续流能量回收的线圈发射电源系统研究

刘淼，郭灯华，史铎林

(海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北 武汉 430033)

电磁发射技术是机械能发射、化学能发射之后的一次发射方式革命,而电磁线圈发射作为电磁发射方式之一,因其发射装置结构简单、瞬时推力大、电枢与线圈摩擦小等优点,具有广泛的应用前景[1-2]。

基于电容储能型脉冲电源,电磁线圈炮中使用传统的PFN(Pulse Forming Network)电路结构由脉冲电容、晶闸管、负载线圈组成放电回路,晶闸管、负载线圈、二极管组成续流回路。晶闸管接收触发脉冲而开通,脉冲电容为线圈提供电流,通过二极管续流。线圈发射效率远高于轨道炮,但仍存在较高的开关器件损耗及线圈损耗,同时由于续流回路的存在,放电电流脉宽较大,电枢运动到下一级线圈或出炮口时,前级线圈中仍存在环路电流,给电枢施加与电枢运动方向相反的力,影响发射效率。

在降低系统损耗方面,文献[3-4]建立基于电流丝的等效电路,根据多目标优化算法,对5级线圈发射系统进行了优化,虽然其电枢加速度更为稳定,但出口速度略有下降;文献[5]从电枢加速本质是磁场变化的角度,对多级同步感应线圈发射器的加速原理进行分析,通过改变驱动线圈的电流方向,在发射器膛内产生了方向相反的两种磁场,分析电枢运动规律及电流分布,获得了改变磁场方向对发射效率的影响机理,最终将后4级的发射效率提升20.7%;文献[6]以驱动线圈与电枢的结构参数、驱动线圈匝数及电枢初始触发位置为变量,以发射速度和能量转换效率之积为目标函数,引入遗传算法对发射器参数进行优化,优化后系统效率提升8%,系统性能明显改善。在能量回收方面,目前针对线圈发射技术能量回收的研究较少,但在电磁轨道炮已有人做了研究[7-12],有文献在传统PFN结构上反并联二极管和小电感串联构成的能量回收通路,进行Simplorer仿真,最终降低系统能量损耗6.3%[13]。

笔者立足于电磁线圈发射装置脉冲电源优化,提出一种续流能量回收的电磁发射电源系统,旨在提高线圈发射效率,降低系统损耗,在连续发射上具有更大的优势;分析当前线圈发射用电源系统存在的损耗问题,提出新的电源系统拓扑结构,通过该拓扑结构实现电源系统的能量回收及再利用,达到提高电磁线圈发射效率的目的。

1 续流能量回收电源系统研究

线圈发射过程中,电源系统将充电机提供的电能储存到脉冲电容中,当电枢经过最佳位置时,上位机控制晶闸管开通,脉冲电容与线圈形成RLC回路,由脉冲电容为线圈供能。

由于趋肤效应的影响,电枢中感应电流分布不均匀,因此采用电流丝法,将电枢划分为若干个环,理论上当划分足够细时,每个环中的电流一致[14]。电枢划分如图1所示,按照电流丝划分后线圈及电枢等效电路模型如图2所示,将多级电磁线圈炮等效为m个线圈与n个电流环组合。

由电流丝法得到线圈发射的电磁方程和运动方程如下所示[3]:

(1)

(2)

(3)

当前线圈发射系统如图3所示,驱动电路如图4所示。

当前线圈发射系统工作原理为:当电枢到达对应线圈的触发位置时,驱动板发出触发脉冲信号,晶闸管开通,电容、晶闸管、线圈形成回路,电容为线圈提供能量,电容电压降为0 V后,晶闸管、线圈、二极管形成续流回路,电流缓慢减小至0 A,晶闸管关断,完成当级加速动作。多级线圈连续加速,为电枢提供更高速度。但在高速阶段,由于存在续流过程的脉冲电流脉宽较大,电枢在脉宽时间内早已通过该级线圈,而线圈中仍存在大量续流能量,大大增加损耗。

为了克服这种缺点,提出一种续流能量回收的电源系统,如图5所示。利用线圈发射电磁力与线圈通流方向无关,只与互感梯度有关的特点,通过电容正反向工作,来存储续流能量。低速阶段电枢通过线圈时间较长,需要增加脉冲宽度,同时为了正反向工作,采用图5中含续流回路的驱动电路;高速阶段对应的线圈,采用图5中续流能量回收驱动电路。

