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

邱　燕

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安　710300)

模塊時序和電感對電磁發(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

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安710300)

摘要：針對電磁發(fā)射時要求電流幅值高、上升時間短、理想工作時電流幅值曲線近似為梯形模式、持續(xù)時間達到毫秒級等特點，研究了模塊充電電壓、電容、電感以及觸發(fā)時序變化對負載電流幅值和脈沖寬度的影響。通過計算和仿真，分析了模塊時序間隔和電感對電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響，提出了滿足電磁發(fā)射所需電流實際要求的可行性方法。

關鍵詞：電磁發(fā)射時序放電脈沖電源模塊時序電感

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)射技術是利用電磁力(洛侖茲力)沿導軌發(fā)射炮彈的武器,主要由能源、加速器、開關3部分組成[1]。目前,實驗常用的能源裝置主要為電容儲能式脈沖發(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，上升時間短，理想工作時幅值曲線近似為梯形模式，持續(xù)時間達到毫秒級[3]，因此單個脈沖功率模塊難以滿足。目前常采取多組并聯(lián)的電源模塊按序放電來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，實際所得到的電流曲線必然會有振蕩和過沖。采取多模塊時序并聯(lián)放電時，本文通過改變模塊的充電電壓、電容、電感以及觸發(fā)時序，來改變負載電流的幅值及脈沖寬度，從而滿足電磁發(fā)射所需的電流要求。

1電容儲能式脈沖功率電源的參數(shù)計算

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行時間t和所需電流的峰值I。

設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，并且假設電流為恒定值，根據(jù)能量守恒，列出下式：

(3)

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

(4)

式(4)反映了電路中C、L、R、U0與彈丸炮口速度V之間的關系[5]。設軌道選用銅金屬材料，長度為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)×39mm(寬)×6.4mm(厚)，薄板間距1mm，電樞采用鋁金屬材料。設軌道及電樞電阻為R=ρl/s，其中ρ為電阻率，l為材料的長度, s為面積。常用金屬導體在20 ℃時的電阻率：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)時間為t=4ms?？紤]到軌道的摩擦和空氣阻力等因素，實際電流應大于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模塊時序放電的影響

在電磁發(fā)射脈沖電源系統(tǒng)中，每個模塊并聯(lián)放電主要是依據(jù)時序放電的形式進行的。時序放電過程是非常復雜的，所有放電模塊連接到負載上，模塊之間存在著電氣聯(lián)系和能量流動，從而相互影響各自的放電情況。負載電流是由放電模塊個數(shù)和每個模塊的放電狀況決定的，所以對于多模塊并聯(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)進行討論。

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

圖1　電容儲能放電原理圖

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)。當脈沖功率裝置的容量要求比較大時，采用多個電容器并聯(lián)運行，實現(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)模型并進行仿真，每個模塊的儲能電容C=686 mF/6=114.33 mF。

利用PISM仿真軟件進行仿真，采用型號為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設為 20 mΩ；調(diào)波電感L取為6 μH。利用開關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電流過零熄弧的作用[6]。

模塊時序放電對總的負載電流波形有非常大的影響，負載不同，就要設置不同的時序，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)進行仿真，分析模塊時序放電對負載電流的影響。

假設六模塊時序放電系統(tǒng)中每個模塊等間隔為444 μs、555 μs、666 μs觸發(fā)放電。負載電流的波形和每個單模塊的放電電流波形如圖3所示。圖3中,I1到I6為6個模塊各自的電流，I7為整個電源模塊提供給負載的電流。

圖3　等間隔時序下負載電流波形

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

應用于電磁發(fā)射的電源，其負載理想電流的特點是：初始電流迅速上升到達峰值，可持續(xù)在高電流水平，末端電流可以迅速下降[7]。因此，在時序調(diào)節(jié)中，開始和結(jié)束的兩個階段要讓兩個或多個模塊同時放電或者觸發(fā)間隔時間很短，保證負載電流快速上升和下降。中間階段的每個模塊的觸發(fā)間隔時間適當延長，有效地保證電流脈寬，更趨近于理想的負載電流。所以考慮六模塊系統(tǒng)中各個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行適當調(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　不等間隔時序下放電電流波形

