选用交流整流方案作为消磁脉冲电源需解决以下三个问题:(1)电流脉冲正负交变控制的实现常规的同步发电机可以通过设计合适的励磁控制实现此功能。交流整流系统在解决这个问题上所采用的方法与直流方案所采用的方法是类似的:机组始终带载运行,当脉冲间隔延时达到给定值时,通过后面的双闭环控制系统实现,此方案在直流系统中获得了成功。直流方案在解决这一问题时,采用的是控制励磁的方法:需要正脉冲时,加上正值励磁电压;需要负脉冲时,加上负值励磁电压。对于交流整流方案则不能这样处理。因为采用的是同步发电机,无论给励磁机加上正值或负值励磁电压,经二极管整流后加给主发电机励磁绕组的都将是正值电压,最小也只能是零。因此,我们设计了换向H桥的方案解决此问题。
同步整流发电机输出的电流是单方向的,而系统综合消磁时要求消磁脉冲电流的极性是正负交替的,在此用H桥进行电流极性转换,当系统需要正脉冲时,H桥的K1和K4导通、K2和K3断开;当系统需要负脉冲时,H桥的K1和K4断开、K2和K3导通。为了防止电源短路,在控制系统中通过逻辑互锁,保证K1和K2以及K3和K4不能同时导通。因为综合消磁时在正负脉冲期间有至少2s的脉冲间歇时间,在该时刻整流输出电流为0,可以保证K1、K2、K3、K4不带电分/合,而且开关也有足够的分断延时时间,避免了电源短路。从维护和使用的角度来说,这种大容量的直流开关已不容易得到,需要进行研制。另外,由于消磁过程中开关动作频繁,而触点开关动作次数有限,频繁动作将会使开关使用寿命大大降低。
小脉冲或零输出的控制问题根据该类脉冲功率的要求,其最小脉冲电流幅值应不大于50A.从理论上来讲,只需在励磁绕组上加上相应小的励磁电压即可。但是相对于这么庞大的电机,实现起来比较困难。而且脉冲间歇时间内,负载电流要控制为0,如果采用励磁机整流输出,输出恒为正,为满足脉冲电流幅值保持0A,即要求发电机的剩磁电压为0,使得励磁电流处于可控的范围。但实际电机剩磁电压不为0,也就是说,即使不加励磁,负载电流也不可能维持0A.借鉴直流电机的处理办法,可以通过加上与剩磁电压方向相反的励磁电压来抵消剩磁电压的影响。另外,三相整流产生的巨大纹波给反馈的信号检测带来不小的困难,通过建模仿真可以看出,纹波电流的大小也影响最小消磁电流的实现。可考虑采用多相发电机或多相整流技术解决这一问题。
脉冲负载原动机转速稳定性问题消磁系统中负载电流为脉冲,发电机的功率变化比较快也比较大,脉冲时间内,功率可达额定功率的1.5倍,脉冲间歇时间内,维持在零功率输出状态。为了避免系统在脉冲负载——下转——速产生过大振荡,改善系统稳定性,通常的解决方案是增加储能环节。脉冲功率装置根据不同的储能类型可分为电容储能、电感储能和机械储能等常用的储能类型。另外,还有传输线储能、化学能(蓄电池、炸药)储能等储能方式。电容储能应用最广且技术成熟,但储能密度低,而电感储能的主要优点是储能密度高,但技术上不够成熟,消磁发电机组一般采用带飞轮的机械储能方式。
飞轮储能系统是一种机电能量转换装置,一般设计为盘形,衡量物体的转动惯性大小的量则是物体的转动惯量(J):dmrJ∫=2对于以空间角速度ω旋转的飞轮,其能量计算公式为:21ωJW=,因此,我们只需根据发电机组的跌速允许范围、脉冲及持续时间、功率等,便可计算出相应的飞轮尺寸。
同步发电机与整流器相结合,形成的整流发电机已在发电厂、飞机、轮船、汽车等领域获得广泛的应用,同步发电机-整流桥负载系统已成为现代电源系统的重要组成部分。使用整流同步发电机将大大提高消磁电源的容量,为满足海军日益增大消磁容量需求提供了可能。随着消磁系统规模的扩大和电压等级的提高,对其它各个领域的技术也提出了新的考验,许多技术问题还有待进一步的开展研究论证。通过进一步的研究论证,使这些技术问题得到解决后,使用整流同步发电机用作消磁电源是可行的。