CN1800772A - 具有超电容的组合直流斩波调速鱼雷推进装置 - Google Patents

Abstract

一种用于鱼雷推进的组合直流斩波调速装置，包括：两象限直流斩波器(3)，用于驱动鱼雷直流推进电机；超级电容器组(4)，用于提供鱼雷极限航速所需电能和对母线电压进行滤波；升压直流斩波器(27)，用于提升所述两象限直流斩波器和直流推进电机的供电电压；预充电装置(28)，用于限制启动时蓄电池组的放电电流，该组合直流斩波装置的升压斩波电路大幅度地提高了鱼雷直流推进系统的输出电压，增大了电机的短时输出功率，提升了鱼雷在短时间内的极限速度，在鱼雷的极限速度时，斩波器控制蓄电池组工作在恒流放电模式，有效地保证了蓄电池组的放电能力。采用本发明的鱼雷可以大范围的调速运行，其射程有较大提高。

Description

具有超电容的组合直流斩波调速鱼雷推进装置

技术领域

涉及一种鱼雷专用组合式直流斩波调速装置，它带有超电容作为储能和中间滤波装置。

背景技术

鱼雷作为现代海战一种进攻性武器之一，为了适应战争的需要，鱼雷要向高航速、远航程、破坏威力大、使用方便灵活、隐蔽性好、跟踪性好等方面发展，要获得这些优越的性能必须依靠自动化程度高的控制系统。

现有鱼雷运动系统通常采用的是恒速电气传动和小范围变速传动系统，例如下列文献所述：蔡年生，现代鱼雷动力电池技术，舰船科学技术，page58～61，2003，2，其缺点是发射以后，速度不能够调节或者是速度调节范围和精度不够，速度响应慢，降低了鱼雷的命中率，同时鱼雷的极限速度受到蓄电池组放电特性的限制，在鱼雷需要以极限速度追击目标时，突然加速会在蓄电池电路中产生大的冲击电流，使蓄电池有效放电安时数减少，在鱼雷追击目标时，因蓄电池放电容量不足而减速，造成鱼雷不能击中目标，贻误战机。

美国专利Patent No：US 6,836,097 B2，Power Supply for Pulsed Load，提出了一种装置，把蓄电池和超电容进行并联运行，在尖峰脉冲情况下由超电容提供脉冲能量，在轻负载情况下，由蓄电池供电。但是，该项专利没有涉及采用一种装置将超电容的电压升高，充分利用电容的储能来提高系统的极限功率，同时，又能充分控制蓄电池的放电电流，以保障蓄电池的放电能力。

美国专利Patent No：US 6,650,091，High current pulse generator，提出了一种装置，通过把超电容进行串并联的技术方案，由蓄电池给超电容进行供电，在尖峰脉冲情况下由超电容提供脉冲能量，在轻负载情况下，由蓄电池供电。但是，该项专利没有涉及采用一种将超电容组的整体电压升高，同时，超电容组的放电电流保持恒定，充分利用电容的储能来提高系统的极限功率的装置，与此同时，又能充分控制蓄电池本身的放电电流，以保障蓄电池的放电能力。

发明内容

针对上述已有技术所存在的缺陷，本发明所要解决的问题在于提供一种具有超电容、升压斩波电路、直流斩波调速电路组合的装置，该装置既能够在短时间内有效地提高鱼雷运行的极限速度，同时又能够防止强的暂态冲击电流引起铝-氧化银等类型的电化学蓄电池组造成的冲击，避免了蓄电池组在短时间内放电能力下降过大的问题。

