CN111412785A - 一种基于rsd的电磁炮消弧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RSD的电磁炮消弧装置,属于电磁发射领域。该装置与电磁轨道炮装置上的电枢并联,其中,触发开关驱动模块和复位电路驱动模块在接收到控制信号时,分别驱动RSD触发电路和磁开关复位电路工作;RSD触发电路工作时触发RSD开通;磁开关复位电路用于帮助磁开关在工作之前实现磁复位;在触发RSD时,磁开关将RSD与外部电压隔离开来避免RSD被损坏;控制RSD的开通可以控制电枢上的电流转移。RSD开关器件属于半导体器件,其工作稳定,电流耐受能力强,可承受电流峰值高达上百kA,可承受的电流上升速率为数百kA/μs,导通阻抗低,因此本发明装置具有使用寿命长、转移电流速度快等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁发射技术领域,更具体地,涉及一种基于RSD(反向开关晶体管,reversely switched dynistor)的电磁炮消弧装置。
背景技术
电磁发射技术利用电磁能将物体推进到高速或超高速,是机械能发射、化学能发射之后的一次发射方式的革命,它通过将电磁能变换为发射所需的瞬时动能,可在短距离内实现将克级至几十吨级负载加速至高速,突破传统发射方式的速度和能量极限,是未来发射方式的必然选择。电磁发射装置主要由电磁轨道炮、电磁线圈炮、电磁重接炮等构成。其中,电磁轨道炮由两条平行连接着大电流的固定轨道和一个与轨道保持良好的电接触、能够沿着轨道轴线方向滑动的电枢组成。当接通电源时,电流沿着一条轨道流经电枢,再由另一条轨道流回,从而构成闭合回路。当大电流流经两平行轨道时,在两轨道之间产生强磁场,这个磁场与流经电枢的电流相互作用,产生高磁力,推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿着轨道加速运动,从而获得高速度。
电磁轨道炮的发射过程可以视为轨道、电枢、轨道电接触的过程。对电枢轨道系统而言,电枢未装填之前无电接触,电枢装填到位待发射为固定电接触,发射过程中,脉冲电流达到启动电流前,电枢轨道相对固定不动,达到启动电流之后,电枢相对轨道开始滑动,当电枢离开轨道时,由于仍有一部分能量未被使用,因此容易产生电枢出炮口还残留较大脉冲电流,必然在炮口产生炮口弧。电枢的动能的获得与电弧没有关系,因此电弧的产生不对发射系统做出贡献,同时由于炮口电弧的高温冲刷特性使轨道炮口处产生高温烧蚀,容易影响炮口的使用寿命,产生的炮口电弧会减小电枢出膛速度,降低发射效率,影响发射精度,且由于电弧均不是轴对称,从而影响电磁发射指向。
目前炮口消弧的方法主要有外电阻消弧法和内电阻消弧法。内电阻法主要控制开关器件,在电枢即将出膛时,将电枢上的电流迅速的转移掉,从而在电枢离开炮口时,电枢上面没有能量剩余以避免炮口电弧的产生。目前,由于气体开关具有电流容量大,耐电流上升速率高等优点,国内电磁炮的消弧开关主要使用气体开关,但是气体开关工作不稳定,寿命短,且通态阻抗较大,限制了电磁炮的使用寿命,且大的通态压降难以转移掉电枢上的大部分电流,电枢上剩余电流仍旧较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其目的在于解决现有气体消弧开关存在阻抗较大、工作不稳定且寿命低等问题,造成电磁炮的使用寿命受限,且大的通态压降难以转移电枢上的大部分电流的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于RSD的电磁炮消弧装置,该装置与电磁轨道炮装置上的电枢并联,具体包括:反向开关晶体管RSD、RSD触发电路、触发开关驱动模块、磁开关MS、磁开关复位电路、复位电路驱动模块和控制信号模块;
控制信号模块,用于根据电磁轨道炮的工作情况,发出控制信号控制RSD的触发和磁开关的复位;
触发开关驱动模块,用于在接收到控制信号时,触发开通RSD触发电路中的触发开关,使RSD触发电路进入工作状态;
复位电路驱动模块,用于在接收到控制信号时,驱动磁开关复位电路进入工作状态;
所述磁开关复位电路,用于在每次磁开关开始工作之前,将磁环的磁感应强度复位到初始状态;
RSD触发电路,在接收到触发开关驱动模块发出的驱动信号后,触发反向开关晶体管RSD正向导通;
所述磁开关MS,用于在RSD触发电路工作时,将反向开关晶体管RSD与电枢上的电压隔离,保证反向开关晶体管RSD正常开通;
所述反向开关晶体管RSD,用于在正向导通时转移电枢上的电流,避免电枢与轨道分离时产生电弧。
进一步地,当单个反向开关晶体管RSD的通流能力满足电枢需要转移的电流时,该装置采用一个反向开关晶体管RSD;当单个反向开关晶体管RSD的通流能力无法满足电枢需要转移的电流时,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构;当单个反向开关晶体管RSD无法满足耐压要求时,采用多个同型号且相互串联的反向开关晶体管RSD。
