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        HEML換向過程的續(xù)流回路設(shè)計

        2013-09-12 07:49:54劉少克劉振祥
        兵器裝備工程學(xué)報 2013年10期
        關(guān)鍵詞:續(xù)流電刷等效電路

        謝 騰,劉少克,劉振祥

        (國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) a.機(jī)電工程與自動化學(xué)院;b.理學(xué)院,長沙 410073)

        傳統(tǒng)的導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,但是驅(qū)動磁場不夠集中,存在效率不高,需要大電流驅(qū)動,易燒蝕等問題[1-2]。HEML的電感梯度較同尺寸的傳統(tǒng)導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器可以大兩個數(shù)量級,加速力大,能在較短的炮管達(dá)到更高速;這種結(jié)構(gòu)發(fā)射器的彈丸與加速線圈相對位置固定不變,始終具有最大加速力,相比導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器效率高,降低了對電源的要求[3]。

        HEML采用電刷換向的結(jié)構(gòu),換向中能量轉(zhuǎn)化越充分,系統(tǒng)的效率就越高,同時越能抑制匝間電弧的產(chǎn)生。換向中存在的問題,麻省理工大學(xué)的 W.R.Snow曾做過相關(guān)研究[4];P.P.Mongeau曾提出一種換向過程中理想的無能量損耗的發(fā)射器模型,并做了理論分析[5];密蘇里大學(xué)的T.G.Engel提出了一種新的換向策略,可以使系統(tǒng)的效率提高[6]。

        本文從HEML換向過程等效電路的角度,建立了PSpice模型,計算了后換向匝中剩余能量所占比例;在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了2種續(xù)流回路,并分析了加入續(xù)流回路對系統(tǒng)的影響。

        1 HEML的運行機(jī)理及換向過程

        HEML發(fā)射主體(圖1)由2條饋電導(dǎo)軌及驅(qū)動線圈和彈丸線圈組成,通過饋電電刷和換向電刷使得驅(qū)動線圈和彈丸線圈攜帶大小相等、方向相反的電流,以此驅(qū)動彈丸前進(jìn)[7]。

        圖1 HEML結(jié)構(gòu)簡圖

        電刷換向過程機(jī)理如下:在換向中,每一后電刷后沿起斷路開關(guān)作用,將后換向匝與激勵區(qū)斷開;每一前電刷前沿起閉合開關(guān)作用,將前換向匝并入激勵區(qū)。彈丸線圈向前運動的同時,可以在驅(qū)動線圈的換向匝內(nèi)感應(yīng)出電壓。前、后彈丸線圈的電流方向相反,彈丸線圈前部對前換向匝感應(yīng)出的電壓使前換向匝的電流上升,彈丸線圈尾部對后換向匝感應(yīng)出的電壓使后換向匝的電流下降。后換向電刷后沿在電路被斷開的瞬間,一部分能量會通過磁通耦合進(jìn)入彈丸線圈與激勵區(qū),由于耦合得不充分,以及換向匝電感使得電流不能瞬間降為零,會有一部分能量剩余。

        假定在彈丸運行過程中,驅(qū)動線圈和彈丸線圈都不發(fā)生形變,并忽略趨膚效應(yīng),則可得到HEML換向過程的等效電路[7],如圖2 所示。

        圖2 HEML換向過程等效電路

        2 HEML換向過程的PSpice模型

        本文主要針對后換向匝斷開后能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究,因此在HEML換向過程等效電路的基礎(chǔ)上,省略前換向匝的部分建立PSpice仿真模型(圖3)。

        L1為彈丸線圈已經(jīng)通過驅(qū)動線圈的部分,等效為一個電感;L2為后換向匝(此處認(rèn)為后換向線圈為一匝);L3為驅(qū)動線圈激勵區(qū)及彈丸線圈;R1為系統(tǒng)內(nèi)阻;R2為模擬斷路匝與空氣之間的電阻;V1為系統(tǒng)電源;K1、K2、K3分別為 L1、L2、L3之間的互感系數(shù);U1為閉合開關(guān),U2為斷開開關(guān),某一時刻U1閉合的同時U2斷開,以模擬電刷滑過后換向匝L2。

        圖3 換向過程PSpice仿真模型

        3 后換向匝能量轉(zhuǎn)化分析

        以系統(tǒng)在12 kA電流驅(qū)動情況下運行為例,分析該情況下后換向匝的能量轉(zhuǎn)化情況。

        設(shè)置開關(guān)時間1 μs,激勵區(qū)初始電流12 kA,后換向匝線圈電感2 μH。通過仿真,可以得到后換向匝的功率-時間曲線,如圖4所示。

        圖4 后換向匝的功率-時間曲線

        計算功率對時間的積分,即可得到仿真時間內(nèi)后換向匝的能量變化量:

