机组式脉冲电源的设计与控制方法

杨 明牛 璐

（1.海军驻大连地区军事代表室 大连116021；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

机组式脉冲电源的设计与控制方法

杨 明1牛 璐2

（1.海军驻大连地区军事代表室 大连116021；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

文章针对机组式脉冲电源进行研究，论述其设计组成、控制原理和技术特点，通过数值仿真分析方法，对其电流控制、惯性影响等进行介绍和分析验证。文章提供的脉冲电源设计方法，为实际工程和应用提供一种思路和手段。

直流发电机组；励磁调节；脉冲电流；数值仿真

引 言

脉冲电源是提供瞬间能源的一种方式。随着科学技术的进步和应用领域的变革，很多工程实践中需要瞬间能源作基础，解决实际应用中的难题，诸如电磁弹射、电磁炮、消磁等。

机组式脉冲电源目前在消磁领域普遍应用，扫雷机组也普遍采用此种电源［1］。其他场合的适用性需要结合具体技术要求分析、试验和判断。其主要有以下优点：

（1）功率大。可提供上千安培的冲击电流，几兆瓦的功率，能满足大型脉冲能源的需要。

（2）电流控制方便。可准确控制脉冲电源的输出电流，能控制方向、大小、冲击速度等，参数控制易于实现，能满足特定电流要求下的特殊用途。

（3）配套成熟。主要由柴油机、直流发电机、飞轮等构成，现有条件下容易实现。

1 设计方案

1.1 功 能

机组式脉冲电源用来产生和控制高达数千安培的电流输出。可任意改变电流的大小和方向，通过励磁参数的设计可以实现控制电流的上升和下降趋势。能够按照要求的规律进行通电和断电模式的控制。

1.2 组 成

机组式脉冲电源主要包括两部分：一是机组部分，主要包含柴油机、离合器、联轴器、飞轮和盘车机构、直流发电机和其他辅助的轴系及润滑系统。另一部分是控制部分，主要包括电源、励磁系统和监控系统。

1.2.1 机组部分

机组部分示意图如图1所示。

1.2.1.1 主 机

采用柴油机搭配合适的增压器和调速器，提供初始能量，是整个机组的基础。

1.2.1.2 飞轮和盘车装置

在设计中考虑到飞轮大转动惯量的特点，进行设计优化，通过飞轮储存和释放能量的方式提高瞬间脉冲电源的强度和功率。对飞轮的结构优化设计主要针对宽径比的确定，并且要很好地控制飞轮外圆的线速度以及飞轮质量。

可以利用Ansys有限元分析软件对飞轮的强度进行校核。飞轮采用法兰型式和飞轮轴相联结，采用小过盈短止口定位。飞轮外圈留有用于动平衡去重的预钻孔。 飞轮外圈一侧镶有一个齿圈，配合盘车机构完成盘车功能；正常运转时，盘车装置和齿圈脱开。

1.2.1.3 直流发电机

直流发电机用来提供脉冲电流，其总体布局、冷却风路、定子、转子的基本结构、出线等很重要。在大电流脉冲面前，重点考虑发电机的通风、散热、换向能力和绝缘性能。

1.2.2 控制部分

控制系统提供自动化的管理、控制、监视和保护，按照控制功能的侧重点不同划分为如下四部分：

1.2.2.1 电源系统

该系统为控制系统提供所需的各种电源。即控制系统用电来自船舶电站，然后由本系统的电源系统生成所需的各种“清洁”电源，包括AC 380 V、AC 220 V、DC 220 V、DC 24 V、DC±15 V；电源系统也提供AC 220 V的UPS电源。

1.2.2.2 主回路系统

该系统用于构成脉冲电源输出的一次回路。主回路的构造根据系统的工况选择，主要包含直流发电机与输出回路之间的自动开关、负荷开关、接触器和分流器等组成。可控制和选择输出电流的通断和保护，并形成监控回路。

