徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

對某型艦消磁設(shè)備動態(tài)特性分析及改進(jìn)設(shè)計*

徐 杰

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

針對某型艦消磁設(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)計電路上的不足,通過兼顧設(shè)備的動態(tài)誤差,調(diào)整緩沖電路的時間常數(shù),改進(jìn)電路后經(jīng)實驗室驗證及實際使用,達(dá)到設(shè)計要求。

消磁設(shè)備; 尖峰電壓; 時間常數(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間常數(shù),但時間常數(shù)過大,將影響設(shè)備的動態(tài)誤差,必須同時兼顧這兩項性能指標(biāo)[1～2]。本文通過調(diào)整時間常數(shù),檢測輸出電流階躍時的尖峰電壓和動態(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、單機恢復(fù)試驗、系泊試驗等過程,著重分析與繞組相聯(lián)的輸出級與緩沖級電路對動態(tài)特性的影響[6～7]。

圖1 電源模塊的原理框圖

2.1 輸出換向級電容及繞組電感對動態(tài)特性影響

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

圖2 輸出級原理線路圖

當(dāng)輸出電流增加時,其等效電路如圖3所示。

電路的時間常數(shù)為

其中RS為次級線包的內(nèi)阻。

當(dāng)DC/DC不工作時,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不工作時等效線路圖

則τ=RL(C1+C0)。

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

額定輸出時,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,認(rèn)為11%為RS損耗,則

P損=I2RS,P輸出=I2RL

τ上升=0.11τ

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

2.2 緩沖電路動態(tài)特性分析

為降低尖峰脈沖的幅度,在信號通道上加入緩沖電路時,信號的流程圖如圖5所示。

圖5 加入緩沖后系統(tǒng)信號流程圖

引入的誤差為

對于Y分量電源,包含10個電源模塊,則

τ=(330+30)μF/模塊×10模塊×2.5Ω=9ms

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

當(dāng)τ緩=22ms時,ε=1.056%,誤差增加了0.768%;

2.3 緩沖電路對尖峰脈沖的影響分析

當(dāng)τ緩<τ,輸入信號降躍到0時,緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級快,極性控制信號先于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,輸入信號階躍到0時,緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級慢,電路將根據(jù)電流反饋調(diào)整DC/DC的脈沖寬度,使換向級輸出跟蹤緩沖級的變化,當(dāng)緩沖器輸出信號為0時,DC/DC——換向級也下降至0,不產(chǎn)生反向過沖電壓。在不產(chǎn)生過沖電壓的時間常數(shù)中,當(dāng)τ緩=τ時,引入動態(tài)誤差最小。

3 改進(jìn)過程

3.1 最佳時間常數(shù)的確定

通過上述分析,以8.25ms時間常數(shù)為基準(zhǔn)點,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產(chǎn)生的尖峰電壓。增加緩沖電路的時間常數(shù),測量階躍時的輸出電壓波形,并測量動態(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,輸出電壓波形示意圖如圖6所示。

圖6 未增加電容時,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態(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,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態(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,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態(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,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,不會影響動態(tài)響應(yīng)性能,在后續(xù)設(shè)備的設(shè)計中,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為信號輸入周期。當(dāng)輸入出現(xiàn)非預(yù)期突變時,將按等式的第一個式子緩升或第三個式子進(jìn)行緩降,防止輸出電流的突變,而正常信號輸入時,將按中間的等式輸出。

F限的確定:按動態(tài)20°/s要求時,F限≥0.35A;按過渡過程要求時,因過度時間≤1s,取緩升時間為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,約0.6ms,按1ms計算,則εmax=0.035%,數(shù)字輸入誤差遠(yuǎn)小于模擬輸入誤差,而對突變信號,如突變0.5A,則緩沖時間為:0.5A/1.4A=357ms,緩沖效果更好。

4 結(jié)語

本文針對某型艦消磁設(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電容及繞組電感對動態(tài)特性的影響、緩沖電路動態(tài)特性及緩沖電路對尖峰脈沖的影響,以8.25ms時間常數(shù)為基準(zhǔn)點,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)的多次通電試驗中,均未發(fā)生同類問題,證明該方法有效。

[1] 周耀忠,張國友.艦船磁場分析與計算[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[2] 葉平賢,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992.

[3] 楊磊,張志峰,敬小勇.IGBT關(guān)斷尖峰電壓抑制方法的研究[J].船電技術(shù),2009(4):19-21.

[4] 王雪茹.大功率IGBT模塊并聯(lián)特性及緩沖電路研究[D].西安：西安理工大學(xué),2004.

[5] 龔斌,賈正春,熊婭俐,等.IGBT的開關(guān)過電壓保護(hù)電路研究[J].電工技術(shù)雜志,2002(3):18-20.

[6] 何鳳有,譚國俊,胡雪峰,等.IGBT模塊的驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)[J].電氣開關(guān),2003(4):23-25.

[7] 楊世彥,賁洪奇,韓基業(yè),等.雙向不對稱脈沖電源實現(xiàn)電路的設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2003(1):9-11.

[8] 朱錦洪,史耀,梁文林.IGBT驅(qū)動電路的保護(hù)特性研究[J].電焊機,1998(6):22-23.

[9] 徐曉峰,連級三,李風(fēng)秀.IGBT逆變器吸收電路的研究[J].電力電子技術(shù),1998(3):16-18.

[10] 錢峰.電氣系統(tǒng)尖峰電壓測試儀設(shè)計[J].電子測量技術(shù),1993(4):19-21.

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