機(jī)組式脈沖電源的設(shè)計與控制方法

楊 明牛 璐

（1.海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連116021；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

機(jī)組式脈沖電源的設(shè)計與控制方法

楊 明1牛 璐2

（1.海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連116021；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

文章針對機(jī)組式脈沖電源進(jìn)行研究，論述其設(shè)計組成、控制原理和技術(shù)特點(diǎn)，通過數(shù)值仿真分析方法，對其電流控制、慣性影響等進(jìn)行介紹和分析驗證。文章提供的脈沖電源設(shè)計方法，為實際工程和應(yīng)用提供一種思路和手段。

直流發(fā)電機(jī)組；勵磁調(diào)節(jié)；脈沖電流；數(shù)值仿真

引 言

脈沖電源是提供瞬間能源的一種方式。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的變革，很多工程實踐中需要瞬間能源作基礎(chǔ)，解決實際應(yīng)用中的難題，諸如電磁彈射、電磁炮、消磁等。

機(jī)組式脈沖電源目前在消磁領(lǐng)域普遍應(yīng)用，掃雷機(jī)組也普遍采用此種電源［1］。其他場合的適用性需要結(jié)合具體技術(shù)要求分析、試驗和判斷。其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）功率大。可提供上千安培的沖擊電流，幾兆瓦的功率，能滿足大型脈沖能源的需要。

（2）電流控制方便。可準(zhǔn)確控制脈沖電源的輸出電流，能控制方向、大小、沖擊速度等，參數(shù)控制易于實現(xiàn)，能滿足特定電流要求下的特殊用途。

（3）配套成熟。主要由柴油機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、飛輪等構(gòu)成，現(xiàn)有條件下容易實現(xiàn)。

1 設(shè)計方案

1.1 功 能

機(jī)組式脈沖電源用來產(chǎn)生和控制高達(dá)數(shù)千安培的電流輸出。可任意改變電流的大小和方向，通過勵磁參數(shù)的設(shè)計可以實現(xiàn)控制電流的上升和下降趨勢。能夠按照要求的規(guī)律進(jìn)行通電和斷電模式的控制。

1.2 組 成

機(jī)組式脈沖電源主要包括兩部分：一是機(jī)組部分，主要包含柴油機(jī)、離合器、聯(lián)軸器、飛輪和盤車機(jī)構(gòu)、直流發(fā)電機(jī)和其他輔助的軸系及潤滑系統(tǒng)。另一部分是控制部分，主要包括電源、勵磁系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2.1 機(jī)組部分

機(jī)組部分示意圖如圖1所示。

1.2.1.1 主 機(jī)

采用柴油機(jī)搭配合適的增壓器和調(diào)速器，提供初始能量，是整個機(jī)組的基礎(chǔ)。

1.2.1.2 飛輪和盤車裝置

在設(shè)計中考慮到飛輪大轉(zhuǎn)動慣量的特點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，通過飛輪儲存和釋放能量的方式提高瞬間脈沖電源的強(qiáng)度和功率。對飛輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要針對寬徑比的確定，并且要很好地控制飛輪外圓的線速度以及飛輪質(zhì)量。

可以利用Ansys有限元分析軟件對飛輪的強(qiáng)度進(jìn)行校核。飛輪采用法蘭型式和飛輪軸相聯(lián)結(jié)，采用小過盈短止口定位。飛輪外圈留有用于動平衡去重的預(yù)鉆孔。 飛輪外圈一側(cè)鑲有一個齒圈，配合盤車機(jī)構(gòu)完成盤車功能；正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，盤車裝置和齒圈脫開。

1.2.1.3 直流發(fā)電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)用來提供脈沖電流，其總體布局、冷卻風(fēng)路、定子、轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)、出線等很重要。在大電流脈沖面前，重點(diǎn)考慮發(fā)電機(jī)的通風(fēng)、散熱、換向能力和絕緣性能。

1.2.2 控制部分

控制系統(tǒng)提供自動化的管理、控制、監(jiān)視和保護(hù)，按照控制功能的側(cè)重點(diǎn)不同劃分為如下四部分：

1.2.2.1 電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供所需的各種電源。即控制系統(tǒng)用電來自船舶電站，然后由本系統(tǒng)的電源系統(tǒng)生成所需的各種“清潔”電源，包括AC 380 V、AC 220 V、DC 220 V、DC 24 V、DC±15 V；電源系統(tǒng)也提供AC 220 V的UPS電源。

1.2.2.2 主回路系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于構(gòu)成脈沖電源輸出的一次回路。主回路的構(gòu)造根據(jù)系統(tǒng)的工況選擇，主要包含直流發(fā)電機(jī)與輸出回路之間的自動開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、接觸器和分流器等組成。可控制和選擇輸出電流的通斷和保護(hù)，并形成監(jiān)控回路。

