對某型艦消磁設備動態特性分析及改進設計*

徐 杰

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

對某型艦消磁設備動態特性分析及改進設計*

徐 杰

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

針對某型艦消磁設備在降低輸出電流階躍產生尖峰電壓的問題,指出了原設計電路上的不足,通過兼顧設備的動態誤差,調整緩沖電路的時間常數,改進電路后經實驗室驗證及實際使用,達到設計要求。

消磁設備; 尖峰電壓; 時間常數

Class Number TP16

1 引言

某新型消磁設備屬新研制的最新一代智能型消磁設備,但在初次裝艦后的系泊試驗過程中,發現輸出電流階躍產生尖峰電壓,為降低尖峰電壓,需增加緩沖電路的時間常數,但時間常數過大,將影響設備的動態誤差,必須同時兼顧這兩項性能指標[1～2]。本文通過調整時間常數,檢測輸出電流階躍時的尖峰電壓和動態誤差,在整套設備滿足精度的前提下,盡可能地延長積分常數[3～5]。

2 分析過程

根據圖1電源模塊的原理框圖及電源模塊的原理線路圖,結合分析出廠試驗、單機恢復試驗、系泊試驗等過程,著重分析與繞組相聯的輸出級與緩沖級電路對動態特性的影響[6～7]。

圖1 電源模塊的原理框圖

2.1 輸出換向級電容及繞組電感對動態特性影響

圖2為DC/DC整流——輸出級原理線路圖,在不考慮繞組電感時,分析線路的動態特性。

圖2 輸出級原理線路圖

當輸出電流增加時,其等效電路如圖3所示。

電路的時間常數為

其中RS為次級線包的內阻。

當DC/DC不工作時,其等效電路如圖4所示。

圖3 電流上升階段等效線路圖

圖4 DC/DC不工作時等效線路圖

則τ=RL(C1+C0)。

輸出電流下降階段,當控制信號的頻率高于1/τ時,DC/DC將停止能量傳送,由C1、C0向負載供電;當控制信號的頻率低于1/τ時,DC/DC工作,電流按要求輸出。

額定輸出時,效率為89%,11%的損耗中包含其它各部分電路的損耗,當不考慮其它損耗時,認為11%為RS損耗,則

P損=I2RS,P輸出=I2RL

τ上升=0.11τ

設備的動態特性主要由τ決定。此時,對于20°/s信號,其頻率遠小于截止頻率1/τ=121Hz。信號能夠被跟蹤但引入的誤差是

2.2 緩沖電路動態特性分析

為降低尖峰脈沖的幅度,在信號通道上加入緩沖電路時,信號的流程圖如圖5所示。

圖5 加入緩沖后系統信號流程圖

引入的誤差為

對于Y分量電源,包含10個電源模塊,則

τ=(330+30)μF/模塊×10模塊×2.5Ω=9ms

當τ緩=6.8ms時,ε=0.525%,誤差增加了0.237%;

當τ緩=22ms時,ε=1.056%,誤差增加了0.768%;

2.3 緩沖電路對尖峰脈沖的影響分析

當τ緩<τ,輸入信號降躍到0時,緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級快,極性控制信號先于C0、C1下降至0,發生極性反轉,有沖擊電壓,其幅度與τ緩有關,τ緩越接近τ,C0、C1上的電壓越接近0,沖擊電壓越小。

當τ緩≥τ,輸入信號階躍到0時,緩沖電路輸出的下降速度比DC/DC—換向級慢,電路將根據電流反饋調整DC/DC的脈沖寬度,使換向級輸出跟蹤緩沖級的變化,當緩沖器輸出信號為0時,DC/DC——換向級也下降至0,不產生反向過沖電壓。在不產生過沖電壓的時間常數中,當τ緩=τ時,引入動態誤差最小。

3 改進過程

3.1 最佳時間常數的確定

通過上述分析,以8.25ms時間常數為基準點,逐步調整相關電阻電容,在設備滿足精度的情況下,盡可能降低階躍信號產生的尖峰電壓。增加緩沖電路的時間常數,測量階躍時的輸出電壓波形,并測量動態誤差[8～10]。在緩沖電路參數確定前,為確保設備安全,從50%額定值階躍到0。

未增加電容時,輸出電壓波形示意圖如圖6所示。

圖6 未增加電容時,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態誤差,分別為1.52%、1.5%、1.55%,靜態誤差為0.59%。

增加0.68μF電容,相當于τ緩=6.8ms,輸出電壓波形示意圖如圖7所示。

圖7 增加0.68μF電容時,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態誤差,分別為1.85%、1.98%、1.87%,靜態誤差為0.57%,從主控制器到輸出電流的誤差為2.6%。

增加2.2μF電容,相當于τ緩=22ms,輸出電壓波形示意圖如圖8所示。

圖8 增加2.2μF電容時,輸出電壓波形示意圖

測量三次動態誤差,分別為1.95%、2.12%、2.02%,靜態誤差為0.7%,從主控制器到輸出電流的誤差為3.2%,超過標準范圍。

由于增加2.2μF電容后,誤差超標,因此確定消磁設備所增加的電容為0.68μF。輸出電流從Ie階躍到0時,最大反向電壓為290V,小于IGBT的極限電壓。在后續的多次通電試驗中,均未發生同類問題,證明該方法有效。

3.2 改進措施

則最大變化率為|f′(t)|max=2πa/18=0.35A。

當以F限(F限>|f′(t)|max)作為變化率限制值時,不會影響動態響應性能,在后續設備的設計中,采用如下限制變化函數:

式中A(N)輸出為本次輸出值,A(N)輸入為本次輸入值,A(N-1)輸出為前一次輸出值,F限為變化率限制值,T為信號輸入周期。當輸入出現非預期突變時,將按等式的第一個式子緩升或第三個式子進行緩降,防止輸出電流的突變,而正常信號輸入時,將按中間的等式輸出。

F限的確定:按動態20°/s要求時,F限≥0.35A;按過渡過程要求時,因過度時間≤1s,取緩升時間為0.5s,則F限=2(0.35A-(-0.35A))=1.4A,取兩者最大值,則F限=1.4A,引入誤差:

τ為軟件產生的延時,約0.6ms,按1ms計算,則εmax=0.035%,數字輸入誤差遠小于模擬輸入誤差,而對突變信號,如突變0.5A,則緩沖時間為:0.5A/1.4A=357ms,緩沖效果更好。

4 結語

本文針對某型艦消磁設備在降低輸出電流階躍產生尖峰電壓的問題,通過分析輸出換向級電容及繞組電感對動態特性的影響、緩沖電路動態特性及緩沖電路對尖峰脈沖的影響,以8.25ms時間常數為基準點,逐步調整相關電容,在設備滿足精度的情況下,最終確定消磁設備所增加的電容為0.68μF。在后續的多次通電試驗中,均未發生同類問題,證明該方法有效。

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Analyzing and Ameliorating Design of Dynamic Characteristic Degaussing Equipment of Some Marine

XU Jie

(Military Representative office of Navy in Guilin, Guilin 541002)

When reducing the output current of degaussing electrical source of some marine, signal produces the aiguilles voltage. This paper indicates the deficiency of originally circuit,and considers the dynamic precision of the equipment and adjusts the time constant of circuit. The improving circuit achieves the design request by the lab validating and fact application.

degaussing equipment, aiguilles voltage, time constant

2014年4月17日,

2014年5月28日

徐杰,男,碩士,工程師,研究方向：電磁環境及防護工程。

TP16

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.042