機組式脈沖電源的設計與控制方法

楊 明牛 璐

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

機組式脈沖電源的設計與控制方法

楊 明1牛 璐2

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

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

直流發電機組；勵磁調節；脈沖電流；數值仿真

引 言

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

機組式脈沖電源目前在消磁領域普遍應用，掃雷機組也普遍采用此種電源［1］。其他場合的適用性需要結合具體技術要求分析、試驗和判斷。其主要有以下優點：

（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，參數控制易于實現，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、直流發電機、飛輪等構成，現有條件下容易實現。

1 設計方案

1.1 功 能

機組式脈沖電源用來產生和控制高達數千安培的電流輸出。可任意改變電流的大小和方向，通過勵磁參數的設計可以實現控制電流的上升和下降趨勢。能夠按照要求的規律進行通電和斷電模式的控制。

1.2 組 成

機組式脈沖電源主要包括兩部分：一是機組部分，主要包含柴油機、離合器、聯軸器、飛輪和盤車機構、直流發電機和其他輔助的軸系及潤滑系統。另一部分是控制部分，主要包括電源、勵磁系統和監控系統。

1.2.1 機組部分

機組部分示意圖如圖1所示。

1.2.1.1 主 機

采用柴油機搭配合適的增壓器和調速器，提供初始能量，是整個機組的基礎。

1.2.1.2 飛輪和盤車裝置

在設計中考慮到飛輪大轉動慣量的特點，進行設計優化，通過飛輪儲存和釋放能量的方式提高瞬間脈沖電源的強度和功率。對飛輪的結構優化設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量。

可以利用Ansys有限元分析軟件對飛輪的強度進行校核。飛輪采用法蘭型式和飛輪軸相聯結，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鉆孔。 飛輪外圈一側鑲有一個齒圈，配合盤車機構完成盤車功能；正常運轉時，盤車裝置和齒圈脫開。

1.2.1.3 直流發電機

直流發電機用來提供脈沖電流，其總體布局、冷卻風路、定子、轉子的基本結構、出線等很重要。在大電流脈沖面前，重點考慮發電機的通風、散熱、換向能力和絕緣性能。

1.2.2 控制部分

控制系統提供自動化的管理、控制、監視和保護，按照控制功能的側重點不同劃分為如下四部分：

1.2.2.1 電源系統

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

1.2.2.2 主回路系統

該系統用于構成脈沖電源輸出的一次回路。主回路的構造根據系統的工況選擇，主要包含直流發電機與輸出回路之間的自動開關、負荷開關、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，并形成監控回路。

1.2.2.3 勵磁控制系統

該系統用于構成勵磁回路，完成對相應電機的勵磁控制（參見圖2）。采用他勵方式，通過調節發電機的勵磁電流獲得所需的電樞電流。可采用西門子公司的SIMOREG 直流調節裝置 6RA70來控制電機的勵磁電流。勵磁控制系統的回路構造、參數給定、邏輯控制和監視報警由計算機監控系統完成。

2 主要技術特點

2.1 單個電流脈沖的控制

如圖3所示，本機組式脈沖電源可以控制單個脈沖電源電流的大小、持續時間、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律，包括通電時間、斷電時間、變化規律等。

3 仿真分析

對機組在脈沖工況下的工作特性進行仿真分析，以確定機組工作中的重要參數變化規律。

3.1 仿真分析原理

柴油機的工作過程涉及燃油噴射、燃料蒸發、空氣燃油混合、著火燃燒、進排氣流動等物理與化學過程。為了對這一復雜過程進行模擬，采用容積法（Filling and Emptying）計算模型，對渦輪增壓發動機的氣缸、排氣管、進氣管建立質量、能量、成分守恒微分方程；同時，為了求解瞬態過程，對發動機軸系、渦輪增壓器轉子根據力學原理建立了動態模型及動力學微分方程，對電子調速器建立PID控制方程，聯立求解上述微分方程組，可以得到氣缸、排氣管、進氣管內的工質質量、溫度、壓力、氣體成分以及發動機轉速、扭矩等綜合參數隨曲軸轉角或時間的變化規律。

進行穩態工況的計算對相關參數進行標定和試算，校核程序。并通過調整確定PID方程中比例系數KP、積分系數KI和微分系數

3.2 仿真分析結果

以一種機組目標參考值設計，假定額定轉速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，脈沖持續時間為5 s，間隔時間為10 s ，各個脈沖相同。機組的最高轉速為1 024 r/min，最低轉速為943.5 r/min。工作過程柴油機主要參數見下頁圖5。

圖中：rp為對應功率值（圖示約2 500 kW，其圖形與電流也成對應關系）；n為機組轉速，r/min；ntk為增壓器轉速，r/min；pk為增壓壓力（1 bar=0.1 MPa）；tb為渦輪排氣溫度，℃；Tq：虛線代表最大負載扭矩，實線代表柴油機最大輸出扭矩，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（仿真結果見圖6）。

機組最低轉速為943 r/min，最高轉速為1 020 r/min，出現在前兩個脈沖周期。最大負載扭矩為47 453 N·m，柴油機最大輸出扭矩為36 445 N·m，出現在第一個脈沖周期。增壓壓力最高為0.4 MPa，渦輪前排氣瞬時最高溫度為900 ℃。發動機對負載的響應延遲約為5 s。