開關控制放電時間間隔分別為：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，其負責電流的波動振蕩情況明顯改善，電流在600 kA附近波動，峰值電流可達640 kA，電流快速上升到達峰值，上升時間不到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間有密切的關系，并具有中間儲能的作用[8]。

電抗器電感量的確定要考慮兩個方面。一是電感量過大，會導致回路電流的峰值偏小，脈沖電流上升陡度小，放電時間增大，導致軌道炮對電能的利用率降低[9]。二是電感量過小，負載電流波動大，峰值大，而且過小的電感量不利于波形的調(diào)節(jié)[10]，對開關的要求更嚴格，對開關的正常觸發(fā)和電源系統(tǒng)帶來不利影響。

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時的仿真結(jié)果，開關控制放電時間間隔分別為：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時的仿真結(jié)果，開關控制放電時間間隔分別為：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，當電感量小時，放電電流可以快速上升和下降，在很短的時間內(nèi)達到第一個波頭，但是不利于波形的調(diào)節(jié)，導致負載電流的波動比較大。電感變小，每個模塊的發(fā)出的電流峰值就會增大，這對開關的要求就更嚴格，對開關的正常觸發(fā)和電源系統(tǒng)帶來不利影響。當電感量大時，雖然降低了回路的電流峰值，減輕了開關和電源系統(tǒng)的負擔，但是負載電流到達第一個波頭所用的時間相對較長；脈沖電流的上升陡度變小，放電時間增大，但是電流平頂時間變小，這就降低了軌道炮對電能的利用率。因此，要選擇合適的電感值。

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

圖6　負載電流和各模塊放電電流波形

仿真時，把模塊5和6的電感值減小到3 μH，加快后兩個放電模塊的放電速度，再進行時序調(diào)整，開關控制放電時間間隔分別為：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,負載電流的平滑度相對較好，但是彈丸經(jīng)過軌道的時間是4 ms，陰影部分是沒有利用的電能，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

通過所建立的電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)模型，本文計算和仿真分析了模塊時序間隔和電感大小對電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的影響。在實際電路應用中,可根據(jù)試驗結(jié)果進行適當調(diào)整，比如通過適當增大電容量、增大充電電壓等方法來增大合成電流和增加脈寬長度，滿足電磁發(fā)射所需的電流等實際要求。

參考文獻

[1] 王群，耿云玲.電磁炮及其特點和均是應用前景[J].國防科技，2011(2):1.

[2] 程正.電磁發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)觸發(fā)真空開關特性研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[3] 陳允，徐偉東，袁偉群，等.電磁發(fā)射中鋁電樞與不同材料導軌間的滑動電接觸特性[J].高壓電技術，2013,39(4):937-939.

[4] 賀翔，曹群生.電磁發(fā)射技術研究進展和關鍵技術[J].中國電子科學研究院學報，2011,6(2)：131-132.

[5] 楊玉東，王建新.電容式電磁炮電源電路的設計與仿真[J].高壓電器，2008，44(5)：50-52.

[6] 王洋.碳纖維環(huán)氧復合材料高速撞擊損傷效應研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[7] 李海濤，董亮，王亮，等.多模塊脈沖變壓器并聯(lián)驅(qū)動電磁推進系統(tǒng)仿真[J].彈道學報，2012,24(3):106-108.

[8] 賀翔，曹群生.電磁發(fā)射技術研究進展和關鍵技術[J].中國電子科學研究院學報，2011,6(2):130-131.

[9] 賀明智，陳騫，鄭瓊林.VRM響應特性的研究[J].北京交通大學學報，2011(2):35-36.

[10]劉鵬，范立云，馬修真，等.高速電磁閥動態(tài)響應特性響應面預測模型的研究[J].哈爾濱工程大學學報，2014(5):67-69.

中圖分類號：TH85；TM91

文獻標志碼：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)于西安理工大學控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學位，講師；主要從事新能源技術的研究。