为了解决上述技术问题，根据本发明，提供一种具有超电容的鱼雷组合直流斩波调速装置，包括：两象限直流斩波器，用于驱动鱼雷直流推进电机；超电容器组，用于提供鱼雷极限航速所需电能和对母线电压进行滤波；直流升压斩波电路，用于提升所述两象限直流斩波器和直流推进电机的供电电压；启动缓冲电路，用于限制启动时蓄电池组的放电电流；主电路控制单元，用于控制组合斩波器组的工作；所述的组合直流斩波调速装置，一个启动缓冲电路，连接在蓄电池组的输出端，用于限制鱼雷启动时的电路电流，一个直流升压斩波电路，连接在所述启动缓冲电路的输出端，其能够在不同的运行区域，工作在不同的状态，保障了超电容电压在特定的运行区域高出蓄电池的电压，一个超电容器组，连接在直流升压斩波器的输出端，用来预先储存鱼雷极限航速时所需的电能，一个两象限直流斩波器，连接在所述直流升压斩波电路、超电容器组的输出端，能够输出电压和电流连续可调的直流电，驱动直流电机工作，一个主电路控制单元，通过读取转速信号，超电容电压信号，电机电流信号，斩波器电流信号，经过运算，输出两路控制信号，分别去驱动所述的两象限斩波器和直流升压斩波器工作，该装置提高了鱼雷直流推进系统的输出电压，用于提高驱动鱼雷直流推进电机的功率，进而提高了鱼雷在短时间内的极限速度，在鱼雷的极限速度时，控制蓄电池组仍工作在恒流放电模式，使蓄电池的放电电流维持在一个合理的范围内。

作为本发明的一个优选方案，所述的鱼雷推进的组合直流斩波调速装置，包括超电容器组、直流电感、升压斩波开关器件、续流二极管组成直流升压斩波器，用于提升由蓄电池组提供的直流电压。

作为本发明的一个优选方案，所述的鱼雷推进的组合直流斩波调速装置，带有启动缓冲开关，启动限流电阻，当鱼雷在启动时，启动缓冲开关断开，启动限流电阻接入直流母线进行电阻限流，避免过大的冲击电流，当超电容器组预充到足够的电压值时，启动缓冲开关合闸，启动限流电阻被短接，系统进入正常工作状态，推进电机的转速给定值ω^*具有连续无级变速运行特点，该速度的给定值ω^*与转速传感器测得的实际电机转速值ω进行偏差运算得到转速偏差值，将该偏差值送入PI调节器进行运算，其运算结果是直流电流的给定值I_a1 ^*，把该电流给定值与电流传感器测得的实际直流电流值I_a1进行偏差运算得到电流偏差值，将该偏差值送入PI调节器进行运算，其输出值是直流电压的给定值U₁ ^*，再把该直流电压给定值送入PWM驱动器，其输出为直流的PWM斩波电压控制信号，用该控制信号去驱动两象限直流斩波器，就得到输出直流电流和电压均可以调节直流电，驱动直流电机。

作为本发明的一个优选方案，所述的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，包括升压斩波开关器件，在正常工作期间，升压斩波开关器件不工作，通过切换开关使PWM驱动器置为0触发状态，蓄电池组直接通过续流二极管给超电容器组和两象限直流斩波器供电，当预估随后某一阶段鱼雷需要在最高速度运行时，升压斩波开关器件开始工作，此时，切换开关使PWM驱动器置为工作状态，升压斩波开关器件的电压给定为V_DC ^*与电压传感器测得的实际电压值V_DC进行比较得到电压偏差值，把该偏差值送入PI调节器进行运算，其输出值是直流电流的给定值I_L ^*，再把该直流电流给定值与电流传感器测得的实际电流值I_L进行偏差运算，经PI调节器进行处理，其输出值是直流电压的给定值V_C ^*，把该直流电压给定值送入PWM驱动器，其输出值是直流的PWM斩波电压控制信号，用该控制信号去驱动升压斩波开关器件，就得到电流和电压均可以调节的恒定直流电，按照直流电压给定值，给超电容器组进行升压斩波充电，超电容器组在较短时间通过电压上升储存较多能量，超电容器组的电压能超出蓄电池组电压相当的比例，以保持升压斩波器的正常工作状态，两象限直流斩波器通过调整输出电压的占空比，维持鱼雷运行转速的稳定。

作为本发明的一个优选方案，所述的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，当鱼雷需要运行在极限速度状态时，两象限直流斩波器工作在电流最大稳态输出区域，升压斩波开关器件处于升压斩波状态，随着超电容器组储存的能量消耗，为补偿其端电压的下降，升压斩波开关器件的给定值由直接给定电压V_DC ^*切换为直接给定电流I_DL ^*，使升压斩波开关器件转入恒流工作状态，保障了蓄电池的恒流放电，超电容器组储存的能量使直流母线电压有波动的情况下，其值仍然要高出蓄电池组电压相当的比例，使鱼雷直流推进电机得到比蓄电池组直接供电更高的电压，既提高鱼雷的极限速度，又保证了蓄电池组的正常放电容量。

