HEML换向过程的续流回路设计
2013-09-12刘少克刘振祥
谢 腾,刘少克,刘振祥
(国防科学技术大学 a.机电工程与自动化学院;b.理学院,长沙 410073)
传统的导轨型电磁发射器具有结构简单的优点,但是驱动磁场不够集中,存在效率不高,需要大电流驱动,易烧蚀等问题[1-2]。HEML的电感梯度较同尺寸的传统导轨型电磁发射器可以大两个数量级,加速力大,能在较短的炮管达到更高速;这种结构发射器的弹丸与加速线圈相对位置固定不变,始终具有最大加速力,相比导轨型电磁发射器效率高,降低了对电源的要求[3]。
HEML采用电刷换向的结构,换向中能量转化越充分,系统的效率就越高,同时越能抑制匝间电弧的产生。换向中存在的问题,麻省理工大学的 W.R.Snow曾做过相关研究[4];P.P.Mongeau曾提出一种换向过程中理想的无能量损耗的发射器模型,并做了理论分析[5];密苏里大学的T.G.Engel提出了一种新的换向策略,可以使系统的效率提高[6]。
本文从HEML换向过程等效电路的角度,建立了PSpice模型,计算了后换向匝中剩余能量所占比例;在此基础上,设计了2种续流回路,并分析了加入续流回路对系统的影响。
1 HEML的运行机理及换向过程
HEML发射主体(图1)由2条馈电导轨及驱动线圈和弹丸线圈组成,通过馈电电刷和换向电刷使得驱动线圈和弹丸线圈携带大小相等、方向相反的电流,以此驱动弹丸前进[7]。
图1 HEML结构简图
电刷换向过程机理如下:在换向中,每一后电刷后沿起断路开关作用,将后换向匝与激励区断开;每一前电刷前沿起闭合开关作用,将前换向匝并入激励区。弹丸线圈向前运动的同时,可以在驱动线圈的换向匝内感应出电压。前、后弹丸线圈的电流方向相反,弹丸线圈前部对前换向匝感应出的电压使前换向匝的电流上升,弹丸线圈尾部对后换向匝感应出的电压使后换向匝的电流下降。后换向电刷后沿在电路被断开的瞬间,一部分能量会通过磁通耦合进入弹丸线圈与激励区,由于耦合得不充分,以及换向匝电感使得电流不能瞬间降为零,会有一部分能量剩余。
假定在弹丸运行过程中,驱动线圈和弹丸线圈都不发生形变,并忽略趋肤效应,则可得到HEML换向过程的等效电路[7],如图2 所示。
图2 HEML换向过程等效电路
2 HEML换向过程的PSpice模型
本文主要针对后换向匝断开后能量转化进行研究,因此在HEML换向过程等效电路的基础上,省略前换向匝的部分建立PSpice仿真模型(图3)。
L1为弹丸线圈已经通过驱动线圈的部分,等效为一个电感;L2为后换向匝(此处认为后换向线圈为一匝);L3为驱动线圈激励区及弹丸线圈;R1为系统内阻;R2为模拟断路匝与空气之间的电阻;V1为系统电源;K1、K2、K3分别为 L1、L2、L3之间的互感系数;U1为闭合开关,U2为断开开关,某一时刻U1闭合的同时U2断开,以模拟电刷滑过后换向匝L2。
图3 换向过程PSpice仿真模型
3 后换向匝能量转化分析
以系统在12 kA电流驱动情况下运行为例,分析该情况下后换向匝的能量转化情况。
设置开关时间1 μs,激励区初始电流12 kA,后换向匝线圈电感2 μH。通过仿真,可以得到后换向匝的功率-时间曲线,如图4所示。
图4 后换向匝的功率-时间曲线
计算功率对时间的积分,即可得到仿真时间内后换向匝的能量变化量:
后换向匝电感为2 μH,初始时刻电流为12 kA,可得后换向匝初始时刻储存的能量:
通过计算可知,此时后换向匝释放的能量约占后换向匝总能量的77.8%,即剩余的能量约占后换向匝总能量的22.2%。这部分能量如果以电弧的形式释放,对系统会造成很大的破坏。为了给剩余能量找到合适的释放途径,应对其进行续流设计。
4 换向过程续流方案研究
系统设计时采用两套方案,方案1是将二极管反接在后换向匝两端;方案2是将剩余能量前馈到激励区。
4.1 二极管反接在后换向匝两端
将续流二极管反接在储能电感两端,在电感断开时与之形成回路,达到将剩余的能量逐步释放的目的。
在后换向匝两端反接一个二极管,二极管的导通方向与后换向匝中电流方向相同。此时,二极管可以在后换向匝与激励区断开后,为后换向匝中的剩余电流提供释放通路,将其中能量在二极管中消耗。该结构下的PSpice模型如图5,二极管D1的功率-时间如图6。
图5 方案1模型
图6 二极管D1的功率-时间曲线
通过研究二极管D1的功率-时间曲线可得:在换向结束即1 μs时刻后,后换向匝L2在二极管D1上均匀放电,L2的中的剩余能量逐步被消耗。续流二极管的加入为高电势提供了放电通路,可以有效地抑制电弧产生。
4.2 剩余能量前馈到激励区
如果能将后换向匝中的剩余能量重新利用起来,则可以提高系统的效率,因此,考虑加入续流回路将后换向匝中的能量前馈到激励区。利用二极管将后换向匝L2与激励区尾端相连,二极管导通方向为L2的电流方向,PSpice模型如图7所示。
图7 方案2模型
图8为后换向匝的功率-时间曲线,求此时后换向匝的能量变化量可得:
此时后换向匝释放能量占初始储能的92.95%,即剩余能量为7.05%。可见,该结构的续流回路可以有效地将后换向匝中的能量前馈到激励区,对转移后换向匝剩余能量有显著的效果。
图8 后换向匝的功率-时间曲线
5 结束语
HEML采用电刷换向的结构,由于换向过程中后换向匝的电流不能瞬间降为零,因此导致剩余能量的存在。剩余能量的存在,降低了系统的效率,同时会导致电弧的产生,对系统造成一定程度的破坏。本文从HEML的等效电路角度,使用PSpice进行仿真,估算出了剩余能量的比例,即占换向匝能量的22.2%。在此基础上,初步设计了2种结构的续流回路:第一种可以将后换向匝中剩余能量缓慢的在二极管上释放,起到保护系统的作用,结构简单,易于实际测试;第二种是将后换向匝中剩余能量通过二极管前馈到激励区,可以起到将剩余能量进一步利用的效果。
[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]王莹,肖峰.电炮原理[M].北京:国防工业出版社,1995.