进一步地,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构时,各个反向开关晶体管RSD所在支路的路径之间保证对称。
进一步地,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构时,各个触发电路路径之间保证对称。
进一步地,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构时,多个磁开关都绕在同一磁芯上。
进一步地,上述触发电路为谐振式触发电路。
进一步地,上述RSD触发电路中的触发开关为IGBT、晶闸管、RBDT或RSD。
进一步地,RSD触发电路中的触发开关为单个开关器件,或由多个同型号开关器件串联、并联或串并联结合组成。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果。
本发明将RSD应用于电磁炮消弧开关装置上具有几大优势:
1)RSD电流容量很大,且在流通较大电流之时,导通电阻较小,因此可以转移掉电枢上的大部分电流;
2)RSD可承受的电流上升速率为上百kA/μs,同时由于电枢在工作之时两端电压只有几百伏,因此磁开关的体积较小,从而饱和电感较小,有利于消弧开关装置快速的转移掉电枢上的电流;
3)RSD与磁开关工作稳定,同时使用寿命较长,可以显著提高电磁炮的工作寿命。
附图说明
图1是电磁炮消弧开关装置工作示意图;
图2是本发明提供的使用单个RSD的电磁炮消弧装置结构示意图;
图3是本发明提供的使用单个RSD,触发电路为谐振式触发电路的电磁炮消弧装置结构示意图;
图4是本发明提供的磁开关及其复位电路示意图;
图5是本发明提供的一种由3个RSD与磁开关串联单元并联而成的电磁炮消弧开关装置电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的电磁炮消弧开关装置工作示意图,如图1所示,脉冲电流源与两个轨道、电枢形成闭合回路,消弧开关装置与电枢成并联的关系,工作时各个部件中的电流方向如箭头所示。电磁炮消弧开关装置的工作原理如下:初始时刻,消弧开关装置处于断开的状态,脉冲电流源、两个轨道与电枢之间形成闭合回路,这个期间,电枢往前运动,当电枢距离轨道终端达到一定的距离时,消弧开关装置切换为导通状态,由于消弧开关装置导通时阻抗远小于电枢的等效阻抗,因此电枢上的电流迅速转移到消弧开关装置上,在电枢将要离开轨道终端的时刻,电枢上电流几乎全部转移到消弧开关装置上,因此电枢与轨道分离时,将不会有电弧产生。
本发明实施例提供的使用单个RSD,触发电路为谐振式触发电路的电磁炮消弧装置结构示意图,如图2所示,包括:反向开关晶体管RSD S1、RSD触发电路、触发开关驱动模块、磁开关MS、磁开关复位电路、复位电路驱动模块和控制信号模块;本发明实施例中RSD触发电路由电容C1、电感L1、电阻R1、开关器件Q构成,如图3所示,开关器件Q便为RSD触发电路中的触发开关;控制信号模块,用于根据电磁轨道炮的工作情况,例如电枢的位置和电枢上电流大小,发出控制信号;触发开关驱动模块,用于在接收到控制信号时,驱动RSD触发电路进入工作状态;复位电路驱动模块,用于在接收到控制信号时,驱动磁开关复位电路进入工作状态;在工作状态时,磁开关复位电路,用于在每次磁开关开始工作之前,将磁环的磁感应强度复位到初始状态;在工作状态时,RSD触发电路中的开关器件Q处于导通状态,RSD触发电路在形成一个电流脉冲,该电路脉冲反向流过RSD,以此触发反向开关晶体管RSD正向导通;磁开关,用于辅助开通RSD,具体为,在RSD触发电路工作时,将反向开关晶体管RSD与电枢上的电压隔离,避免RSD在触发开通之前就承受正向电压而导致损坏,保证反向开关晶体管RSD正常开通;
该装置的一个完整工作过程如下:在该装置工作的初始时刻,在电枢电压的作用下,C1具有一定的初始电压;在电枢到达轨道某一位置时,控制信号首先给复位电路驱动模块一个控制信号,之后复位电路驱动模块输出一个驱动信号驱动复位电路工作,使磁开关的磁感应强度复位到初始状态,之后控制信号模块发送一个控制信号到触发开关驱动模块,该触发开关驱动模块输出一个驱动信号驱动开关器件Q开通,C1通过L1、R1和Q放电,C1上的能量转移到L1上,之后L1上能量通过R1、Q和S1释放,形成一个电流脉冲反向流过RSD,在RSD反向流过电流时,磁开关MS承受来自外部的电压,在RSD被触发开通后,磁开关MS进入饱和状态,之后电枢上的电流通过磁开关MS、RSD进行转移。