1.2.2.3 励磁控制系统

该系统用于构成励磁回路，完成对相应电机的励磁控制（参见图2）。采用他励方式，通过调节发电机的励磁电流获得所需的电枢电流。可采用西门子公司的SIMOREG 直流调节装置 6RA70来控制电机的励磁电流。励磁控制系统的回路构造、参数给定、逻辑控制和监视报警由计算机监控系统完成。

2 主要技术特点

2.1 单个电流脉冲的控制

如图3所示，本机组式脉冲电源可以控制单个脉冲电源电流的大小、持续时间、上升时间、下降震荡等。

2.2 多个电流脉冲的控制

如图4所示，可以控制脉冲电源电流的规律，包括通电时间、断电时间、变化规律等。

3 仿真分析

对机组在脉冲工况下的工作特性进行仿真分析，以确定机组工作中的重要参数变化规律。

3.1 仿真分析原理

柴油机的工作过程涉及燃油喷射、燃料蒸发、空气燃油混合、着火燃烧、进排气流动等物理与化学过程。为了对这一复杂过程进行模拟，采用容积法（Filling and Emptying）计算模型，对涡轮增压发动机的气缸、排气管、进气管建立质量、能量、成分守恒微分方程；同时，为了求解瞬态过程，对发动机轴系、涡轮增压器转子根据力学原理建立了动态模型及动力学微分方程，对电子调速器建立PID控制方程，联立求解上述微分方程组，可以得到气缸、排气管、进气管内的工质质量、温度、压力、气体成分以及发动机转速、扭矩等综合参数随曲轴转角或时间的变化规律。

进行稳态工况的计算对相关参数进行标定和试算，校核程序。并通过调整确定PID方程中比例系数KP、积分系数KI和微分系数

3.2 仿真分析结果

以一种机组目标参考值设计，假定额定转速1 000 r/min。对于单脉冲电流，开展下述方案的仿真分析。

脉冲上升时间为1.5 s，下降时间也为1.5 s，脉冲持续时间为5 s，间隔时间为10 s ，各个脉冲相同。机组的最高转速为1 024 r/min，最低转速为943.5 r/min。工作过程柴油机主要参数见下页图5。

图中：rp为对应功率值（图示约2 500 kW，其图形与电流也成对应关系）；n为机组转速，r/min；ntk为增压器转速，r/min；pk为增压压力（1 bar=0.1 MPa）；tb为涡轮排气温度，℃；Tq：虚线代表最大负载扭矩，实线代表柴油机最大输出扭矩，N·m。

对于多个脉冲电流，开展下述方案的仿真分析。

脉冲上升时间和下降时间均为1 s，保持时间为5 s，脉冲间隔时间为10 s，前10次脉冲，每次峰值衰减120 A，10次脉冲后，每次峰值衰减80 A（仿真结果见图6）。

机组最低转速为943 r/min，最高转速为1 020 r/min，出现在前两个脉冲周期。最大负载扭矩为47 453 N·m，柴油机最大输出扭矩为36 445 N·m，出现在第一个脉冲周期。增压压力最高为0.4 MPa，涡轮前排气瞬时最高温度为900 ℃。发动机对负载的响应延迟约为5 s。

3.3 系统惯量影响的仿真分析

降低飞轮转动惯量进行分析，将机组总的转动惯量从15 700 kg·m2降低到10 000 kg·m2，脉冲上升和下降时间为1 s，保持时间为5 s，间隔时间仍为10 s进行仿真分析。

总的转动惯量降低后，机组分担的能量部分输出增加，转速波动加剧。原机组最低转速为943 r/min，最高转速为1 020 r/min；降低转动惯量后，整个过程中机组最小转速为907 r/min，最大转速为1 033 r/min，转速波动的标准方差27 r/min。循环中最大负载扭矩有所增加，为49 282 N·m；发动机最大输出扭矩为36 893 N·m，也有所增加。发动机对负载的响应延迟仍为5 s，没有变化。发动机排温略微升高［3］。

