模块时序和电感对电磁发射用脉冲电源系统的影响

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

邱　燕

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安　710300)

模块时序和电感对电磁发射用脉冲电源系统的影响

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

邱燕

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安710300)

摘要：针对电磁发射时要求电流幅值高、上升时间短、理想工作时电流幅值曲线近似为梯形模式、持续时间达到毫秒级等特点，研究了模块充电电压、电容、电感以及触发时序变化对负载电流幅值和脉冲宽度的影响。通过计算和仿真，分析了模块时序间隔和电感对电磁发射用脉冲电源系统的影响，提出了满足电磁发射所需电流实际要求的可行性方法。

关键词：电磁发射时序放电脉冲电源模块时序电感

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

电磁发射技术是利用电磁力(洛仑兹力)沿导轨发射炮弹的武器,主要由能源、加速器、开关3部分组成[1]。目前,实验常用的能源装置主要为电容储能式脉冲发生器。加速器则能够把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹高速发射[2]。

由于电磁发射所需电流的幅值高，上升时间短，理想工作时幅值曲线近似为梯形模式，持续时间达到毫秒级[3]，因此单个脉冲功率模块难以满足。目前常采取多组并联的电源模块按序放电来获得较宽的电流宽度。这种方式并不能获得理想的恒定电流，实际所得到的电流曲线必然会有振荡和过冲。采取多模块时序并联放电时，本文通过改变模块的充电电压、电容、电感以及触发时序，来改变负载电流的幅值及脉冲宽度，从而满足电磁发射所需的电流要求。

1电容储能式脉冲功率电源的参数计算

在恒定电流(constant current,CC)模式作用下，弹丸受力均匀，理论分析比较方便。对于电磁轨道CC比较理想的电流模式,假如加载到电路的电流是幅值为I的恒定电流，脉冲电流幅度、电流宽度与弹丸的速度、轨道的长度、电枢和弹丸质量之间的近似方程如下：

(1)

(2)

弹丸的炮口速度、电枢和弹丸的质量及轨道的长度是已知的，由式(1)可求出所需电流的宽度即电枢在轨道上的运行时间t和所需电流的峰值I。

设轨道和电枢的阻值为R，忽略电枢与轨道之间的阻力，如摩擦阻力和空气阻力，并且假设电流为恒定值，根据能量守恒，列出下式：

(3)

式(3)等号左侧为电容储能能量，右侧为电感储能能量、电枢(含弹丸)的动能以及轨道上的热损。结合式(1)和式(2)，得到下列关系式：

(4)

式(4)反映了电路中C、L、R、U0与弹丸炮口速度V之间的关系[5]。设轨道选用铜金属材料，长度为6m，宽度为30mm，由5层薄板串联而成，薄板间距1mm，厚度为6.4mm；固体电枢也是由5层薄板串联而成，每层尺寸为30mm(长)×39mm(宽)×6.4mm(厚)，薄板间距1mm，电枢采用铝金属材料。设轨道及电枢电阻为R=ρl/s，其中ρ为电阻率，l为材料的长度, s为面积。常用金属导体在20 ℃时的电阻率：铜 1.75×10-8Ω·m，铝 2.83×10-8Ω·m。R铜=2.7mΩ，R铝=0.02mΩ，R=5.42mΩ，质量为100g，出口速度为3 000m/s。

由式(1)求出：平顶电流幅度为I=612kA，平顶电流持续时间为t=4ms。考虑到轨道的摩擦和空气阻力等因素，实际电流应大于612kA。

由式(4)和已知轨道炮轨道材料参数， 忽略调波电感值和电容器上的损耗，可得充电电压的值与电容器的电容值分别为U0=5kV、C=686mF。

2模块时序放电的影响

在电磁发射脉冲电源系统中，每个模块并联放电主要是依据时序放电的形式进行的。时序放电过程是非常复杂的，所有放电模块连接到负载上，模块之间存在着电气联系和能量流动，从而相互影响各自的放电情况。负载电流是由放电模块个数和每个模块的放电状况决定的，所以对于多模块并联放电的脉冲电源系统的特性分析，需要根据模块的放电状态进行讨论。

