基于串聯(lián)諧振的高壓充電及儲(chǔ)能裝置研究

蔣培，董理，劉新竹

（1.武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.海軍工程大學(xué) 兵器學(xué)院，湖北 武漢 430033；3.武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065）

當(dāng)傳統(tǒng)的充電電源模塊形成大功率化、集成化時(shí)，電力電子設(shè)備組群的整體功率不斷提高，為了保證電力電子設(shè)備不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不必要的沖擊，研究高輸出電壓、高能量效率儲(chǔ)能充電系統(tǒng)對(duì)高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)的提高和應(yīng)用具有十分重要的意義[1-4]。儲(chǔ)能充電系統(tǒng)作為高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源的能量存儲(chǔ)和供給單元，是高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源的核心部分[5-6]。高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源按照能量傳遞順序可以分為初級(jí)儲(chǔ)能充電系統(tǒng)、脈沖功率調(diào)制器以及負(fù)載等三大部分[7]。

1 高壓充電及儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行通過上位機(jī)控制，當(dāng)電容電壓充到25 kV時(shí)，電容同時(shí)放電能達(dá)到180 kA的電流峰值。高壓充電的主要技術(shù)參數(shù)為脈沖電流額定值＞110 kA，脈沖電流上升時(shí)間50 μs，脈沖電流半脈寬140 μs，等離子負(fù)載電阻70 mΩ左右，等離子負(fù)載注入能量112 kJ，額定充電電壓25 kV，額定放電電流180 kA，總儲(chǔ)能200 kJ，供電電源采用AC 380 V三相四線制。上位機(jī)顯示電容的充電電壓及放電電流，通過位置檢測觸發(fā)主發(fā)射級(jí)放電（外觸發(fā)），或者是通過上位機(jī)設(shè)定延時(shí)時(shí)間觸發(fā)主發(fā)射級(jí)放電（延時(shí)觸發(fā)）。控制單元與驅(qū)動(dòng)單元采用光纖通信。

圖1為系統(tǒng)控制框圖。

圖1 系統(tǒng)控制框圖Fig.1 The block diagram of system control

如圖1所示，上位機(jī)協(xié)調(diào)控制充電機(jī)和集總控制盒，充電機(jī)給注入級(jí)的儲(chǔ)能電容1充電，集總控制盒控制儲(chǔ)能電容1的放電開關(guān)，同時(shí)檢測儲(chǔ)能電容1的放電電流，并控制儲(chǔ)能電容2的放電。儲(chǔ)能電容1的放電是注入級(jí)的放電，注入級(jí)的放電主要是給電樞提供一個(gè)初始速度，當(dāng)位置傳感器檢測到電樞進(jìn)入主發(fā)射級(jí)后，集總控制單元觸發(fā)儲(chǔ)能電容2放電，以實(shí)現(xiàn)電樞在主發(fā)射級(jí)中的加速。

2 高壓充電及儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主電路參數(shù)的選擇

脈沖放電回路的簡單模型如圖2所示。其關(guān)于電感電流的微分方程為

圖2 脈沖放電回路簡化模型Fig.2 Simplified model of pulse discharge circuit

其特征方程為

由式（2）可知：

方程的解為

為求電感電流上升時(shí)間，對(duì)其求導(dǎo)數(shù)，令i′(t)=0，即

求解得：

把s1，s2代入公式得：

由于上升時(shí)間與L，R，C參數(shù)有關(guān)，通過仿真確定滿足技術(shù)指標(biāo)中tr=50 μs，twidth=140 μs，ipeak=110 kA要求的L，R，C參數(shù)。

考慮到放電過程是過阻尼，通過Saber仿真選取的參數(shù)為：1）C=950 μF（25 kV），L=3.1 μH，R=135 mΩ；2）C=1 120 μF（25 kV），L=2.7 μH，R=112 mΩ。其中，R為包含70 mΩ的負(fù)載在內(nèi)的整個(gè)電路的阻抗，仿真的前提條件是參數(shù)必須滿足過阻尼條件，即滿足式（1）。兩組參數(shù)對(duì)應(yīng)的放電波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 1）參數(shù)下的放電波形Fig.3 Discharge waveform under parameter 1）