3.4 电子调速器调速精度影响的仿真分析

（1）仿真分析电子调速器的比例系数、积分系数、微分系数对机组转速的影响［4］，结果见表1和下页图7。

表1 调速器特性对瞬态过程的影响

可以看出，比例控制加强，转速超调现象减弱；积分控制加强，转速超调增加，但速度均值更接近1 000 r/min。微分控制加强，对转速的影响较小。

（2）设定电子调速器为3～4级精度，用于多个电流脉冲开展仿真分析。

机组最低转速出现在首循环，为902 r/min；最高转速为1 042 r/min，出现在前10个循环。前10个循环的最高排气温度为872℃～865℃，排温超过700℃的时间约为3 s［5］。

3.5 增压器转子惯量影响的仿真分析

调速器精度为3～4级精度，改变涡轮增压器的转动惯量进行仿真分析。

当增压器转子惯量从0.092 4 kg·m2减小到0.05 kg·m2时，循环最低转速为910 r/min，最高转速为1 042 r/min，排气最高温度为846℃～ 857℃，最高温度持续时间约为2 s。

4 试验电流结果

4.1 单个脉冲

试验主要验证其波形控制程度，考核通过仿真控制的参数调整后是否能满足单脉冲的要求（见图8）。

4.2 多脉冲试验电流

试验主要验证其多脉冲电流的控制程度，考核通过仿真控制的参数调整后是否能满足多脉冲的控制要求（见图9）。

5 结 论

（1）柴油机从零负荷状态进入脉冲工作制，首个电流强度最大，故最低转速出现在第一个循环；而脉冲上升、下降时间以及脉冲间隔时间对转速的波动和增压压力、排气温度的波动影响并不大。

（2）在多个电流脉冲过程中，脉冲时间间隔的不同，对第一个脉冲周期基本没有影响，但是对后面的循环有较大影响。随着时间间隔日益缩小，柴油机的转速波动渐趋减小。

（3）如果不在调速器设定和增压器选型方面采取措施，柴油机增压压力峰值为0.4 MPa，排气温度的峰值也在900℃左右。主要原因是涡轮增压器转速相对于油量变化滞后，导致喷油量增加后，增压压力没有及时增加，使燃烧过量空气系数偏低，导致燃烧温度较高，但这种高排温是瞬时性的，表观温度处于合理范围［6］。

（4）随着机组综合惯量的减小，转速波动加剧。

（5）电子调速器的各个参数对转速波动有影响。比例控制加强，转速超调现象减弱；积分控制加强，转速超调增加；微分控制加强，对转速的影响较小。

（6）电子调速器精度降低后，转速波动率增大。排气最高温度降低；但每个脉冲周期排气温度高于700℃的时间仍约为3 s。

（7）涡轮增压器转子转动惯量减小后，转速波动减小，最高排气温度降低，最高排气温度持续时间缩短。

实践证明，机组的合理设计可满足脉冲工况使用要求；但为了优化机组的工作状态，更准确地控制电流脉冲波形，必须在调速器和增压器方面开展相关适用性改进并进行样机试验。

［1］ 杨勇.扫雷用脉冲柴油发电机组研究［J］.水雷战与舰船防护，2004（3）：35-39.

［2］ 赵同宾，陈金涛，王丽杰，等.脉冲负荷柴油发电机组仿真与试验［J］.舰船科学技术，2010（8）：37-43.

［3］ 孙吉，周耀忠，苏广东.消磁脉冲电流对发电机组转速的影响及其改进措施探讨［J］.海军工程大学学报，2008（5）：109-102.

［4］ 朱鸿.遏制削弱积分PID控制算法在船用柴油机调速系统中的应用［J］.船舶，2011（3）：59-65.

［5］ 丁东东，曾凡明，吴家明，等.消磁船主柴油发电机组系统最佳参数确定［J］.舰船科学技术，2004（6）：21-24.

［6］ 张霞云，孙伟，赵同斌，等.不同涡轮流通面积对脉冲机组瞬间特性的影响分析［J］.柴油机，2014（5）：13-15.

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(1. Naval Military Representative Of fi ce in Dalian, Dalian 116021,China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

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2017-06-11

杨 明（1973-），男，高级工程师。研究方向：船舶电气工程。牛 璐（1981-），男，高级工程师。研究方向：船舶电气工程。