三相異步感應線圈發射器適用的高功率脈沖電源性能分析

張國安 余明友 朱忠尼 夏敏學

（空軍雷達學院，武漢 430019）

1 引言

電磁發射（electromagnetic launch——EML）技術就是用電磁力在較短的時間內把物體推進到超高速度的技術，具有反應速度快、出口速度高等優點，這使得它具有廣闊的應用前景。隨著脈沖功率技術和電磁發射技術的發展，電磁發射技術的應用研究越來越受到更廣泛的關注。電磁發射裝置被稱為電磁發射器或電磁炮。根據結構和原理的不同，電磁發射器主要有三種形式：線圈型、軌道型和重接型[1]。而異步感應線圈發射器就是一種線圈型電磁發射器。由于存在磁懸浮作用，驅動線圈與彈丸線圈之間無接觸、摩擦和燒蝕等，可以用于發射大型物體，因此越來越受到人們的重視。但是由于存在電源瓶頸和效率不高的原因，異步感應線圈發射器還不能投入實用。本文通過對異步感應線圈發射器結構和原理進行研究、分析，指出為提高發射效率，異步感應線圈發射器適用的激勵電源是對稱的三相或多相高功率交流電源。根據對稱分量法，任意三相電流總可以分解成正序分量、負序分量和零序分量。實際上僅正序分量產生正向行波磁場加速彈丸做正功。本文對現在實驗室常用的兩種激勵電源的性能進行了分析，指出由于參數不匹配和存在端部效應等原因，三相激勵電流不對稱，含有大量的負序分量和零序分量分別做負功和增加附加損耗，降低了發射器的轉換效率。

2 異步感應線圈發射器基本結構

異步感應線圈發射器都是從普通異步感應電動機演變來的[2][3]。以三相異步感應線圈發射器為例進行說明。將普通旋轉異步感應電動機AIM（圖1a）從軸線沿徑向剖開并拉直、展平，便成了平面異步感應直線電動機（圖 1b），再把平面異步感應直線電動機沿縱向卷成圓筒狀，便成為圓筒異步感應直線電動機AILM（圖1c）。用于電磁發射時，前者也稱為平板異步感應線圈發射器，后者又稱為圓筒異步感應線圈發射器。可見異步感應線圈發射器有平板和圓筒兩種形式。把圖示磁極具體化后，原來旋轉異步感應電動機的定子這里叫初級，或者異步感應線圈發射器的驅動線圈；原來旋轉異步感應電動機的轉子這里叫次級，或異步感應線圈發射器的彈丸線圈,又稱為電樞。三相圓筒異步感應線圈發射器結構示意如圖2a所示。

圖l 由AIM演變到AILM的過程

用作電動機時，由于電流不是足夠大，定子和轉子都有鐵心，可以增強磁場，減少繞組匝數。但用作異步感應線圈發射器時，由于發射時間短，電流足夠大，初級、次級或驅動線圈、彈丸線圈都去掉鐵磁材料成為空心的，這樣可以避免鐵心出現磁飽和，還可以減輕發射器重量。

另外，由于磁極出現斷面而引起磁場不均勻，平板異步感應線圈發射器存在橫向端部效應和縱向端部效應，而圓筒異步感應線圈發射器僅存在縱向端部效應[3][4]。

3 異步感應線圈發射器基本原理

三相異步感應電動機的工作原理是其定子繞組接通對稱三相交流電就會產生旋轉磁場拖動轉子旋轉。為保證三相異步感應電動機轉速平穩，激勵三相異步感應電動機的交流電源應是三相對稱的，即

因此，三相異步感應線圈發射器的激勵電源也應該是三相交流對稱的。當三相激勵電源是如式（1）所示的三相對稱交流電流時，在驅動線圈中會產生行波電流[1]，在發射管內部會產生如圖2b所示的行波磁場或磁行波（不再是旋轉磁場了），該行波磁場就拉著彈丸線圈沿發射管軸線向前運動。該行波磁場B沿發射管近似正弦分布，可以分解為徑向磁場Br和軸向磁場Bx。由于激勵電流是隨時間變化的，該行波磁場沿發射管以同步速度vs前進，而vs與電源頻率f、極距τ有關