电枢在前n级线圈中运动,当到达触发位置时,驱动T1、T3使能,形成放电回路,电容放电经晶闸管T1将能量提供给线圈负载,随后通过T3续流,电流为0 A时两晶闸管自主关断;经过n级加速电枢达到一定速度,到达第n+1级线圈,当电枢到达该级触发位置时,驱动T1开通,电容经晶闸管T1将能量提供给线圈负载;电容电压降为0后,线圈电流一部分以能量传递给电枢,剩余续流能量给脉冲电容反向充电,当电流降为0 A后,T1截止。后续级按照上述动作实现电枢逐级加速。

下一次发射前,充电机为所有脉冲电容反向充电,由于高速段对应的脉冲电容上一次发射存有回收的续流能量,充电所需能量较少。发射时,含续流回路的驱动电路中晶闸管T2、T4开通,电容经晶闸管T2给线圈放电;电容电压降为0 V时,线圈负载,晶闸管T2、T4形成续流回路;续流能量回收驱动电路中晶闸管T2开通,反向放电。这样,续流能量存储在电容正向。在下一次发射时,充电机对脉冲电容正向充电,连续发射依次进行,以此类推。

2 续流能量回收级数的确定

从前面分析可知,电枢达到一定速度后,才可以采用续流能量回收的驱动电路,因此,需要确定可续流能量回收的级数与哪些因素相关。

由上述方程可知,电枢在线圈中运动伊始,驱动线圈电流及互感梯度均为正向,使得电枢中感应出正向电流,产生推力为线圈加速;当电流的上升时间与电枢的加速时间不匹配时,磁场的减小会在电枢中感应出反向电流,将电枢分为若干个单元,当若干单元所受电磁力合力反向时,则会形成反向作用力,此现象称为截获效应。降低电枢截获效应将成为提高发射效率的有效手段;同时,如能将发射所剩能量回收到脉冲电容中,发射效率将有极大地提升。在上升时间不变的条件下,若能减小其反向作用力时间,则能够降低截获效应,但同时又要保证电枢加速充分,即以下条件:

1)通过减小电流下降阶段时间来降低反作用力做功;

2)电枢尾部在有效加速时间内通过该级线圈。

假设每级线圈的能量转换效率一致,则电枢通过n级线圈后速度为

(4)

通过n+1级线圈后速度为

(5)

由于电枢运动过程为变加速度直线运动,其运动过程较为复杂,这里将其简化为关于该过程的平均加速度的匀加速直线运动,则在前文所述的边界条件中,假设第n+1级满足要求,即有:

(6)

式中:T为有效加速时间;Lcoil为线圈横向距离。

电流上升时间表达式为

(7)

当T>Tr时,即对应n的合适值。

笔者依托5级电磁线圈发射,采用有限元仿真手段,将原有线圈发射电源系统及续流能量回收电源系统各项指标进行对比。5级线圈炮的脉冲电容电压为800 V,电容值为9.5 mF,电枢质量为1.5 kg,发射效率采用仿真经验值的20%,根据式(4)～(7)计算得到n>2.8,仿真得到n=3时效果最佳,仿真结果如图6所示。因此,选用前3级为图5中含续流回路的驱动电路,后2级为续流能量回收驱动电路。

3 两种电源系统的有限元仿真对比

采用有限元仿真对可续流能量回收进行了验证。有限元仿真模型如图7所示。

3.1 发射效率对比

在有限元仿真中,原电源系统采用图3所示电路拓扑结构,续流能量回收电源系统按照图5所示电路拓扑结构;仿真设置5级线圈,每级线圈20匝,电容电压为800 V,电容值为9.5 mF,电枢质量为1.5 kg,晶闸管采用位置触发,除电路结构不同外,设置其他仿真条件相同。通过有限元中MAXWELL 2D仿真得到速度曲线,如图8所示。

仿真结果显示,应用续流能量回收电源系统时电枢出口速度为61.07 m/s,应用原电源系统时电枢出口速度为57.56 m/s。依据式(1)～(3)表示的线圈发射电磁方程可知,电流脉宽越长,其反向作用力的作用时间越久,所得出口速度也将降低。两种电源系统的推力曲线如图9所示,可以看出原电源系统在电枢通过最后一级时其反向作用力作用时间更长,因此,续流能量回收电源系统在减小截获效应方面具有一定的优势。

