0 引言

    電磁發(fā)射技術(shù)是一門新概念發(fā)射技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是把電能變換成發(fā)射物體所用動(dòng)能的一類能量變換技術(shù)^[1]。脈沖電源產(chǎn)生的強(qiáng)電流可驅(qū)動(dòng)彈丸達(dá)到超高速^[2]，為了使電磁推進(jìn)的精度達(dá)到更高水平，就必須使脈沖電源系統(tǒng)的可靠性和安全性達(dá)到一定要求^[3]。因此，探究脈沖電源系統(tǒng)的輸出特性顯得尤為重要。在脈沖功率源實(shí)際放電過程中，脈沖電抗器因工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下，會(huì)受到強(qiáng)烈的電動(dòng)力沖擊，對(duì)脈沖電源系統(tǒng)中金屬器件及自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響^[4]。同時(shí)，電抗器內(nèi)部高溫可能融化其絕緣材料，導(dǎo)致部分線圈間發(fā)生短路，使電感值突變，影響電源系統(tǒng)的輸出。

    該文以100 kJ電容儲(chǔ)能脈沖功率源的PFN放電拓?fù)錇槔?，先分析電感值突變?duì)單個(gè)PFN拓?fù)漭敵鲭娏鞯挠绊?，再分析不同耦合條件下調(diào)波電感對(duì)多個(gè)PFN拓?fù)洳⒅煤筝敵龅挠绊?，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)波形作比較，探究脈沖功率源中電感對(duì)輸出特性的影響。

1 電感值突變對(duì)單PFN拓?fù)涞挠绊?/strong>

    圖1是電容儲(chǔ)能脈沖電源的單個(gè)PFN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其放電過程一般分為兩個(gè)階段：第一階段，RLC二階放電；第二階段，RL一階放電。

    脈沖成形網(wǎng)絡(luò)(Pulse Forming Network，PFN)主要由儲(chǔ)能電容C，調(diào)波電感L，高壓大功率續(xù)流硅堆D，可控硅放電開關(guān)TH及觸發(fā)裝置組成^[5]。令儲(chǔ)能電容值為C，其充電電壓為U₀，負(fù)載電阻為R，電感初始值為L(zhǎng)₀。忽略電路中存在的雜散電容和雜散電阻以及晶閘管與續(xù)流硅堆的正向?qū)▔航?，那么第一階段的放電方程可以表示為：

    其中，I為調(diào)波電感放電電流。 

    在脈沖電源實(shí)際放電過程中，調(diào)波電感可能在某一瞬間受到強(qiáng)大的電動(dòng)力沖擊而破壞結(jié)構(gòu)，使絕緣層被破壞，導(dǎo)致電感值在某一時(shí)刻發(fā)生突變，形成如下變化：

    也可能因電動(dòng)力沖擊使電感絕緣層脫落，出現(xiàn)局部短路，形成階躍變化：

    其中，k為常數(shù)，t₀是電感發(fā)生突變的時(shí)刻，δ(t)與ε(t)分別是沖激函數(shù)和階躍函數(shù)。

    聯(lián)立式(1)～式(3)或式(1)、式(2)、式(4)即可得到電感值突變時(shí)的放電方程。

    為了與100 kJ電容儲(chǔ)能脈沖功率源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，分析電感值突變對(duì)電源輸出的影響，仿真采用與實(shí)驗(yàn)相同的電路參數(shù)。仿真中所用的單個(gè)PFN拓?fù)潆娐穮?shù)如表1所示。

    假設(shè)電感值在電源放電至60 ms時(shí)突變，k取0.5。仿真波形如圖2所示。

    圖2(a)是電感值突變時(shí)的電流波形，圖2(b)是電感值突變時(shí)的電壓波形，圖3是電源正常工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。對(duì)比圖2和圖3可知，在電源正常工作時(shí)，外界因素對(duì)電感沒有太大影響，仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形十分接近。結(jié)合圖2(a)與圖2(b)可以看出，電感值在突變時(shí)產(chǎn)生極大反壓，可能破壞電路中續(xù)流硅堆等器件，對(duì)PFN放電回路造成不利影響。

    分析可知，沖激突變時(shí)間較短，電流的總體趨勢(shì)變化不大。根據(jù)電感上能量計(jì)算公式：

    在電感值發(fā)生沖激突變時(shí)，電感上的能量損耗約為6.31%。

    階躍突變后電感值突然變小，放電速度變快，輸出電流波形出現(xiàn)較大偏差，嚴(yán)重影響脈沖電源的輸出，降低發(fā)射精度。

2 電感間耦合對(duì)多PFN拓?fù)涞挠绊?/strong>

    在脈沖電磁武器中，常常將多個(gè)電源模塊共同作用得到需要的輸出。因脈沖電源系統(tǒng)的電流變化率非常大，容易在脈沖電抗器周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)，所以需要考慮各個(gè)模塊間電感的耦合問題。將三個(gè)相同的PFN拓?fù)洳⑿蟹胖?并非并聯(lián)連接，相互間除了共地外是獨(dú)立的)，選擇合適的放電時(shí)序，觀察各自的放電電流波形。