1.2.2.3 勵磁控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于構(gòu)成勵磁回路，完成對相應(yīng)電機(jī)的勵磁控制（參見圖2）。采用他勵方式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流獲得所需的電樞電流。可采用西門子公司的SIMOREG 直流調(diào)節(jié)裝置 6RA70來控制電機(jī)的勵磁電流。勵磁控制系統(tǒng)的回路構(gòu)造、參數(shù)給定、邏輯控制和監(jiān)視報警由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成。

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 單個電流脈沖的控制

如圖3所示，本機(jī)組式脈沖電源可以控制單個脈沖電源電流的大小、持續(xù)時間、上升時間、下降震蕩等。

2.2 多個電流脈沖的控制

如圖4所示，可以控制脈沖電源電流的規(guī)律，包括通電時間、斷電時間、變化規(guī)律等。

3 仿真分析

對機(jī)組在脈沖工況下的工作特性進(jìn)行仿真分析，以確定機(jī)組工作中的重要參數(shù)變化規(guī)律。

3.1 仿真分析原理

柴油機(jī)的工作過程涉及燃油噴射、燃料蒸發(fā)、空氣燃油混合、著火燃燒、進(jìn)排氣流動等物理與化學(xué)過程。為了對這一復(fù)雜過程進(jìn)行模擬，采用容積法（Filling and Emptying）計算模型，對渦輪增壓發(fā)動機(jī)的氣缸、排氣管、進(jìn)氣管建立質(zhì)量、能量、成分守恒微分方程；同時，為了求解瞬態(tài)過程，對發(fā)動機(jī)軸系、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子根據(jù)力學(xué)原理建立了動態(tài)模型及動力學(xué)微分方程，對電子調(diào)速器建立PID控制方程，聯(lián)立求解上述微分方程組，可以得到氣缸、排氣管、進(jìn)氣管內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量、溫度、壓力、氣體成分以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等綜合參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角或時間的變化規(guī)律。

進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況的計算對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和試算，校核程序。并通過調(diào)整確定PID方程中比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)

3.2 仿真分析結(jié)果

以一種機(jī)組目標(biāo)參考值設(shè)計，假定額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。對于單脈沖電流，開展下述方案的仿真分析。

脈沖上升時間為1.5 s，下降時間也為1.5 s，脈沖持續(xù)時間為5 s，間隔時間為10 s ，各個脈沖相同。機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速為1 024 r/min，最低轉(zhuǎn)速為943.5 r/min。工作過程柴油機(jī)主要參數(shù)見下頁圖5。

圖中：rp為對應(yīng)功率值（圖示約2 500 kW，其圖形與電流也成對應(yīng)關(guān)系）；n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min；ntk為增壓器轉(zhuǎn)速，r/min；pk為增壓壓力（1 bar=0.1 MPa）；tb為渦輪排氣溫度，℃；Tq：虛線代表最大負(fù)載扭矩，實線代表柴油機(jī)最大輸出扭矩，N·m。

對于多個脈沖電流，開展下述方案的仿真分析。

脈沖上升時間和下降時間均為1 s，保持時間為5 s，脈沖間隔時間為10 s，前10次脈沖，每次峰值衰減120 A，10次脈沖后，每次峰值衰減80 A（仿真結(jié)果見圖6）。

機(jī)組最低轉(zhuǎn)速為943 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 020 r/min，出現(xiàn)在前兩個脈沖周期。最大負(fù)載扭矩為47 453 N·m，柴油機(jī)最大輸出扭矩為36 445 N·m，出現(xiàn)在第一個脈沖周期。增壓壓力最高為0.4 MPa，渦輪前排氣瞬時最高溫度為900 ℃。發(fā)動機(jī)對負(fù)載的響應(yīng)延遲約為5 s。

3.3 系統(tǒng)慣量影響的仿真分析

降低飛輪轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行分析，將機(jī)組總的轉(zhuǎn)動慣量從15 700 kg·m2降低到10 000 kg·m2，脈沖上升和下降時間為1 s，保持時間為5 s，間隔時間仍為10 s進(jìn)行仿真分析。

總的轉(zhuǎn)動慣量降低后，機(jī)組分擔(dān)的能量部分輸出增加，轉(zhuǎn)速波動加劇。原機(jī)組最低轉(zhuǎn)速為943 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 020 r/min；降低轉(zhuǎn)動慣量后，整個過程中機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為907 r/min，最大轉(zhuǎn)速為1 033 r/min，轉(zhuǎn)速波動的標(biāo)準(zhǔn)方差27 r/min。循環(huán)中最大負(fù)載扭矩有所增加，為49 282 N·m；發(fā)動機(jī)最大輸出扭矩為36 893 N·m，也有所增加。發(fā)動機(jī)對負(fù)載的響應(yīng)延遲仍為5 s，沒有變化。發(fā)動機(jī)排溫略微升高［3］。