图10、11分别为原电源系统、续流能量回收电源系统的电压、电流曲线。对比图10(b)、11(b)中电流曲线,续流能量回收电源系统的第4级、第5级由于无续流过程,在电流到达峰值时快速下降,其电流变化率较高,线圈负载间距较小,且具有电感属性,这种电流变化率使第2级、第3级线圈感应出电流,因此在第2级、第3级电流曲线中分别呈现出一段电流上升的趋势。

在续流能量回收电源系统中,其发射效率需要重新定义:

(8)

式中:E0为发射前脉冲电容储存能量;Es为发射后脉冲电容储存能量。

结合图10(a)、11(a)所示电压曲线,应用式(8)计算得到原电源系统发射效率为16.35%,续流能量回收电源系统发射效率为23.31%,效率提升6.96%。由此可见,续流能量回收电源系统能够大幅提升电磁线圈发射效率,尤其在更多级线圈发射过程中,其出口速度相较于原电源系统也会有较大提升,回收能量也更多,发射效率的提升将更加明显。

3.2 开关器件及线圈损耗对比

在脉冲电容放电过程中,电流经过半导体器件与线圈,都会产生损耗,分别为

P1=UI+I2R,

(9)

P2=I2RL,

(10)

式中:P1为半导体器件损耗功率;U为半导体器件通态峰值电压;R为半导体器件斜率电阻;P2为线圈损耗功率;RL为线圈电阻。

计算中,晶闸管采用MTC1000-16相关参数,二极管采用MDC1000-16相关参数,线圈为20匝,其电阻值由有限元仿真取得。相关参数值如表1所示。

表1 损耗计算相关参数

根据有限元仿真图10(b)、11(b)得到损耗功率关于时间的曲线,如图12所示。

通过功率曲线对时间积分求得损耗能量,计算结果如表2所示。从表中的数据可知,原电源系统总损耗为15.335 13 kJ,续流能量回收电源系统总损耗为10.574 kJ,总损耗减少31.05%。续流能量回收电源系统中第4级、第5级损耗能量明显小于原电源系统第4级、第5级能量损耗,原因是续流能量回收电源系统中,第4级、第5级电路中不存在续流回路,不存在二极管损耗,且其电流脉宽远小于带续流回路的电路结构,其损耗能量小于原电源系统,因此续流能量回收电源系统在减小损耗方面也具有一定的优势。

4 实验验证

为了验证理论分析的准确性,搭建了5级线圈发射装置实验平台,如图13所示。实验平台电路结构与图3、5所示电路结构相同,充电机连接防反二极管为脉冲电容充电。

实验参数如表3所示。闭环控制采用光学位置传感器测量电枢位置,由位置微分得到速度,在电枢达到最佳触发位置时,通过控制器发送信号,控制脉冲发生板为晶闸管提供触发脉冲。

表3 实验相关参数

实验中得到电枢速度曲线如图14所示,测得电压曲线如图15、16所示。通过图14可知,实验过程中存在截获效应,且续流能量回收电源系统的截获效应均小于原电源系统;由于放电回路中存在约220 nH杂散电感,电压波形存在振荡。实验所得续流能量回收及原电源系统发射出口速度分别为62.7、58.6 m/s,从图15～16可以看出,续流能量回收发射系统的第4、5级进行了能量反向回收,经计算二者发射效率分别为23.31%、16.95%,应用续流能量回收电源系统将发射效率提高6.36%。

5 结束语

笔者根据当前线圈炮电源系统存在的不足,提出续流能量回收脉冲电源的概念。通过电流丝法所得线圈炮电磁运动方程,进一步推导出续流能量回收电源系统的设计,构建续流能量回收电源系统的电路拓扑结构。根据与当前的电源系统Maxwell 2D仿真结果对比,得到续流能量回收脉冲电源系统在截获效应、发射效率及系统损耗方面存在的优势,总损耗减少31.05%,提高了线圈炮系统发射效率。通过搭建5级线圈发射装置进行实验验证,结果发现,续流能量回收电源系统将发射效率由原来的16.95%提高到23.31%,由于截获效应减小,末速度由58.6 m/s提升为62.7 m/s。