每个模块的放电原理图如图1所示。主开关通断和续流支路通断的状态决定了这个模块的放电状态。

图1　电容储能放电原理图

多模块放电示意图如图2所示。

图2　多模块放电示意图

在多数情况下，脉冲电源系统中每个模块的工作状态有3种：①换路前，为 C-L-R电路放电状态；②换路中，为 C-L-R电路和R-L电路叠加的放电状态；③换路后，即R-L电路放电状态。当脉冲功率装置的容量要求比较大时，采用多个电容器并联运行，实现要求所需的电流幅值和宽度。

以六模块并联系统为例，搭建系统模型并进行仿真，每个模块的储能电容C=686 mF/6=114.33 mF。

利用PISM仿真软件进行仿真，采用型号为MWF5-200的脉冲电容器，电容量为C=200×575=115 mF。等效串联电阻为0.2 mΩ，等效串联电感为0.035 nH；负载(电磁发射系统)等效电阻为5.42 mΩ的电阻。续流支路的二极管为理想二极管；吸能电阻R设为 20 mΩ；调波电感L取为6 μH。利用开关K和串连的二极管构成理想状态的TVS模型，此处的二极管起TVS电流过零熄弧的作用[6]。

模块时序放电对总的负载电流波形有非常大的影响，负载不同，就要设置不同的时序，获得最接近理想情况的电流，使电源系统拥有最佳性能。下面以六模块电源系统进行仿真，分析模块时序放电对负载电流的影响。

假设六模块时序放电系统中每个模块等间隔为444 μs、555 μs、666 μs触发放电。负载电流的波形和每个单模块的放电电流波形如图3所示。图3中,I1到I6为6个模块各自的电流，I7为整个电源模块提供给负载的电流。

图3　等间隔时序下负载电流波形

从图3的仿真电流波形可以得出，模块之间触发时间的间隔较短时，负载电流的变化率di/dt比较大，可快速上升到达峰值，峰值较高，脉宽小，电流维持在较高水平的时间相对较短。各单模块发出的电流的变化率di/dt较小，峰值低，脉宽大。反之，随着模块之间触发时间间隔的增大，负载电流的变化率di/dt减小，到达峰值所用的时间变长，电流幅值减小，脉宽增大，维持在较高水平的时间也得到延长。各单模块的电流变化率di/dt增大，峰值增高，脉宽减小。

应用于电磁发射的电源，其负载理想电流的特点是：初始电流迅速上升到达峰值，可持续在高电流水平，末端电流可以迅速下降[7]。因此，在时序调节中，开始和结束的两个阶段要让两个或多个模块同时放电或者触发间隔时间很短，保证负载电流快速上升和下降。中间阶段的每个模块的触发间隔时间适当延长，有效地保证电流脉宽，更趋近于理想的负载电流。所以考虑六模块系统中各个模块不等间隔的触发放电，根据等间隔的放电电流波形进行适当调节，得到的总电流波形及各单模块的放电波形如图4所示。

图4　不等间隔时序下放电电流波形

开关控制放电时间间隔分别为：t1=0 ms、t2=0.278 ms、t3=1.25 ms、t4=1.53 ms、t5=1.805 ms、t6=2.917 ms。由图4可见，其负责电流的波动振荡情况明显改善，电流在600 kA附近波动，峰值电流可达640 kA，电流快速上升到达峰值，上升时间不到1 ms，并且电流维持在较高水平，末端电流可以快速下降，波形比较理想。

3电感的大小对电流叠加效果的影响

电抗器是用于脉冲电流波形调节的重要元件，其电感值与电流脉冲峰值的大小及峰值上升时间有密切的关系，并具有中间储能的作用[8]。

电抗器电感量的确定要考虑两个方面。一是电感量过大，会导致回路电流的峰值偏小，脉冲电流上升陡度小，放电时间增大，导致轨道炮对电能的利用率降低[9]。二是电感量过小，负载电流波动大，峰值大，而且过小的电感量不利于波形的调节[10]，对开关的要求更严格，对开关的正常触发和电源系统带来不利影响。