圖4 2）參數(shù)下的放電波形Fig.4 Discharge waveform under parameter 2）

通過選取的兩組仿真參數(shù)及過阻尼的條件可知：當(dāng)選擇的電感量一定時(shí)，電容越大，需要的電阻越小；電容越小，需要的電阻越大；電感增大時(shí)，電容或電阻就要增大。當(dāng)電容量選擇比較大時(shí)，成本越高，當(dāng)電阻選擇比較大時(shí)，相應(yīng)的峰值電流越小，可能達(dá)不到所需的峰值電流要求，而且放電效率比較低。綜合考慮成本和峰值電流的要求，選取電容量C=1 120μF，L=2.7μH，R=112 mΩ作為主電路的參數(shù)。在該參數(shù)下，當(dāng)電容電壓為17 kV時(shí)，放電峰值電流為110 kA，波形如圖5所示。

圖5 選取的主電路參數(shù)下峰值電流波形Fig.5 Peak current waveform under the selected main circuit parameters

考慮到電容耐壓和電容量，實(shí)際的電容取9個(gè)125μF/25 kV的電容并聯(lián)，每個(gè)電容的放電電流為20 kA，且能承受30%的反向電壓。考慮到電感量很小，可以使用線路的雜散電感來代替。電阻取值為42 mΩ，考慮到線路電阻，實(shí)際的電阻只需30 mΩ，另考慮到并聯(lián)電容器的保護(hù)電阻及主電路上的調(diào)波電阻，實(shí)際的電阻為13個(gè)80 mΩ的電阻器通過串并聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)總電阻的要求。

2.2 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)框圖如圖6所示，充電機(jī)給電容充完電后，集總控制盒發(fā)出觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)氣體開關(guān)導(dǎo)通，電容器放電，放電電流流過電樞后產(chǎn)生推力推動(dòng)電樞產(chǎn)生一個(gè)初始速度，并錄取放電電流波形，當(dāng)位置檢測裝置檢測到電樞進(jìn)入主發(fā)射級(jí)后，集總控制盒又去觸發(fā)8 MJ的電容放電，從而使電樞在主發(fā)射級(jí)中加速。

圖6 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of charging system

充電機(jī)的設(shè)計(jì)如下：

1）充電機(jī)的充電過程通過上位機(jī)控制，當(dāng)電容電壓充到17 kV時(shí)，電容同時(shí)放電能達(dá)到110 kA的電流峰值，考慮到60 s內(nèi)充電電壓上升到25 kV，充電機(jī)的充電電流設(shè)置為500 mA。

2）通過上位機(jī)控制充電機(jī)的充電/停止，充電時(shí)，時(shí)刻檢測負(fù)載電容的充電電壓和充電電流，反饋給控制回路和保護(hù)回路，控制回路根據(jù)檢測的電壓電流值控制驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)管，同時(shí)，當(dāng)保護(hù)電路檢測到故障時(shí)，通過控制電路封鎖開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)關(guān)閉充電機(jī)。充電機(jī)電路如圖7所示。

圖7 充電機(jī)電路圖Fig.7 Circuit diagram of charger

2.2.1 變壓器選取

變壓器變比選擇1∶60，開關(guān)頻率20 kHz的高頻變壓器，磁芯選擇超微合金。

2.2.2 諧振電感、電容選擇

2.2.3 開關(guān)管的選擇

假設(shè)母線電流的波形滿足：

I(t)=Imsin(ωt)=354sin(ωt)

則通過IGBT的電流有：

耐壓選擇整流后電壓的2倍，選用400 A/1 200 V的IGBT。

2.2.4 三相整流橋的選擇

2.2.5 濾波電容的選擇

在三相不可控整流中，電容器一個(gè)充放電周期內(nèi)存貯的能量為

式中：Umax為電壓最大值；Umin為電壓最小值；P0為整流電路的平均輸出功率，本設(shè)計(jì)中P0=0.5×25=12.5 kW；fc為電源的紋波頻率，對(duì)本設(shè)計(jì)中的三相全橋整流，fc=300 Hz。

