馬偉明　肖　飛　聶世雄

(海軍工程大學(xué)　艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430033)

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電磁發(fā)射系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

馬偉明肖飛聶世雄

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033)

近年來，電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展推動了電磁發(fā)射技術(shù)穩(wěn)步走向工程應(yīng)用。該文列舉了電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射儲能系統(tǒng)、脈沖功率變換系統(tǒng)、閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，并對后續(xù)加快電力電子技術(shù)的發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

電磁發(fā)射脈沖功率釋放脈沖功率變換閉環(huán)控制

0　引言

電磁發(fā)射裝置是一類利用脈沖功率發(fā)生裝置產(chǎn)生的電磁力推動負(fù)載達(dá)到最大速度的裝置，它的實(shí)質(zhì)是將電磁能變換為發(fā)射載荷動能的能量變換裝置[1-4]。電磁發(fā)射系統(tǒng)主要由儲能系統(tǒng)、脈沖功率變換系統(tǒng)、脈沖發(fā)射裝置和閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1　電磁發(fā)射系統(tǒng)組成Fig.1　Diagram of electromagnetic launch system

電磁發(fā)射系統(tǒng)的工作原理是：儲能系統(tǒng)以較小的功率長時間地從電網(wǎng)吸收和存儲能量；當(dāng)儲存的能量滿足發(fā)射所需后，一旦接收到發(fā)射命令，立即向脈沖功率變換系統(tǒng)釋放能量；脈沖功率變換系統(tǒng)將儲能系統(tǒng)釋放的電能變換為脈沖發(fā)射裝置工作所需的脈沖電能，產(chǎn)生電磁力推動發(fā)射體運(yùn)動；閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時地控制發(fā)射體的運(yùn)行軌跡，確保在預(yù)定的位置將其加速至設(shè)定的末速度，完成發(fā)射任務(wù)。

圖2展示了電磁發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求和前景。以航母艦載機(jī)發(fā)射系統(tǒng)為例，相對于傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)射，電磁發(fā)射具有過程可控性好、發(fā)射機(jī)種類多、應(yīng)急響應(yīng)快、出動率高、可維護(hù)性和適裝性良好等顯著優(yōu)勢。

圖2　電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用Fig.2　Application of electromagnetic launch technology

電磁發(fā)射本質(zhì)上是能量的變換，為實(shí)現(xiàn)這一能量變換過程，需要應(yīng)用大量的電力電子裝置及相適應(yīng)的控制技術(shù)，對電力電子裝置在總體設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、控制系統(tǒng)設(shè)計以及輔助系統(tǒng)的設(shè)計等方面提出了很高的要求，具體體現(xiàn)在：①發(fā)射過程具有超大功率、脈沖式、間歇循環(huán)式的工作特點(diǎn)，要求電力電子裝置具備大幅調(diào)節(jié)電流和電壓的能力；②可靠性要求極高，系統(tǒng)設(shè)計時在硬件和軟件上需采用冗余設(shè)計；③在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計方面，受到單個開關(guān)器件功率等級的限制，通常需要進(jìn)行器件級、單元級以及裝置級的串并聯(lián)集成；④發(fā)射過程中，控制對象呈現(xiàn)顯著的非線性特征，對參數(shù)辨識和控制器的設(shè)計提出極高的要求；⑤裝置之間的信息流錯綜復(fù)雜，對于控制系統(tǒng)的時序配合和同步提出了很高的要求；⑥在特定的應(yīng)用場合下(如水上、水下、陸上移動平臺上)，對裝置的體積、重量、噪聲、散熱等方面提出了嚴(yán)苛要求，要充分考慮到電磁發(fā)射系統(tǒng)脈沖間歇式的工作特點(diǎn)，進(jìn)行裝置設(shè)計和系統(tǒng)集成，以滿足系統(tǒng)的功能及性能指標(biāo)。

綜上，正是由于電磁發(fā)射系統(tǒng)對電力電子裝置強(qiáng)烈的應(yīng)用需求以及對性能、可靠性、適裝性等方面的極高要求，促進(jìn)了電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用和升級，推動了電力電子學(xué)科的發(fā)展。下文著重介紹電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射儲能系統(tǒng)、脈沖功率變

換系統(tǒng)以及閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

1　能量存儲與釋放技術(shù)

1.1儲能方案設(shè)計與對比

電磁發(fā)射裝置瞬時功率極大(100 MW級至GW級)，按能量的存儲形式，現(xiàn)有的儲能方案主要有三種：①化學(xué)儲能，如蓄電池、超級電容器和脈沖電容器等；②機(jī)械能儲能，如飛輪儲能；③超導(dǎo)儲能。

表1列舉了以上三種儲能方式的優(yōu)缺點(diǎn)。超導(dǎo)儲能雖然具有能量密度大、效率高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但由于運(yùn)行環(huán)境要求苛刻、影響超導(dǎo)帶材失超的因素較多、體積重量較大等原因，暫時還處于機(jī)理研究及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制階段。結(jié)合電磁發(fā)射系統(tǒng)工程化和可靠性等方面的要求，下文主要介紹慣性儲能系統(tǒng)的逆變裝置和勵磁裝置、超級電容器充電裝置的設(shè)計和控制。

表1　三種儲能方式的對比分析Tab.1　Comparison of three kinds of energy storage methods

1.2功率柔性輸出逆變裝置的設(shè)計及控制

儲能系統(tǒng)逆變裝置的本質(zhì)是一臺具備變頻變壓調(diào)速功能的變頻裝置，能夠以較小的功率拖動或制動儲能電機(jī)[5-7]，采用大容量多電平電力電子變流器的模塊化設(shè)計方案[8，9]，其電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3　儲能逆變裝置主電路拓?fù)銯ig.3　Main circuit topology of energy storage inverter