电感量为2 μH和10 μH的仿真结果如图5所示。其中图5(a)是电感为2 μH时的仿真结果，开关控制放电时间间隔分别为：t1=0 ms，t2=0.56 ms、t3=1 ms、t4=1.639 ms、t5=2.222 ms、t6=2.778 ms。图5(b)是电感为10 μH时的仿真结果，开关控制放电时间间隔分别为：t1=0 ms、t2=0 ms、t3=0.833 ms、t4=1.39 ms、t5=1.806 ms、t6=2.083 ms。

图5　不同电感量情况下放电电流波形

由仿真结果可知，当电感量小时，放电电流可以快速上升和下降，在很短的时间内达到第一个波头，但是不利于波形的调节，导致负载电流的波动比较大。电感变小，每个模块的发出的电流峰值就会增大，这对开关的要求就更严格，对开关的正常触发和电源系统带来不利影响。当电感量大时，虽然降低了回路的电流峰值，减轻了开关和电源系统的负担，但是负载电流到达第一个波头所用的时间相对较长；脉冲电流的上升陡度变小，放电时间增大，但是电流平顶时间变小，这就降低了轨道炮对电能的利用率。因此，要选择合适的电感值。

减小后面几个放电模块的放电时间，以增大电能利用率，即减小后面几个放电模块的电感，再进行时序调节。经过仿真后得到的负载电流和各模块放电电流波形如图6所示。

图6　负载电流和各模块放电电流波形

仿真时，把模块5和6的电感值减小到3 μH，加快后两个放电模块的放电速度，再进行时序调整，开关控制放电时间间隔分别为：t1=0 ms、t2=0 ms、t3=0.833 ms、t4=1.167 ms、t5=1.556 ms、t6=2.556 ms。由图6可以看出,负载电流的平滑度相对较好，但是弹丸经过轨道的时间是4 ms，阴影部分是没有利用的电能，明显比图4的阴影部分面积小，电能利用率明显增大。

4结束语

通过所建立的电磁发射用脉冲电源系统模型，本文计算和仿真分析了模块时序间隔和电感大小对电磁发射用脉冲电源系统的影响。在实际电路应用中,可根据试验结果进行适当调整，比如通过适当增大电容量、增大充电电压等方法来增大合成电流和增加脉宽长度，满足电磁发射所需的电流等实际要求。

参考文献

[1] 王群，耿云玲.电磁炮及其特点和均是应用前景[J].国防科技，2011(2):1.

[2] 程正.电磁发射用脉冲电源系统触发真空开关特性研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[3] 陈允，徐伟东，袁伟群，等.电磁发射中铝电枢与不同材料导轨间的滑动电接触特性[J].高压电技术，2013,39(4):937-939.

[4] 贺翔，曹群生.电磁发射技术研究进展和关键技术[J].中国电子科学研究院学报，2011,6(2)：131-132.

[5] 杨玉东，王建新.电容式电磁炮电源电路的设计与仿真[J].高压电器，2008，44(5)：50-52.

[6] 王洋.碳纤维环氧复合材料高速撞击损伤效应研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[7] 李海涛，董亮，王亮，等.多模块脉冲变压器并联驱动电磁推进系统仿真[J].弹道学报，2012,24(3):106-108.

[8] 贺翔，曹群生.电磁发射技术研究进展和关键技术[J].中国电子科学研究院学报，2011,6(2):130-131.

[9] 贺明智，陈骞，郑琼林.VRM响应特性的研究[J].北京交通大学学报，2011(2):35-36.

[10]刘鹏，范立云，马修真，等.高速电磁阀动态响应特性响应面预测模型的研究[J].哈尔滨工程大学学报，2014(5):67-69.

中图分类号：TH85；TM91

文献标志码：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年毕业于西安理工大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，讲师；主要从事新能源技术的研究。