作为本发明的一个优选方案，所述的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，超电容组在电路中作为直流电压储能和滤波装置，超电容组是采用串并联连接方法的超电容器组，其单个超电容的结构为电化学电容器的其中一种，包括双电层电容器(Electric double layer capacitor)和赝电容器(Pesudocapacitor)等具有超大电容量值的电化学电容器。

采用了本发明的上述结构后，由于采用了超电容进行能量储存，可以在短时间内有效地提高鱼雷运行的极限速度；同时又能够防止强的暂态冲击电流对铝-氧化银等类型的电化学蓄电池组造成的冲击，从而有效地保障蓄电池组的放电能力，在大电流放电情况下，电池组基本放电容量保持在恒流放电的能力水平上，同时，采用超电容和升压斩波器后可以克服铝-氧化银在大电流放电时的剧烈下降特性，最高航速可以由42kn，提高到60kn。

采用本发明的组合直流斩波调速系统可以大范围的调速运行，其减速增程技术有效地延长鱼雷的射程，当以35kn减速运行时，鱼雷航程可以由原来的10000米，提高到22000米大大增加了鱼雷的航程，有效地提高了鱼雷的战斗力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，在附图中：

图1是根据本发明的具有超电容的鱼雷直流推进调速装置结构框图。

图2是根据本发明的具有超电容的鱼雷直流推进调速装置结构原理图。

图3是常规的蓄电池组不同放电率时放电电压与放电时间的关系曲线图。

图4是根据本发明的组合斩波调速装置的控制线路框图。

图5是根据本发明的组合斩波调速系统与现有鱼雷调速系统航速对比图。

图6是根据本发明的实施例的组合斩波调速装置超电容电压波形变化图。

图7是根据本发明的实施例的组合斩波调速装置母线电流波形图。

图8是根据本发明的实施例的组合斩波调速系统鱼雷电枢电流波形变化图。

图9是根据本发明的实施例的组合斩波调速系统鱼雷电枢电压波形图。

图10是根据本发明的实施例的具有超电容的组合斩波调速系统推进电机转矩图。

具体实施方式

本发明实施例采用鱼雷推进电机参数为电枢电阻R_a＝0.011Ω，电枢电感L_a＝0.0001393H，励磁绕组电阻R_f＝0.6129Ω，励磁绕组与电枢绕组之间的互感L_af＝0.00515H，超电容C＝20F。

本发明所述的组合直流斩波调速其原理是利用可关断器件IGBT的可控性，周期性地快速通、断IGBT，把直流电压斩波成一系列脉冲电压，控制脉冲的导通比实现其输出电压平均值的调节。其组合部分包括升压斩波和电流可逆斩波电路的组合，该电路的组合可以在大范围调节直流斩波器的输出电压。在正常的鱼雷运行工作状态下，超电容的输出电压U_s与鱼雷的铝-氧化银电池的电压接近，只相差续流二极管5的PN结管压降，以避免开关损耗，此时超电容输出电压为下列公式：

U_s≈E

在升压斩波工作阶段，超电容的输出电压的公式可以表示为：

$U_s=\frac{1}{1-{\mathrm{\α}}_1}E---\left(1\right)$

其中升压斩波器的占空比α₁＜1，因此，U_s＞E，

电流可逆斩波调速系统的输出电压平均值推导如下：

$U_a=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{U}_s\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{t_{\mathrm{on}}}{U}_s=\frac{t_{\mathrm{on}}}{T}{U}_s={\mathrm{\α}}_2{U}_s---\left(2\right)$

该系统可以实现鱼雷电机再生制动，把电能回馈给超电容，以提高电能的利用率和提高系统的动态性能。

式中α₂-电流可逆斩波器的导通比

${\mathrm{\α}}_2=\frac{t_{\mathrm{on}}}{T}=\frac{t_{\mathrm{on}}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}---\left(3\right)$

