空心脈沖發(fā)電機(jī)的電力電子裝置設(shè)計(jì)
張世林，于克訓(xùn)，葉才勇
(華中科技大學(xué)，湖北武漢430074)
摘要：給出了空心脈沖發(fā)電機(jī)的電力電子裝置圖，分析了空心脈沖發(fā)電機(jī)的運(yùn)行模式。根據(jù)對(duì)空心脈沖發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程和放電過(guò)程仿真分析，得出該電力電子裝置不同模塊元器件的選取標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了元器件保護(hù)電路。
關(guān)鍵詞：空心脈沖發(fā)電機(jī)；自勵(lì)過(guò)程；放電過(guò)程；保護(hù)電路
中圖分類號(hào)：TM34，TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0013—03
0 引言
空心脈沖發(fā)電機(jī)是通過(guò)采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁通壓縮的方式，減小電機(jī)內(nèi)感，從而提高電機(jī)輸出電流的一種交流同步發(fā)電機(jī)。它利用電磁感應(yīng)定律和磁通壓縮原理，集能量存儲(chǔ)、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和脈沖成形三者與一體，具有“單元件”的綜合優(yōu)勢(shì)�？招拿}沖發(fā)電機(jī)是未來(lái)實(shí)戰(zhàn)化電磁炮武器系統(tǒng)的****脈沖電源[1]。
“空心”指轉(zhuǎn)子由非導(dǎo)磁材料制造，由于材料的磁導(dǎo)率接近于空氣，故而得名。德克薩斯大學(xué)電磁研究中心首先研制出用于空心脈沖發(fā)電機(jī)的電力電子裝置。本設(shè)計(jì)沖的電力電子裝置以德克薩斯大學(xué)電磁研究中心研制的電力電子裝置為樣本，本文先簡(jiǎn)單介紹該電力電子裝置結(jié)構(gòu)，再結(jié)合課題實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，分別給出裝置各個(gè)模塊的元器件的選取標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了元器件保護(hù)電路。
1電力電子裝置圖和基本設(shè)計(jì)參數(shù)
圖1是空心脈沖發(fā)電機(jī)的電力電子裝置圖。它由勵(lì)磁起勵(lì)模塊(FIM)、勵(lì)磁半控整流橋、主開(kāi)關(guān)模塊、失效安全爆炸開(kāi)斷開(kāi)關(guān)(圖中未畫(huà)出)、續(xù)流二極管等組成。
根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合有關(guān)參考文獻(xiàn)資料，制定出如表1所示的電力電子裝置設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)。  2空心脈沖發(fā)電機(jī)工作原理
2．1空心脈沖發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
空心脈沖發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和勵(lì)磁控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2．2空心脈沖發(fā)電機(jī)的運(yùn)行模式
空心脈沖發(fā)電機(jī)的在單發(fā)試驗(yàn)中，典型的詳細(xì)測(cè)試過(guò)程如下：
(1)試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行系統(tǒng)性能和試驗(yàn)時(shí)序的仿真計(jì)算。
(2)然后，將電機(jī)的參數(shù)輸入遠(yuǎn)程控制單元(Rcu)，并且下載到主控制器和點(diǎn)火與故障控制監(jiān)視器(FFcM)。Rcu通過(guò)光纖與主控制器連接。FFcM的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控空心脈沖發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。
(3)輔助系統(tǒng)上電，并進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，確保所有系統(tǒng)都能正常工作。
(4)對(duì)Rcu輸入一個(gè)轉(zhuǎn)速，使原動(dòng)機(jī)開(kāi)始將電機(jī)帶動(dòng)到程序設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，使勵(lì)磁起勵(lì)模塊(HM)開(kāi)始充電到所要求的電壓等級(jí)。
(5)FFcM檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到指定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制器發(fā)出一條指令，使所有脈沖功率系統(tǒng)中的晶閘管驅(qū)動(dòng)和失效安全爆炸開(kāi)斷開(kāi)關(guān)(EOs)模塊上電，此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的控制權(quán)交給FFcM。
(6)在監(jiān)測(cè)到所有的輸入變量達(dá)到要求后，F(xiàn)F—cM發(fā)出指令，使勵(lì)磁起勵(lì)模塊(HM)對(duì)勵(lì)磁線圈放電，并以預(yù)先計(jì)算的角度對(duì)勵(lì)磁整流橋進(jìn)行控制，使勵(lì)磁電流開(kāi)始上升。
(7)當(dāng)FFcM檢測(cè)到電流達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，勵(lì)磁整流橋與電路斷開(kāi)，進(jìn)入自動(dòng)續(xù)流模式。此時(shí)，F(xiàn)F—cM監(jiān)測(cè)與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)的光學(xué)編碼信號(hào)，等待下一個(gè)開(kāi)路電壓周期，在事先計(jì)算出來(lái)的角度，通過(guò)離合器使原動(dòng)機(jī)與電機(jī)脫離，同時(shí)觸發(fā)主開(kāi)關(guān)模塊(GSM)，開(kāi)始電磁炮的發(fā)射。
(8)炮彈在電流接近于零的時(shí)候離開(kāi)炮口。此時(shí)，GSM開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
(9)勵(lì)磁線圈中的剩余能量，通過(guò)自動(dòng)續(xù)流二極管形成回路，消耗于線路電阻中。FFcM通過(guò)靜壓傳動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)子剎車并且采集和分析數(shù)據(jù)。
(10)整個(gè)放電過(guò)程中，F(xiàn)FcM都監(jiān)視著電機(jī)、GSM和炮尾電流。一旦檢測(cè)到任何錯(cuò)誤，就觸發(fā)E0s，中止放電過(guò)程。作為冗余保護(hù)，在FFcM檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，主控系統(tǒng)也將觸發(fā)EOs。并且，即使沒(méi)有檢測(cè)到錯(cuò)誤，主控系統(tǒng)在指定的時(shí)間也會(huì)發(fā)出E0s觸發(fā)信號(hào)。
3電力電子裝置各個(gè)模塊參數(shù)計(jì)算
3.1勵(lì)磁起勵(lì)模塊(HM)的基本參數(shù)
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