線圈后速度為

(5)

由于電樞運動過程為變加速度直線運動,其運動過程較為復(fù)雜,這里將其簡化為關(guān)于該過程的平均加速度的勻加速直線運動,則在前文所述的邊界條件中,假設(shè)第n+1級滿足要求,即有:

(6)

式中:T為有效加速時間;Lcoil為線圈橫向距離。

電流上升時間表達式為

(7)

當(dāng)T>Tr時,即對應(yīng)n的合適值。

筆者依托5級電磁線圈發(fā)射,采用有限元仿真手段,將原有線圈發(fā)射電源系統(tǒng)及續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)各項指標(biāo)進行對比。5級線圈炮的脈沖電容電壓為800 V,電容值為9.5 mF,電樞質(zhì)量為1.5 kg,發(fā)射效率采用仿真經(jīng)驗值的20%,根據(jù)式(4)～(7)計算得到n>2.8,仿真得到n=3時效果最佳,仿真結(jié)果如圖6所示。因此,選用前3級為圖5中含續(xù)流回路的驅(qū)動電路,后2級為續(xù)流能量回收驅(qū)動電路。

3 兩種電源系統(tǒng)的有限元仿真對比

采用有限元仿真對可續(xù)流能量回收進行了驗證。有限元仿真模型如圖7所示。

3.1 發(fā)射效率對比

在有限元仿真中,原電源系統(tǒng)采用圖3所示電路拓撲結(jié)構(gòu),續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)按照圖5所示電路拓撲結(jié)構(gòu);仿真設(shè)置5級線圈,每級線圈20匝,電容電壓為800 V,電容值為9.5 mF,電樞質(zhì)量為1.5 kg,晶閘管采用位置觸發(fā),除電路結(jié)構(gòu)不同外,設(shè)置其他仿真條件相同。通過有限元中MAXWELL 2D仿真得到速度曲線,如圖8所示。

仿真結(jié)果顯示,應(yīng)用續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)時電樞出口速度為61.07 m/s,應(yīng)用原電源系統(tǒng)時電樞出口速度為57.56 m/s。依據(jù)式(1)～(3)表示的線圈發(fā)射電磁方程可知,電流脈寬越長,其反向作用力的作用時間越久,所得出口速度也將降低。兩種電源系統(tǒng)的推力曲線如圖9所示,可以看出原電源系統(tǒng)在電樞通過最后一級時其反向作用力作用時間更長,因此,續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)在減小截獲效應(yīng)方面具有一定的優(yōu)勢。

圖10、11分別為原電源系統(tǒng)、續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)的電壓、電流曲線。對比圖10(b)、11(b)中電流曲線,續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)的第4級、第5級由于無續(xù)流過程,在電流到達峰值時快速下降,其電流變化率較高,線圈負載間距較小,且具有電感屬性,這種電流變化率使第2級、第3級線圈感應(yīng)出電流,因此在第2級、第3級電流曲線中分別呈現(xiàn)出一段電流上升的趨勢。

在續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)中,其發(fā)射效率需要重新定義:

(8)

式中:E0為發(fā)射前脈沖電容儲存能量;Es為發(fā)射后脈沖電容儲存能量。

結(jié)合圖10(a)、11(a)所示電壓曲線,應(yīng)用式(8)計算得到原電源系統(tǒng)發(fā)射效率為16.35%,續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)發(fā)射效率為23.31%,效率提升6.96%。由此可見,續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)能夠大幅提升電磁線圈發(fā)射效率,尤其在更多級線圈發(fā)射過程中,其出口速度相較于原電源系統(tǒng)也會有較大提升,回收能量也更多,發(fā)射效率的提升將更加明顯。

3.2 開關(guān)器件及線圈損耗對比

在脈沖電容放電過程中,電流經(jīng)過半導(dǎo)體器件與線圈,都會產(chǎn)生損耗,分別為

P1=UI+I2R,

(9)

P2=I2RL,

(10)

式中:P1為半導(dǎo)體器件損耗功率;U為半導(dǎo)體器件通態(tài)峰值電壓;R為半導(dǎo)體器件斜率電阻;P2為線圈損耗功率;RL為線圈電阻。

計算中,晶閘管采用MTC1000-16相關(guān)參數(shù),二極管采用MDC1000-16相關(guān)參數(shù),線圈為20匝,其電阻值由有限元仿真取得。相關(guān)參數(shù)值如表1所示。

表1 損耗計算相關(guān)參數(shù)

根據(jù)有限元仿真圖10(b)、11(b)得到損耗功率關(guān)于時間的曲線,如圖12所示。

通過功率曲線對時間積分求得損耗能量,計算結(jié)果如表2所示。從表中的數(shù)據(jù)可知,原電源系統(tǒng)總損耗為15.335 13 kJ,續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)總損耗為10.574 kJ,總損耗減少31.05%。續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)中第4級、第5級損耗能量明顯小于原電源系統(tǒng)第4級、第5級能量損耗,原因是續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)中,第4級、第5級電路中不存在續(xù)流回路,不存在二極管損耗,且其電流脈寬遠小于帶續(xù)流回路的電路結(jié)構(gòu),其損耗能量小于原電源系統(tǒng),因此續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)在減小損耗方面也具有一定的優(yōu)勢。

4 實驗驗證

為了驗證理論分析的準確性,搭建了5級線圈發(fā)射裝置實驗平臺,如圖13所示。實驗平臺電路結(jié)構(gòu)與圖3、5所示電路結(jié)構(gòu)相同,充電機連接防反二極管為脈沖電容充電。

實驗參數(shù)如表3所示。閉環(huán)控制采用光學(xué)位置傳感器測量電樞位置,由位置微分得到速度,在電樞達到最佳觸發(fā)位置時,通過控制器發(fā)送信號,控制脈沖發(fā)生板為晶閘管提供觸發(fā)脈沖。

表3 實驗相關(guān)參數(shù)

實驗中得到電樞速度曲線如圖14所示,測得電壓曲線如圖15、16所示。通過圖14可知,實驗過程中存在截獲效應(yīng),且續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)的截獲效應(yīng)均小于原電源系統(tǒng);由于放電回路中存在約220 nH雜散電感,電壓波形存在振蕩。實驗所得續(xù)流能量回收及原電源系統(tǒng)發(fā)射出口速度分別為62.7、58.6 m/s,從圖15～16可以看出,續(xù)流能量回收發(fā)射系統(tǒng)的第4、5級進行了能量反向回收,經(jīng)計算二者發(fā)射效率分別為23.31%、16.95%,應(yīng)用續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)將發(fā)射效率提高6.36%。

5 結(jié)束語

筆者根據(jù)當(dāng)前線圈炮電源系統(tǒng)存在的不足,提出續(xù)流能量回收脈沖電源的概念。通過電流絲法所得線圈炮電磁運動方程,進一步推導(dǎo)出續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)的設(shè)計,構(gòu)建續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)與當(dāng)前的電源系統(tǒng)Maxwell 2D仿真結(jié)果對比,得到續(xù)流能量回收脈沖電源系統(tǒng)在截獲效應(yīng)、發(fā)射效率及系統(tǒng)損耗方面存在的優(yōu)勢,總損耗減少31.05%,提高了線圈炮系統(tǒng)發(fā)射效率。通過搭建5級線圈發(fā)射裝置進行實驗驗證,結(jié)果發(fā)現(xiàn),續(xù)流能量回收電源系統(tǒng)將發(fā)射效率由原來的16.95%提高到23.31%,由于截獲效應(yīng)減小,末速度由58.6 m/s提升為62.7 m/s。