由式（8）得：

若采用電壓紋波ΔUc百分比表示，即

則電容C為

按電容電壓波動(dòng)5%計(jì)算，代入式（10）數(shù)值，則C=2 890μF，考慮到實(shí)際中的電容耐壓，采用6 800μF/400V的電容2并2串形成6800μF的電容。

2.3 放電開關(guān)設(shè)計(jì)

為了提高觸發(fā)可靠性，工程上要求觸發(fā)裝置的輸出電壓幅值高、上升前沿陡。由于能源模塊的放電回路阻抗很低，如果直接將觸發(fā)電壓加到電路中，觸發(fā)裝置的輸出能量有可能通過阻值較低的負(fù)載阻抗很快泄放，加在主放電開關(guān)上的觸發(fā)電壓和電流將不能滿足開關(guān)觸發(fā)的需求；同時(shí)過高的觸發(fā)電壓有可能損壞放電回路中的元器件。為了保證可靠觸發(fā)開關(guān)并有效保護(hù)放電回路中的元器件，要在觸發(fā)裝置和負(fù)載之間加入1個(gè)磁開關(guān)。磁開關(guān)在觸發(fā)裝置導(dǎo)通氣體開關(guān)時(shí)起隔離高壓觸發(fā)脈沖的作用，但在開關(guān)導(dǎo)通之后的主放電過程中，相當(dāng)于短路，不對(duì)主放電脈沖的波形造成影響。

Marx發(fā)生器通過外圍控制電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓峰值達(dá)數(shù)十至上百kV，到達(dá)峰值時(shí)間≤30 ns的脈沖波形以觸發(fā)氣體開關(guān)導(dǎo)通。在氣體開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通瞬間，節(jié)點(diǎn)A為觸發(fā)高壓，由于觸發(fā)脈沖的伏秒數(shù)較小，磁開關(guān)此刻相當(dāng)于斷路，表現(xiàn)為高阻抗，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間有接近觸發(fā)脈沖峰值的電位差；氣體開關(guān)導(dǎo)通之后，在主放電脈沖（主放電脈沖的伏秒數(shù)較大）的作用下，磁開關(guān)要在較短的時(shí)間內(nèi)（μs級(jí)）達(dá)到飽和，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間電位差接近為0，保證主電容器組儲(chǔ)存能量釋放到負(fù)載器件上。主放電完成后，磁開關(guān)又恢復(fù)到非飽和狀態(tài)。設(shè)計(jì)的氣體開關(guān)原理圖框如圖8所示。

圖8 氣體開關(guān)框圖Fig.8 The block diagram of gas switch

2.4 位置檢測設(shè)計(jì)

對(duì)射式光電傳感器的原理圖如圖9所示，出射光束照到對(duì)面接收光探頭中，接收光探頭中的光敏元件接收到光通量后產(chǎn)生電壓信號(hào)。電樞按圖示方向飛行，當(dāng)電樞從頭部開始阻斷光束時(shí)，接收光探頭中的光通量逐漸減少；當(dāng)電樞完全阻斷光束時(shí)，光通量為最小值；當(dāng)電樞尾部逐漸離開光束時(shí)，光通量又逐漸增多直至恢復(fù)到初始水平。反映到光敏元件的輸出端，所得到就是一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波、放大、整形后就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，該方波信號(hào)就是位置檢測的輸出信號(hào)，通過該信號(hào)，去觸發(fā)主發(fā)射級(jí)的電容器2放電。

