火炮隨動系統的電壓泵升及泄放分析

張 浩，郭 婧，李長紅

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火炮電氣隨動系統具有體積小、控制靈活的優點，例如采用永磁同步電機驅動的火炮隨動系統[1]，對于這類的隨動系統，設有專門的供電與配電裝置，如采用發電機供電或蓄電瓶供電或車外電源供電。在隨動系統工作的時候，電壓泵升使電源電壓波動，可導致該電源上的其他設備工作異常，嚴重時可導致元器件的損壞。因此，筆者針對電壓泵升的機理進行詳細研究[2]，對不同的泄放參數進行仿真，可用于指導實際系統設計。

1 電壓泵升機理

對于某火炮隨動系統的高低系統，設定其額定工作電壓，忽略動力回路所有導線的電阻及電機內阻，忽略功率器件的開關損耗，并假定高低系統在最高速制動至零速的時間相同，當高低系統運轉時電機輸出功率為[3]

PM=MHωH，

(1)

式中：MH為高低電機輸出的電磁轉矩；ωH為高低電機的轉速。

系統的儲能為

(2)

式中：U為當前的母線電壓；C為伺服系統及供電單元中的總電容。

當高低系統制動時，產生機械能向電能的轉換過程，即能量回饋。高低系統制動時，根據能量的轉換關系有

(3)

將式(1)和(2)代入到式(3)，有

(4)

若高低電機最高轉速為ωHmax=4 000 r/min=419 rad/s，輸出最大轉矩為MHmax=26.146 N·m，設高低電機從最高轉速制動為零速時的時間為0.2 s，則有

(5)

將參數帶入式(4)，當t<0.2 s時，有

(6)

對式(6)兩邊積分，求解得

(7)

式中，U0為制動前的母線電壓。

額定電壓U0=Udc，設Udc=56 V，當C=19 200 μF和C=33 000 μF時，制動電壓泵升曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，系統在制動時產生大量的電能[4]，使母線電壓迅速升高，這時若不采取措施，將擊穿電容或損壞功率器件。

解決能量泵升的方法之一是加入泄放電路，當母線電壓泵升超過一定電壓時，將該電阻接入母線回路中，將多余的能量以電阻發熱的形式消耗掉，該電阻亦被稱為再生制動電阻。設泄放點為U∑，對應t∑時刻，則有

(8)

將(8)式代入前面給出的具體參數，有

(9)

U∑和對應的t∑時刻滿足(7)式，有

(10)

當U0=56 V，解得

(11)

令τ=t-t∑，當τ≥0時，系統開始產生泄放動作，這時根據式(9)及t=τ+t∑，有

(12)

式(12)的初始條件為τ=0時，U=U∑.因此有

(13)

令

(14)

則式(12)的實現框圖如圖2所示，圖中積分器的初始值為U∑.

2 仿真研究

采用MATLAB/SIMULINK對上面的推導進行了仿真研究[5]，根據式(12)及圖2，當泄放電阻R=2 Ω、C=19 200 μF、泄放點U∑=67 V時的SIMULINK仿真框圖[6]如圖3所示。

圖4～7給出了不同泄放點、電阻、電容情況下，系統制動時電壓泵升與泄放的電壓波形。

從該仿真曲線可以看出，在電容與泄放電阻一定的情況下，泄放點的選擇對泄放電壓曲線的最大值影響不大；減小泄放電阻可有效提高泄放能力，抑制母線電壓的泵升；增大母線電容，對抑制母線電壓的泵升有一定的效果。

3 結束語

筆者對隨動系統的電壓泵升與泄放的機理進行了詳細的研究，建立的仿真模型，針對泄放點、母線電容及泄放電阻對泄放時電壓曲線的影響進行仿真研究，泄放點的選取對泄放時母線電壓最大值影響較小，增大母線電容可降低泄放時母線電壓的最大值，選取小阻值的泄放電阻可有效提高泄放能力。