U_a——负载电压(V)

U_s——直流蓄电池组的电压(V)

t_on——IGBT的开通时间(s)

t_off——IGBT的关断时间(s)

T——T＝t_on+t_off                          (4)

改变导通比α₂，就可改变电机端电压平均值U_a，从而调节电枢绕组的端电压，达到调速的目的。这样，利用IGBT的理想开关S_W与续流二极管配合协同工作，就可实现直流电机的调压调速与再生制动，这种应用脉冲电压供电的调速方式，称直流斩波调速。

根据基尔霍夫定律和楞次定律可以得出鱼雷推进电机电枢和励磁绕组的动态微分方程分别如下：

电枢电压的动态微分方程：

U_a＝(ωL_af)I_f+(R_a+pL_a)I_a                       (5)

U_a＝S_WU_s                                       (6)

S_W为斩波器的开关函数，其数值为0或1，当IGBT1导通时为1，关断时为0。

U_a——电枢电压，

R_a——电枢电阻，

I_a——电枢电流，

L_a——电枢电感，

L_af——电枢与磁场绕组互感，

ω——电枢角速度，

p——微分算子，

励磁绕组电压的动态微分方程：

U_f＝(R_f+pL_f)I_f                              (7)

U_f——励磁绕组电压(V)

I_f——励磁绕组电流(A)

R_f——励磁线圈电阻(Ω)

L_f——励磁绕组电感(H)

直流电机电磁转矩的方程为：

I_e＝L_afI_fI_a                           (8)

根据电机的物理运行状态，可知电磁转矩T_ek与粘滞转矩T_vk、摩擦转矩T_fk、负载转矩T_Lk、旋转转矩 是一组平衡转矩，使电枢运行于平衡状态，所以存在以下关系：

$T_e=J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+B_m\mathrm{\ω}+T_f+T_L---\left(9\right)$

电枢的角速度可以由式子(5)积分得到

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{J}{\∫}_0^t(T_e-T_v-T_L-B_m\mathrm{\ω})\mathrm{dt}---\left(10\right)$

由此可见，从电机的动态微分方程出发，通过改变控制电机转速的直流电压变量，可以实现大范围控制直流电机转速的目的，从这一点出发，为了解决暂态冲击电流对蓄电池影响，本发明提出了一种组合直流斩波控制电路，在该电路加入具有超电容储能和滤波电路、直流斩波预充电电路、直流斩波升压充电电路、直流斩波电机调速电路，构成本发明的特征。在启动阶段直流预充电电路工作，开关断开，蓄电池通过缓冲电阻对超电容充电，减少了对于蓄电池和电容的电流冲击。在鱼雷正常航行期间，升压斩波电路不工作，以节省电池能量，而在预估需要的最高速度运行时，升压斩波电路开始工作，给超电容进行升压充电，超电容可以在较短时间通过电压上升储存较多能量。在升压斩波充电过程中，尽可能使蓄电池处于恒流放电状态。鱼雷在需要升速时，由于超电容储存有相当多的能量，同时其端电压要高于蓄电池组电压相当的比例，因此可以使鱼雷直流推进电机得到比蓄电池直接供电更高的转速，有效地提高鱼雷的极限速度，同时也不会对蓄电池产生过大的电流冲击。

参见图2，图2是根据本发明的具有超电容的鱼雷直流推进调速装置结构原理图，本装置是由超电容组4、直流电感6、升压斩波开关器件7、续流二极管5组成直流升压斩波器，由启动缓冲开关8和启动限流电阻9构成超电容4的预充电电路，超电容4的两端与两象限直流斩波器3的输入端相连。

当鱼雷启动时，启动缓冲开关8断开，启动限流电阻9接入直流母线进行电阻限流，避免过大的冲击电流，当超电容的电压值预充到足够的水平，启动缓冲开关8合闸，启动限流电阻9被短接，系统进入正常工作状态。

在鱼雷正常工作期间，升压斩波开关器件7不工作，由PWM驱动器13产生的直流PWM斩波电压控制信号，控制两象限直流斩波器3输出可以调节直流电流和电压，驱动直流推进电机2工作。