3.3 系統慣量影響的仿真分析

降低飛輪轉動慣量進行分析，將機組總的轉動慣量從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進行仿真分析。

總的轉動慣量降低后，機組分擔的能量部分輸出增加，轉速波動加劇。原機組最低轉速為943 r/min，最高轉速為1 020 r/min；降低轉動慣量后，整個過程中機組最小轉速為907 r/min，最大轉速為1 033 r/min，轉速波動的標準方差27 r/min。循環中最大負載扭矩有所增加，為49 282 N·m；發動機最大輸出扭矩為36 893 N·m，也有所增加。發動機對負載的響應延遲仍為5 s，沒有變化。發動機排溫略微升高［3］。

3.4 電子調速器調速精度影響的仿真分析

（1）仿真分析電子調速器的比例系數、積分系數、微分系數對機組轉速的影響［4］，結果見表1和下頁圖7。

表1 調速器特性對瞬態過程的影響

可以看出，比例控制加強，轉速超調現象減弱；積分控制加強，轉速超調增加，但速度均值更接近1 000 r/min。微分控制加強，對轉速的影響較小。

（2）設定電子調速器為3～4級精度，用于多個電流脈沖開展仿真分析。

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

3.5 增壓器轉子慣量影響的仿真分析

調速器精度為3～4級精度，改變渦輪增壓器的轉動慣量進行仿真分析。

當增壓器轉子慣量從0.092 4 kg·m2減小到0.05 kg·m2時，循環最低轉速為910 r/min，最高轉速為1 042 r/min，排氣最高溫度為846℃～ 857℃，最高溫度持續時間約為2 s。

4 試驗電流結果

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調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調整后是否能滿足多脈沖的控制要求（見圖9）。

5 結 論

（1）柴油機從零負荷狀態進入脈沖工作制，首個電流強度最大，故最低轉速出現在第一個循環；而脈沖上升、下降時間以及脈沖間隔時間對轉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，但是對后面的循環有較大影響。隨著時間間隔日益縮小，柴油機的轉速波動漸趨減小。

（3）如果不在調速器設定和增壓器選型方面采取措施，柴油機增壓壓力峰值為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速相對于油量變化滯后，導致噴油量增加后，增壓壓力沒有及時增加，使燃燒過量空氣系數偏低，導致燃燒溫度較高，但這種高排溫是瞬時性的，表觀溫度處于合理范圍［6］。

（4）隨著機組綜合慣量的減小，轉速波動加劇。

（5）電子調速器的各個參數對轉速波動有影響。比例控制加強，轉速超調現象減弱；積分控制加強，轉速超調增加；微分控制加強，對轉速的影響較小。

（6）電子調速器精度降低后，轉速波動率增大。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）渦輪增壓器轉子轉動慣量減小后，轉速波動減小，最高排氣溫度降低，最高排氣溫度持續時間縮短。

實踐證明，機組的合理設計可滿足脈沖工況使用要求；但為了優化機組的工作狀態，更準確地控制電流脈沖波形，必須在調速器和增壓器方面開展相關適用性改進并進行樣機試驗。

［1］ 楊勇.掃雷用脈沖柴油發電機組研究［J］.水雷戰與艦船防護，2004（3）：35-39.

［2］ 趙同賓，陳金濤，王麗杰，等.脈沖負荷柴油發電機組仿真與試驗［J］.艦船科學技術，2010（8）：37-43.

［3］ 孫吉，周耀忠，蘇廣東.消磁脈沖電流對發電機組轉速的影響及其改進措施探討［J］.海軍工程大學學報，2008（5）：109-102.

［4］ 朱鴻.遏制削弱積分PID控制算法在船用柴油機調速系統中的應用［J］.船舶，2011（3）：59-65.

［5］ 丁東東，曾凡明，吳家明，等.消磁船主柴油發電機組系統最佳參數確定［J］.艦船科學技術，2004（6）：21-24.

［6］ 張霞云，孫偉，趙同斌，等.不同渦輪流通面積對脈沖機組瞬間特性的影響分析［J］.柴油機，2014（5）：13-15.

新書推薦

船用螺旋槳技術研究及系列圖譜

內容提要：該書第一部分包括螺旋槳的幾何形狀、槳葉剖面翼型的變化；在復雜運動狀態（變速、調速和處于不同方位角時）中，螺旋槳的流體動力狀況和相應工程技術對策；空泡現象和船后伴流場的模擬試驗和評估等。第二部分包含一些經過實驗檢驗，證明可用的新的螺旋槳系列圖譜，它們分別針對不同類型船舶所需載荷系數各異的螺旋槳。作者簡介：錢曉南，上海交通大學研究員，1959年畢業于蘇聯列寧格勒造船學院，之后一直在上海交通大學任教。20世紀80年代起，其參與了多型艦船用推進器的技術研發，如先后參與開發JQ-5-81系列鷹翅型螺旋槳、SQ-5-70低振螺旋槳、H-4-60螺旋槳、H-5-75螺旋槳等系列的研發；設計了多型艦船推進用螺旋槳及推力器，包括： 水面/水下艦艇、貨船、高速交通艇、漁船螺旋槳、可調螺距螺旋槳和導管螺旋槳。

圖書信息：

作者：錢曉南

出版社：上海交通大學出版社

出版時間：2017-05-01（第1版）

書號：ISBN 978-7-3131-7009-5

開本：32開 頁數：221 字數：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。