        后換向匝電感為2 μH,初始時刻電流為12 kA,可得后換向匝初始時刻儲存的能量:

        通過計算可知,此時后換向匝釋放的能量約占后換向匝總能量的77.8%,即剩余的能量約占后換向匝總能量的22.2%。這部分能量如果以電弧的形式釋放,對系統(tǒng)會造成很大的破壞。為了給剩余能量找到合適的釋放途徑,應(yīng)對其進(jìn)行續(xù)流設(shè)計。

        4 換向過程續(xù)流方案研究

        系統(tǒng)設(shè)計時采用兩套方案,方案1是將二極管反接在后換向匝兩端;方案2是將剩余能量前饋到激勵區(qū)。

        4.1 二極管反接在后換向匝兩端

        將續(xù)流二極管反接在儲能電感兩端,在電感斷開時與之形成回路,達(dá)到將剩余的能量逐步釋放的目的。

        在后換向匝兩端反接一個二極管,二極管的導(dǎo)通方向與后換向匝中電流方向相同。此時,二極管可以在后換向匝與激勵區(qū)斷開后,為后換向匝中的剩余電流提供釋放通路,將其中能量在二極管中消耗。該結(jié)構(gòu)下的PSpice模型如圖5,二極管D1的功率-時間如圖6。

        圖5 方案1模型

        圖6 二極管D1的功率-時間曲線

        通過研究二極管D1的功率-時間曲線可得:在換向結(jié)束即1 μs時刻后,后換向匝L2在二極管D1上均勻放電,L2的中的剩余能量逐步被消耗。續(xù)流二極管的加入為高電勢提供了放電通路,可以有效地抑制電弧產(chǎn)生。

        4.2 剩余能量前饋到激勵區(qū)

        如果能將后換向匝中的剩余能量重新利用起來,則可以提高系統(tǒng)的效率,因此,考慮加入續(xù)流回路將后換向匝中的能量前饋到激勵區(qū)。利用二極管將后換向匝L2與激勵區(qū)尾端相連,二極管導(dǎo)通方向為L2的電流方向,PSpice模型如圖7所示。

        圖7 方案2模型

        圖8為后換向匝的功率-時間曲線,求此時后換向匝的能量變化量可得:

        此時后換向匝釋放能量占初始儲能的92.95%,即剩余能量為7.05%??梢姡摻Y(jié)構(gòu)的續(xù)流回路可以有效地將后換向匝中的能量前饋到激勵區(qū),對轉(zhuǎn)移后換向匝剩余能量有顯著的效果。

        圖8 后換向匝的功率-時間曲線

        5 結(jié)束語

        HEML采用電刷換向的結(jié)構(gòu),由于換向過程中后換向匝的電流不能瞬間降為零,因此導(dǎo)致剩余能量的存在。剩余能量的存在,降低了系統(tǒng)的效率,同時會導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生,對系統(tǒng)造成一定程度的破壞。本文從HEML的等效電路角度,使用PSpice進(jìn)行仿真,估算出了剩余能量的比例,即占換向匝能量的22.2%。在此基礎(chǔ)上,初步設(shè)計了2種結(jié)構(gòu)的續(xù)流回路:第一種可以將后換向匝中剩余能量緩慢的在二極管上釋放,起到保護(hù)系統(tǒng)的作用,結(jié)構(gòu)簡單,易于實際測試;第二種是將后換向匝中剩余能量通過二極管前饋到激勵區(qū),可以起到將剩余能量進(jìn)一步利用的效果。

        [1]Engel T,Neri J,Nunnally W.Efficiency and scaling of constant inductance gradient DC electromagnetic launcher[J].IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(8):2043-2051.

        [2]Engel T,Neri J,Nunnally W.A same-scale comparison of electromagnetic launcher[C]//Conference Record of the 2006 Twenty-Seventh International Power Modulator Symposium.Arlington VA,2006.

        [3]Engel T.Medium-bore helical-coil electromagnetic launcher with liquid nitrogen cooled armature[C]//15thIEEE International Pulsed Power Conference.Monterey CA,2005.

        [4]Snow W,Willig R.Design criteria for brush commutation in highspeed travelling wave coilguns[J].IEEE Transactions on Magnetics,1991,27(1):654-659.

        [5]Mongeau P.Analysis of helical brush commutation[J].IEEE Transactions on Magnetics,1984,20(2):231-234.

        [6]Engel T,Neri J,Veracka M.Solid-Projectile helical electromagnetic launcher[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2009,37(4):603-607.

        [7]王瑩,肖峰.電炮原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

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