圖2 異步感應線圈發射器工作原理

彈丸線圈是被行波磁場拉著前進的，因此彈丸線圈的速度不可能超過同步速度。如果彈丸線圈也以同步速度vs前進，即彈丸速度vp=vs，則彈丸線圈處于磁靜止的環境，它與行波磁場無相對運動，不能感應出電流，就不會受到電磁力的作用。當彈丸線圈速度vp＜vs，滑差速度svs=vs-vp，彈丸線圈經受磁場B的變化，由于彈丸線圈電流J與磁場B作用，產生作用于彈丸線圈上的電磁力

該力的徑向分量推斥彈丸懸浮居中，當彈丸線圈受擾動向某方向偏移時，兩線圈間距變小，彈丸線圈在這一側所受的推斥力比另一側的大，這有助于彈丸線圈復位居中，使得彈丸位于發射管軸線運動，而與發射管之間無接觸、摩擦[2]。

而該力的縱向分量則加速彈丸沿發射管x軸線正方向前進，其大小為[1-2]

式中，Id為驅動線圈的激勵電流的有效值；α為彈丸線圈長度與驅動線圈激勵部分長度之比；Rp為彈丸線圈電阻；Xm為驅動線圈繞組的電抗；s= (vs-vp)/vs= 1-vp/vs為滑差（率）；vs為行波磁場的同步波速；vp為彈丸線圈速度；svs=vs-vp為滑差速度；上式忽略了驅動線圈和輸入導線的電阻以及端部效應的影響。

4 異步感應線圈發射器施加任意波形電流時的行波磁場

4.1 對稱分量法

若對異步感應線圈發射器驅動線圈施加任意波形的三相電流源，根據對稱分量法，任意的三相電流ik都可以分解為正序電流分量ikp、負序電流分量ikN和零序電流分量ik0（k=a,b,c）之和，即

假設三相負載為有中線的星形（Y0）連接方式，則

其中，三相正序分量是對稱的，且相序為A-B-C-A，如公式（1）所示；三相負序分量也是對稱的，但相序為A-C-B-A，與正序分量相序相反；三相零序分量相等，且均等于三相電流瞬時值代數和的1/3。

4.2 異步感應線圈發射器施加正序三相電流時產生正向行波磁場

圖2（a）所示的異步感應線圈發射器的驅動線圈施加式（1）所示的三相對稱的正序電流時，就會產生如圖2（b）所示的正向行波磁場，對彈丸產生電磁推力（F），做正功，加速彈丸沿發射管軸線正方向運動。

4.3 異步感應線圈發射器施加負序三相電流時產生逆向行波磁場

和三相異步電動機一樣，當圖2（a）所示的驅動線圈通以A-C-B負序電流時，其產生的行波磁場方向是逆向運動的，這個逆向行波磁場對彈丸產生一個反向的電磁減速力（-F），該力對彈丸做負功。

4.4 異步感應線圈發射器施加零序電流的行波磁場

當A、B、C三相驅動線圈施加零序電流時，由于A、B、C為同類信號，它將在A、B、C線圈不同的空間位置產生上、下振動的脈振磁場。該磁場不能產生向前或向后的電磁力，它會增加彈丸的附加損耗。

4.5 多種電流成分的行波磁場

當三相異步感應電動機的對稱三相繞組中有正序、負序和零序等多種電流成分時，電機氣隙中的磁場為一橢圓磁場。根據電機學原理，橢圓磁場可以等同為兩個正、反向的同步旋轉的磁場的疊加。同樣道理，當異步感應線圈發射器施加具有正序、負序和零序電流時，其行波磁場是一串幅值變化的行波磁場，它可以分解為一組正向行波磁場和反向行波磁場。正向行波磁場產生電磁推力加速彈丸前進，做正功；反向行波磁場產生電磁阻力阻止彈丸前進，做負功。