圖9 對(duì)射式光電傳感器原理圖Fig.9 Principle diagram of photoelectronic sensor

3 性能測試

3.1 充電測試

在原有電路基礎(chǔ)上，把分壓器接入到充電電容的兩端，把羅氏線圈接入放電回路中，測量充電電壓和電路的放電電流。

額定充電電壓為25 kV；按圖6進(jìn)行測試接線，務(wù)必要可靠接地；整機(jī)上電，同時(shí)打開空壓機(jī)，檢查充電機(jī)的通訊、集總控制盒的通訊及氣路控制盒的通訊是否正常；待空壓機(jī)氣壓穩(wěn)定且各設(shè)備通訊正常后，對(duì)各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)氣路控制盒，設(shè)置氣壓為1 300 hpa；對(duì)集總控制盒，設(shè)置觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)；對(duì)充電機(jī)，設(shè)置充電電壓為5 kV，充電電流500 mA；各設(shè)備設(shè)置完成后，給電容器充電，此時(shí)斷開充電機(jī)的泄能開關(guān)，并合上接觸器；合上接觸器6 s后，點(diǎn)擊上位機(jī)界面的“啟動(dòng)充電”按鈕；充電過程中，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示充電電壓和充電電流值，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值后，充電機(jī)的接觸器自動(dòng)斷開，此時(shí)讀取分壓器的讀數(shù)，點(diǎn)擊“觸發(fā)預(yù)備”按鈕，等待充電電容放電；此時(shí)電容器放電，羅氏線圈捕獲的放電電流波形在示波器上顯示；測試示波器上的電流峰值；閉合泄能開關(guān)，并把接地棒搭在電容器高壓端，泄掉電容上可能的殘壓；高壓充電及儲(chǔ)能裝置如圖10所示。重復(fù)上述步驟，分別設(shè)置充電電壓為10 kV，15 kV，20 kV，25 kV進(jìn)行充電，并放電，每隔10 min充放電一次，充電電壓及放電電流記錄表2所示。

圖10 高壓充電及儲(chǔ)能裝置Fig.10 High voltage charging and energy storage device

表2 充電電壓及放電電流記錄表Tab.2 Charge voltage and discharge current recording

3.2 放電電流波形測試

測試使用的羅氏線圈規(guī)格為CWT600B，最大測量電流為120 kA，變比50 mV/1 kA，為了能測量180 kA的電流，只測量實(shí)際電流的50%，然后折算出總電流。

圖11為充電電壓10 kV時(shí)的放電電流波形，橫坐標(biāo)為100μs/格；縱坐標(biāo)為500 mV對(duì)應(yīng)電流10 kA/格；圖12為充電電壓15 kV時(shí)的放電電流波形，橫坐標(biāo)為100μs/格；縱坐標(biāo)為1 V對(duì)應(yīng)電流10 kA/格；圖13為充電電壓20 kV時(shí)的放電電流波形，橫坐標(biāo)為100μs/格；縱坐標(biāo)為1 V對(duì)應(yīng)電流10 kA/格；圖14為充電電壓25 kV時(shí)的放電電流波形，橫坐標(biāo)均為100μs/格；縱坐標(biāo)均為1 V對(duì)應(yīng)電流10 kA/格。

圖11 充電電壓10 kV時(shí)的放電電流波形Fig.11 Discharge current waveform at charging voltage of 10 kV

圖12 充電電壓15 kV時(shí)的放電電流波形Fig.12 Discharge current waveform at charging voltage of 15 kV

圖13 充電電壓20 kV時(shí)的放電電流波形Fig.13 Discharge current waveform at charging voltage of 20 kV

圖14 充電電壓25 kV時(shí)的放電電流波形Fig.14 Discharge current waveform at charging voltage of 25 kV

通過對(duì)高壓充電及儲(chǔ)能裝置進(jìn)行外觀檢查、物理特性檢查、主電路參數(shù)檢測、輸出電壓穩(wěn)定度檢測及重復(fù)精度檢測等測試過程，充電儲(chǔ)能裝置外觀完好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，通信正常，上位機(jī)界面能實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的狀態(tài)，額定充電電壓為25 kV，額定放電電流可達(dá)180 kA，工作良好，散熱正常。

4 結(jié)論

研制的基于諧振脈沖技術(shù)的高壓充電及儲(chǔ)能裝置，具有高電壓、高能量效率輸出的特點(diǎn)，充電精度為5‰。實(shí)驗(yàn)表明該電源能高精度、高穩(wěn)定性輸出達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為高壓充電及儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)研究提供實(shí)踐依據(jù)。