3.4 電子調(diào)速器調(diào)速精度影響的仿真分析

（1）仿真分析電子調(diào)速器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)對機(jī)組轉(zhuǎn)速的影響［4］，結(jié)果見表1和下頁圖7。

表1 調(diào)速器特性對瞬態(tài)過程的影響

可以看出，比例控制加強(qiáng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象減弱；積分控制加強(qiáng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)增加，但速度均值更接近1 000 r/min。微分控制加強(qiáng)，對轉(zhuǎn)速的影響較小。

（2）設(shè)定電子調(diào)速器為3～4級精度，用于多個電流脈沖開展仿真分析。

機(jī)組最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在首循環(huán)，為902 r/min；最高轉(zhuǎn)速為1 042 r/min，出現(xiàn)在前10個循環(huán)。前10個循環(huán)的最高排氣溫度為872℃～865℃，排溫超過700℃的時間約為3 s［5］。

3.5 增壓器轉(zhuǎn)子慣量影響的仿真分析

調(diào)速器精度為3～4級精度，改變渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)子慣量從0.092 4 kg·m2減小到0.05 kg·m2時，循環(huán)最低轉(zhuǎn)速為910 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 042 r/min，排氣最高溫度為846℃～ 857℃，最高溫度持續(xù)時間約為2 s。

4 試驗電流結(jié)果

4.1 單個脈沖

試驗主要驗證其波形控制程度，考核通過仿真控制的參數(shù)調(diào)整后是否能滿足單脈沖的要求（見圖8）。

4.2 多脈沖試驗電流

試驗主要驗證其多脈沖電流的控制程度，考核通過仿真控制的參數(shù)調(diào)整后是否能滿足多脈沖的控制要求（見圖9）。

5 結(jié) 論

（1）柴油機(jī)從零負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)入脈沖工作制，首個電流強(qiáng)度最大，故最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在第一個循環(huán)；而脈沖上升、下降時間以及脈沖間隔時間對轉(zhuǎn)速的波動和增壓壓力、排氣溫度的波動影響并不大。

（2）在多個電流脈沖過程中，脈沖時間間隔的不同，對第一個脈沖周期基本沒有影響，但是對后面的循環(huán)有較大影響。隨著時間間隔日益縮小，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動漸趨減小。

（3）如果不在調(diào)速器設(shè)定和增壓器選型方面采取措施，柴油機(jī)增壓壓力峰值為0.4 MPa，排氣溫度的峰值也在900℃左右。主要原因是渦輪增壓器轉(zhuǎn)速相對于油量變化滯后，導(dǎo)致噴油量增加后，增壓壓力沒有及時增加，使燃燒過量空氣系數(shù)偏低，導(dǎo)致燃燒溫度較高，但這種高排溫是瞬時性的，表觀溫度處于合理范圍［6］。

（4）隨著機(jī)組綜合慣量的減小，轉(zhuǎn)速波動加劇。

（5）電子調(diào)速器的各個參數(shù)對轉(zhuǎn)速波動有影響。比例控制加強(qiáng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象減弱；積分控制加強(qiáng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)增加；微分控制加強(qiáng)，對轉(zhuǎn)速的影響較小。

（6）電子調(diào)速器精度降低后，轉(zhuǎn)速波動率增大。排氣最高溫度降低；但每個脈沖周期排氣溫度高于700℃的時間仍約為3 s。

（7）渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減小后，轉(zhuǎn)速波動減小，最高排氣溫度降低，最高排氣溫度持續(xù)時間縮短。

實踐證明，機(jī)組的合理設(shè)計可滿足脈沖工況使用要求；但為了優(yōu)化機(jī)組的工作狀態(tài)，更準(zhǔn)確地控制電流脈沖波形，必須在調(diào)速器和增壓器方面開展相關(guān)適用性改進(jìn)并進(jìn)行樣機(jī)試驗。

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作者：錢曉南

出版社：上海交通大學(xué)出版社

出版時間：2017-05-01（第1版）

書號：ISBN 978-7-3131-7009-5

開本：32開 頁數(shù)：221 字?jǐn)?shù)：396千字

定價：298元

Design and control of pulse power supply unit

YANG Ming1NIU Lu2
(1. Naval Military Representative Of fi ce in Dalian, Dalian 116021,China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper discusses the design composition, the control principle and the technical characteristics of the pulse power supply unit. The current control and inf l uence of inertia are analyzed and validated based on the numerical simulation. A design method for the pulse power supply is proposed in this paper, which can provide the guidance for the practical engineering application.

direct current generator set; excitation adjustment; pulse current; numerical simulation

U665.1

A

1001-9855（2017）04-0080-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.080

2017-05-20；

2017-06-11

楊 明（1973-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣工程。牛 璐（1981-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣工程。