由此可以看出，要想提高異步感應線圈發射器的發射效率，就需要盡可能提供式（1）所示的三相對稱正序電流對彈丸做正功，加速彈丸，避免存在負序電流做負功和零序電流增加附加損耗。

5 異步感應線圈發射器常用電源及其存在問題的分析

除了上述對三相電流對稱性要求外，由于異步感應線圈發射器的特殊要求，其適用的電源應該還有下列幾個特點：

（1）驅動線圈的阻抗較大，需要激勵電源能提供高電壓和大電流，能提供高功率和大能量。激勵電源電壓一般是數十千伏，電流也高達數十千安。

（2）由于電磁發射速度快，彈丸在發射管內運動時間短，因此希望激勵電源是脈沖的，維持時間毫秒量級。

（3）希望彈丸及彈丸線圈所受的電磁力基本不變。這樣保持彈丸的加速度基本不變，有助于彈丸不會因受極大力的作用而破碎。

（4）為減少歐姆損耗而又滿足高出口速度的需要，往往做成多段異步感應線圈發射器形式。因此激勵電源應該容易做成不同頻率和容量。因為通過改變激勵電源頻率和驅動線圈的極距可以改變行波磁場的同步速度，提高激勵電源電壓或電流可以提高對彈丸線圈的加速力。

根據這些特點，目前最常用的脈沖電源是高壓脈沖電容器和飛輪發電機兩種。

5.1 電容器用作激勵電源

高壓脈沖電容器是實驗室中進行電磁發射實驗常用的激勵電源之一，可以先小功率向高壓脈沖電容器充電，然后高壓脈沖電容器通過高功率開關向異步感應線圈發射器的驅動線圈放電。

用電容器向三相異步感應線圈發射器驅動線圈繞組供電的等效電路如圖3所示。圖中充電電路未畫出。三組電容器CA、CB、CC分別向三相驅動繞組LA、LB、LC供電，三相驅動線圈Y0型連接，圖3(b)中的L和R分別是其中一相驅動線圈繞組的等效電感和等效電阻（包括初級導線歐姆損耗、次級渦流損耗、彈丸獲得的能量等），U0是電容C的充

圖3 電容對三相驅動線圈繞組供電

根據圖3（b）所示的其中一相等效電路可寫出電路的電壓微分方程

將上式微分，得二階常系數微分方程

從式（9）可見，電容供電時每個驅動線圈繞組的相電流是正弦衰減電流，其自由振蕩周期

用電容器供電的觸發方式有兩種，一種是120?控制方式，另一種是60?控制方式。

120?控制方式

各相電流如式（9），其振蕩周期為TC。在 t=0時刻，控制A相開關SA閉合，使A相電容放電；然后控制B相開關SB在Tc/3時刻（120?）閉合，使B相電容放電；控制C相開關SC在2Tc/3時刻（240?）閉合，使C相電容放電。則三相電流的仿真波形如圖4所示。

圖4 120?控制方式三相電流波形

60?控制方式

各相電流如式（9），其振蕩周期為 TC。在t=0時刻，控制A相開關SA閉合，使A相電容放電；然后控制-C相開關SC在Tc/6時刻（60?）閉合，使C相電容放電；控制B相開關SB在Tc/3時刻（120?）閉合，使B相電容放電。則三相電流波形、彈丸速度和加速度分別如圖5、7所示[6][7]。

圖5 60?控制方式三相電流波形

性能上，60?控制方式優于120?控制方式[7]。從圖4和圖5可以看出，不管是120?控制方式，還是60?控制方式，三相電流都不是對稱的，特別是在B相和C相閉合之前，只有單相或兩相電流，并且指數衰減規律不同，這樣三相電流中存在大量的負序分量和零序分量。圖6所示彈丸速度和加速度曲線可以看出在發射后期加速度出現負值，說明了電磁力在做負功，其結果將導致系統效率遠低于理論值。