本发明实施例提供的磁开关及其复位电路示意图如图4所示,磁开关及其复位电路由电路接线端AB、磁环、复位绕组、直流电源DC、电阻R1、电感L1、开关T1和电容C1组成;复位电路中各个元件的连接关系如下:R1与DC串联,串联形成的支路与C1并联,L1与该并联路径串联,同时与复位绕组、开关T1串联形成闭合回路,L1用于隔离复位绕组从磁开关耦合出来的高压,保护复位电源,电容用于稳定复位电流。磁开关利用磁环饱和前后电感具有较大的差异实现导通与阻断状态的转换,当磁开关处于未饱和状态时,磁开关的等效电感约为几mH,这在电路中相当于开路状态;当磁开关达到饱和条件时,磁开关的等效电感会立即由几mH降低为几μH,这在电路中相当于短路状态。每次磁开关工作之后,磁开关的磁感应强度无法自己恢复至初始状态,因此需要磁开关复位电路将其磁开关的磁感应强度恢复到初始状态,这可以减小磁开关的体积。在本发明的实施中,磁开关的复位电路还可以使用其他的类型的复位电路,并不受限于该实例中的复位电路。
本发明提供的一种由3个RSD与磁开关串联单元并联而成的电磁炮消弧开关装置电路的主要部分电路,如图5所示,各个RSD具有独立的触发电路,且各个触发电路形式相同,均为谐振式触发电路。为了保证这3个RSD同时被触发开通,各个触发电路需要保证在参数和结构上完全相同,且触发电路都使用同一个触发开关Q。三个磁开关都要绕在同一个磁芯上,目的是保证这三个磁开关同时进入饱和状态,同时磁芯只需要使用一个复位电路。整个装置电路的的工作过程与上个实例所介绍的工作过程基本相同,因此不再做介绍。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,该装置与电磁轨道炮装置上的电枢并联,具体包括:反向开关晶体管RSD、RSD触发电路、触发开关驱动模块、磁开关MS、磁开关复位电路、复位电路驱动模块和控制信号模块;
控制信号模块,用于根据电磁轨道炮的工作情况,发出控制信号控制RSD的触发和磁开关的复位;
触发开关驱动模块,用于在接收到控制信号时,触发开通RSD触发电路中的触发开关,使RSD触发电路进入工作状态;
复位电路驱动模块,用于在接收到控制信号时,驱动磁开关复位电路进入工作状态;
所述磁开关复位电路,用于在每次磁开关开始工作之前,将磁环的磁感应强度复位到初始状态;
RSD触发电路,在接收到触发开关驱动模块发出的驱动信号后,触发反向开关晶体管RSD正向导通;
所述磁开关,用于在RSD触发电路工作时,将反向开关晶体管RSD与电枢上的电压隔离,保证反向开关晶体管RSD正常开通;
所述反向开关晶体管RSD,用于在正向导通时转移电枢上的电流,避免电枢与轨道分离时产生电弧。
2.根据权利要求1所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,当单个反向开关晶体管RSD的通流能力满足电枢需要转移的电流时,该装置采用一个反向开关晶体管RSD;当单个反向开关晶体管RSD的通流能力无法满足电枢需要转移的电流时,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构;当单个反向开关晶体管RSD无法满足耐压要求时,采用多个同型号且相互串联的反向开关晶体管RSD。
3.根据权利要求2所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构,各个反向开关晶体管RSD所在支路的路径之间保证对称。
4.根据权利要求3所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构时,各个RSD触发电路路径之间保证对称。
5.根据权利要求3所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,采用由多个反向开关晶体管RSD与磁开关串联单元组成的并联结构时,这多个串联单元中的磁开关都绕在同一个磁芯上。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,所述触发电路为谐振式触发电路。
7.根据权利要求6所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,RSD触发电路中的触发开关为IGBT、晶闸管、RBDT或RSD。
8.根据权利要求7所述的一种基于RSD的电磁炮消弧装置,其特征在于,RSD触发电路中的触发开关为单个开关器件,或由多个同型号开关器件串联、并联或串并联结合组成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liang Lin Inventor after: Qing Zhengheng Inventor after: Pi Yicheng Inventor before: Liang Lin Inventor before: Pi Yicheng |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200714 |