当预估随后某一阶段鱼雷需要在最高速度运行时，升压斩波开关器件7开始工作，由PWM驱动器14产生的直流PWM斩波电压控制信号，用该控制信号去驱动升压斩波开关器件7，就得到电流和电压可以调节的直流电，提高鱼雷直流推进系统的输出电压，提升鱼雷在短时间内的极限速度，按照直流电压给定值，给超电容4进行升压斩波充电，由于电容储能W＝CU²/2以电压的平方值增长，因此超电容可以在较短时间通过电压上升储存较多能量，同时，超电容的电压要超过蓄电池的相当的比例，以保持升压斩波器的正常工作状态，两象限直流斩波器3通过调整输出电压的占空比，即使在直流母线电压有波动的情况下，也可以维持转速稳定。

当鱼雷需要运行在极限速度状态时，两象限直流斩波器3工作在电流最大稳态输出区域，此时，随着超电容储存的能量消耗很快，其端电压也快速下降，升压斩波开关器件7由升压斩波状态转入恒流工作状态，保障了蓄电池组的恒流放电，同时，两象限直流斩波器3通过调整输出电压的占空比来维持鱼雷运行转速的稳定，保证了鱼雷以极限速度追击目标。

此时，蓄电池组工作在恒流放电模式，使蓄电池组的放电电流维持在一个合理的范围内，从而有效地保障蓄电池组的正常放电容量。

参见图3，图3是常规的蓄电池组不同放电率时放电电压与放电时间的关系曲线图，描述了蓄电池以0.1C₀(其中C₀为蓄电池的有效安时数)时，蓄电池组能放电1200秒，而当以1.0C₀放电时，蓄电池的放电时间为10秒，可以看出电池的放电率过大时，其有效安时数变小，可见强的暂态冲击电流引起铝一氧化银等类型的电化学蓄电池组在短时间内放电能力大幅度降低，蓄电池的这种特性影响了现有电力推进鱼雷的灵活性和射程，而采用本发明后，在鱼雷提速时，启动预充电电路，超电容充电到足够的电压时，鱼雷进入极限速度工作状态，由超电容为鱼雷直流推进电机提供能量，满足鱼雷升速所需的短时高电压，蓄电池仍维持工作在稳定电流状态，有效地保障蓄电池组的正常放电容量。此外，参见图5，图5是根据本发明的组合斩波调速系统与现有鱼雷调速系统航速对比图，从图中对比可以看出，采用超电容和组合直流斩波调速时鱼雷的极限航速能够达到60kn以上，而采用现有标准直流推进电机的鱼雷极限航速只能达到42kn。由以上实施例所述，采用超电容和组合直流斩波调速装置能有效地提高鱼雷的极限航速，提高鱼雷的命中率，在作战中取得主动权。从而克服了现有技术上的缺陷。

Claims (6)

1、一种用于鱼雷推进的组合直流斩波调速装置，包括：

一个两象限直流斩波器(3)，用于驱动鱼雷直流推进电机；

一个超电容器组(4)，用于提供鱼雷极限航速所需电能和对母线电压进行滤波；

一个直流升压斩波电路(27)，用于提升所述两象限直流斩波器和直流推进电机的供电电压；

一个启动缓冲电路(28)，用于限制启动时蓄电池组的放电电流；

一个主电路控制单元(29)，用于控制组合斩波器组的工作；

其特征在于，

一个启动缓冲电路(28)，连接在蓄电池组(1)的输出端，用于限制鱼雷启动时的电路电流，一个直流升压斩波电路(27)，连接在所述启动缓冲电路的输出端，其能够在不同的运行区域，工作在不同的状态，保障了超电容电压在特定的运行区域高出蓄电池的电压，一个超电容器组(4)，连接在直流升压斩波器的输出端，用来预先储存鱼雷极限航速时所需的电能，一个两象限直流斩波器(3)，连接在所述直流升压斩波电路、超电容器组的输出端，能够输出电压和电流连续可调的直流电，驱动直流电机工作，一个主电路控制单元(29)，通过读取转速信号，超电容电压信号，电机电流信号，斩波器电流信号，经过运算，输出两路控制信号，分别去驱动所述的两象限斩波器和直流升压斩波器工作。