5.2 飛輪發電機用作激勵電源

實驗室中進行電磁發射實驗的另一種常用的激勵電源是飛輪發電機。文獻[8]報道了用飛輪發電機激勵8段異步感應線圈發射器的實驗結果，其中第1段和第8段驅動電流波形如圖6（a）、（b）所示，第8段發射管中彈丸所受電磁力波形如圖6（c）所示。

圖6 彈丸速度和加速度曲線

從圖7可以看出飛輪發電機激勵三相異步感應線圈發射器也是采用60?控制方式，三相電流是不對稱的，特別是在C相和B相接通之前，只有單相或兩相電流，而在B相接通之后三相電流幅值也難以保持對稱，因此也存在大量的負序分量和零序分量，甚至出現電磁力為負的情況，其結果將導致系統效率遠低于理論值。

圖7 飛輪發電機驅動8段三相異步

感應線圈發射器電流波形和電磁力波形

5.3 三相驅動電流不對稱的原因分析

分析三相異步感應線圈發射器驅動線圈電流不對稱的原因有三：

（1）端部效應

由于發射器有入口和出口，且存在磁場不均勻現象，就會產生損耗，引起端部效應。

（2）電路參數失配

在進行實驗模型加工和實驗時，難以保證電路參數匹配。

（3）延時控制

A、B、C三相依次延時導通，在B相和 C相導通之前，發射管中只有一相或兩相電流，此時并沒有產生行波磁場，相當于同步感應線圈發射器工作情形。在最后一相導通時開始產生行波磁場，但由于公式（9）所示的三相電流不對稱，特別是三相電流幅值不相等和衰減規律不相同，甚至三相電流頻率不相等，使得行波磁場發生畸變。

6 對異步感應線圈發射器常用電源的改進建議

對異步感應線圈發射器的電源，總是希望其驅動電流是三相對稱的，只含有正序分量。為了盡可能減小三相異步感應線圈發射器驅動線圈的電流的負序分量和零序分量，通過分析行波磁場產生的原因，筆者提出兩點建議：

一是針對高壓脈沖電容用作激勵電源，增加匹配網絡使得各相包含端部效應在內的等效阻抗和諧振頻率相等，精確計算各相電容充電電壓和各相依次放電時間，確保最后一相導通后三相激勵電流按指數規律衰減的幅值包絡線相同，使得產生的行波磁場的幅度也按指數規律衰減。

二是研制新型的活塞驅動的逆線圈炮型三相脈沖直線發電機用作三相異步感應線圈發射器的激勵電源，可以彌補端部效應的影響。

7 結論

電磁發射技術雖然具有美好的應用前景，但是仍然存在電源瓶頸問題。本文通過對異步感應線圈發射器的結構和工作原理進行分析，發現三相或多相異步感應線圈發射器適用的激勵電源應是三相或多相對稱的。只有對稱的交流電源（正序分量）才能產生正向行波磁場加速彈丸。當電源不對稱時，就可以分解出負序分量和零序分量，產生反向行波磁場（做負功）和脈振磁場（增加附加損耗），極大地降低了系統的效率。因此，理想的情況是研發能輸出式（1）所示的三相對稱電流的三相或多相脈沖交流電源。

用電容激勵和飛輪發電機激勵異步感應線圈發射器是現在實驗室研究電磁發射實驗常用的激勵電源，但均因延時接通和電流不對稱等，存在大量的負序分量和零序分量，使得系統效率遠低于理論值，使得異步感應線圈發射器難以投入實用。

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[8] M. Liao, Z. Zabar, E. Levi, and L. Birenbaum.“Analysis of Generator-driven Linear Induction Launchers”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 33, No.1, January 1997: 184-189.