    圖4是三個(gè)PFN電路并列放置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，M1、M2、M3分別是L1與L2、L2與L3、L1與L3之間的互感。電路中其它參數(shù)設(shè)定參照表1。

    互感系數(shù)M可由以下函數(shù)表示：

    其中，N1、N2是兩線圈的匝數(shù)，ξ₁、ξ₂兩線圈的幾何結(jié)構(gòu)，x是兩線圈的相對(duì)位置，φ是線圈周圍磁介質(zhì)的性質(zhì)。在三組電路中電感的線圈相同且處在同一磁場(chǎng)環(huán)境下，互感系數(shù)M的大小主要與線圈位置有關(guān)。因三組電路并列放置，L1與L2間的距離明顯要比L1與L3間的距離小，在線圈幾何結(jié)構(gòu)相同且半徑相等的情況下，間距越小耦合系數(shù)越大^[6]，所以M1=M2>M3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)，可以大致估算出M1、M2、M3的值，M1=M2=0.5，M3=0.3。

    為了便于觀察，將三組電路的觸發(fā)時(shí)間分別設(shè)在2 ms、20 ms以及40 ms時(shí)刻，仿真波形如圖5所示。圖5(a)是三組電路中負(fù)載端的電流，圖5(b)是對(duì)應(yīng)放電過程中電感上的電壓波形。圖6是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的放電波形。

    從圖5可以看出，電感間耦合對(duì)放電電流的影響非常大。分析可知，耦合過程較為復(fù)雜：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)PFN電路被觸發(fā)時(shí)，電容開始放電，電感中有電流流過，根據(jù)奧斯特電流的磁效應(yīng)，電感線圈中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因存在法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，該磁場(chǎng)會(huì)影響周圍的線圈，從而使第二和第三個(gè)電路中的電感上產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓。在這一過程中，后兩個(gè)電路并未開始被觸發(fā)，圖5(b)中L2與L3在觸發(fā)時(shí)刻之前出現(xiàn)的電壓即為感應(yīng)電壓。

    對(duì)比圖6和圖5(a)可以看出，三組電路的放電波形趨勢(shì)大致相同，都是在放電后期電流下降速度緩慢，說明用于線圈推進(jìn)的含大電感的脈沖電源在實(shí)際放電過程中，主要受電感間耦合的影響，相對(duì)電感量發(fā)生變化，呈現(xiàn)出幾乎水平的放電曲線。

    另外，根據(jù)互感磁通鏈與自感磁通鏈的方向是否一致，耦合又分為同向耦合與反向耦合。圖5就是三組電路互相都為同向耦合時(shí)的情況。為了深入研究同向耦合與反向耦合對(duì)脈沖電源放電波形的影響，分別使三組電路中某兩組為同向耦合而另一組為反向耦合。得到的仿真波形如圖7所示。

    分析圖7可知，后兩組電路在被觸發(fā)前，電路中的電流為線圈中的感應(yīng)電流。此時(shí)，只有第一組電路的電容在放電，直到后兩組電路被依次觸發(fā)。在此過程中，如果電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與硅堆的導(dǎo)通方向相反，二極管就會(huì)被阻斷，電路中沒有電流流過，比如圖5(a)。

    對(duì)比圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，脈沖功率源有反向耦合時(shí)的電流下降速度比同向耦合時(shí)要快，反向耦合時(shí)的能量利用效率更高。在脈沖功率源不用作線圈推進(jìn)時(shí)，考慮到能量利用率，可以允許如超高速打孔、脈沖功率除塵[7]等方面的應(yīng)用場(chǎng)合采用電感反向耦合的方式。

    在脈沖功率源作其他用途時(shí)，為了減小耦合的影響，要做好各模塊間的隔離，盡量削弱脈沖功率電源電抗器側(cè)的磁場(chǎng)，為電源的多模塊化以及緊湊化發(fā)展提供技術(shù)保障^[8]。

3 結(jié)論

    建立了電感值突變的數(shù)學(xué)模型用以探討電容儲(chǔ)能脈沖電源的PFN放電特性，并構(gòu)建了一組并置的PFN放電拓?fù)鋪硌芯侩姼虚g耦合對(duì)各自放電過程的影響，得到了如下結(jié)論：(1)在脈沖電源實(shí)際放電過程中，可能出現(xiàn)電感值突變的情況，對(duì)電源系統(tǒng)輸出造成不利影響，使電磁發(fā)射精度降低。(2)對(duì)用于線圈推進(jìn)的大電感來說，電感間耦合會(huì)使各個(gè)拓?fù)渲械南鄬?duì)電感量變大，在PFN放電后期減緩電流下降速度，降低裝置發(fā)射效率。

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