2、根据权利要求1的鱼雷推进的组合直流斩波调速装置，其特征在于，由超电容器组(4)、直流电感(6)、升压斩波开关器件(7)、续流二极管(5)组成直流升压斩波器(27)，用于提升由蓄电池组(1)提供的直流电压。

3、根据权利要求1的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，其特征在于，带有启动缓冲开关(8)，启动限流电阻(9)，当鱼雷在启动时，启动缓冲开关(8)断开，启动限流电阻(9)接入直流母线进行电阻限流，避免过大的冲击电流，当超电容器组预充到足够的电压值时，启动缓冲开关(8)合闸，启动限流电阻(9)被短接，系统进入正常工作状态，推进电机的转速给定值ω^*具有连续无级变速运行特点，该速度的给定值ω^*与转速传感器(11)测得的实际电机转速值ω进行偏差运算得到转速偏差值，将该偏差值送入PI调节器(18)进行运算，其运算结果是直流电流的给定值I_a1 ^*，把该电流给定值与电流传感器(10)测得的实际直流电流值I_a1进行偏差运算得到电流偏差值，将该偏差值送入PI调节器(17)进行运算，其输出值是直流电压的给定值U₁ ^*，再把该直流电压给定值送入PWM驱动器(13)，其输出为直流的PWM斩波电压控制信号，用该控制信号去驱动两象限直流斩波器(3)，就得到输出直流电流和电压均可以调节直流电，驱动直流电机(2)。

4、根据权利要求1的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，其特征在于，在正常工作期间，升压斩波开关器件(7)不工作，通过切换开关(16)使PWM驱动器(14)置为0触发状态，蓄电池组(1)直接通过续流二极管(5)给超电容器组(4)和两象限直流斩波器(3)供电，当预估随后某一阶段鱼雷需要在最高速度运行时，升压斩波开关器件(7)开始工作，此时，切换开关(16)使PWM驱动器(14)置为工作状态，升压斩波开关器件(7)的电压给定为V_DC ^*与电压传感器(18)测得的实际电压值V_DC进行比较得到电压偏差值，把该偏差值送入PI调节器(20)进行运算，其输出值是直流电流的给定值I_L ^*，再把该直流电流给定值与电流传感器(26)测得的实际电流值I_L进行偏差运算，经PI调节器(19)进行处理，其输出值是直流电压的给定值V_C ^*，把该直流电压给定值送入PWM驱动器(14)，其输出值是直流的PWM斩波电压控制信号，用该控制信号去驱动升压斩波开关器件(7)，就得到电流和电压均可以调节的恒定直流电，按照直流电压给定值，给超电容器组(4)进行升压斩波充电，超电容器组在较短时间通过电压上升储存较多能量，超电容器组的电压能超出蓄电池组电压相当的比例，以保持升压斩波器的正常工作状态，两象限直流斩波器(3)通过调整输出电压的占空比，维持鱼雷运行转速的稳定。

5、根据权力要求1的鱼雷推进组合直流斩波调速装置，其特征在于，当鱼雷需要运行在极限速度状态时，两象限直流斩波器(3)工作在电流最大稳态输出区域，升压斩波开关器件(7)处于升压斩波状态，随着超电容器组储存的能量消耗，为补偿其端电压的下降，升压斩波开关器件(7)的给定值由直接给定电压V_DC ^*切换为直接给定电流I_DL ^*，使升压斩波开关器件(7)转入恒流工作状态，保障了蓄电池的恒流放电，超电容器组储存的能量使直流母线电压有波动的情况下，其值仍然要高出蓄电池组电压相当的比例，使鱼雷直流推进电机得到比蓄电池组直接供电更高的电压，既提高鱼雷的极限速度，又保证了蓄电池组的正常放电容量。

6、根据权力要求1的鱼雷电力推进的组合直流斩波调速装置，其特征在于，超电容组(14)在电路中作为直流电压储能和滤波装置，超电容组(4)是采用串并联连接方法的超电容器组，其单个超电容的结构为电化学电容器的其中一种，包括双电层电容器(Electric double layer capacitor)和赝电容器(Pesudocapacitor)等具有超大电容量值的电化学电容器。

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