儲能電機(jī)作為電磁發(fā)射系統(tǒng)的脈沖電源，其轉(zhuǎn)速在發(fā)射期間將發(fā)生大幅跌落。高轉(zhuǎn)速大突變系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性問題是儲能逆變裝置的關(guān)鍵問題，難點(diǎn)在于：①轉(zhuǎn)速測量的時延，在高速系統(tǒng)中會造成更大的角度偏差，極大地降低了控制器的穩(wěn)定裕度；②儲能電機(jī)始終工作在加速或減速過程，發(fā)射期間，儲能拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇變化使得轉(zhuǎn)速的精確測量變得更加困難，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦失敗；③儲能拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速突然劇烈變化，會導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩突然變化，使得電機(jī)輸出電流劇烈變化，從而增加了儲能逆變裝置對輸出電流的控制難度。

為解決高轉(zhuǎn)速大突變系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性問題，主要從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：①改進(jìn)轉(zhuǎn)速測量算法，采用帶有轉(zhuǎn)速預(yù)估的隆伯格轉(zhuǎn)速觀測器進(jìn)行轉(zhuǎn)速預(yù)估，從而盡量降低轉(zhuǎn)速測量的時延和誤差，保證在高速段轉(zhuǎn)速測量及角度測量的正確性；②通過對高壓大功率IGBT三電平電路特點(diǎn)的分析，實(shí)現(xiàn)了儲能逆變裝置損耗的準(zhǔn)確計算，優(yōu)化逆變裝置的散熱設(shè)計，最大程度地提高逆變裝置的開關(guān)頻率；③在控制算法中，基于輸出功率變化率限值，實(shí)時調(diào)整輸出功率的最大值，確保儲能裝置的輸出功率和功率變化率不超出限制，大大降低了儲能電機(jī)轉(zhuǎn)速大范圍快速變化時對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)逆變裝置對儲能拖動電機(jī)的柔性控制。

采用上述改進(jìn)后，電機(jī)在高轉(zhuǎn)速和大突變條件下仍然可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流的精確跟蹤，并保證控制的穩(wěn)定性。電機(jī)轉(zhuǎn)速、d軸和q軸電流波形如圖4所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證波形Fig.4　Experimental waveform

1.3儲能電機(jī)能量脈沖釋放控制技術(shù)

與普通發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的要求不同，電磁發(fā)射儲能電機(jī)的勵磁裝置需要在很短時間內(nèi)大幅度提高輸出功率，即快速強(qiáng)勵過程。勵磁裝置通過急劇增大勵磁機(jī)的勵磁電流來快速提高主發(fā)電機(jī)的勵磁電流，滿足電磁發(fā)射期間勵磁調(diào)節(jié)快速性的要求[10-12]。

圖5為儲能電機(jī)勵磁裝置及其控制系統(tǒng)原理框圖，勵磁裝置包括勵磁控制器、勵磁電流功率放大器、轉(zhuǎn)樞式勵磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器。勵磁系統(tǒng)的工作原理為：勵磁電流功率放大器在勵磁控制器控制下，向轉(zhuǎn)樞式勵磁機(jī)的勵磁繞組提供勵磁電流，實(shí)現(xiàn)第一級勵磁功率放大；勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞輸出交流電壓，經(jīng)同軸的旋轉(zhuǎn)整流器向主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組提供勵磁電流，實(shí)現(xiàn)第二級勵磁功率放大。

圖5　儲能電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5　Functional diagram of excitation control system of energy storing electrical machine

為了滿足電磁發(fā)射所需的短時強(qiáng)勵功能，儲能電機(jī)勵磁裝置采用了以下措施：①采用電壓雙象限H橋電路拓?fù)洌朔藙畲爬@組平均電壓低與較高的勵磁電壓(勵磁電壓高響應(yīng)速度快)導(dǎo)致的PWM控制信號占空比過低的矛盾，大大提高了勵磁電流輸出調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度；②針對儲能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降、輸出功率短時大幅線性增加的工況，采用前饋加雙閉環(huán)反饋的勵磁控制策略，提高了勵磁電流指令的變化速度，大大加快了控制系統(tǒng)電流環(huán)的響應(yīng)速度和電壓環(huán)的調(diào)節(jié)精度；③在前饋控制中分別引入電壓分量和電流分量的超前校正網(wǎng)絡(luò)，克服了系統(tǒng)大慣性時間常數(shù)造成的影響，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度[13-16]。

圖6為勵磁裝置在發(fā)射過程中的勵磁電源電壓、輸出電流和勵磁電源電流波形?？梢钥闯鰟畲烹娫措妷夯痉€(wěn)定，輸出電流和勵磁電源的電流呈線性增加。

圖6　勵磁裝置輸出線性增加的電流Fig.6　The linear output current of the excitation equipment

1.4脈沖電容器儲能裝置的充電控制技術(shù)

電容型脈沖功率電源是導(dǎo)軌式電磁發(fā)射裝置的供電能源，其中脈沖電容器是其核心儲能元件。與傳統(tǒng)的電容器不同，因電磁發(fā)射作用時間短且儲能規(guī)模大，從而兼具超大能量和超高功率輸出的特點(diǎn)。以32 MJ動能導(dǎo)軌式電磁發(fā)射為例，其單次輸出能量達(dá)百兆焦、瞬時輸出功率達(dá)數(shù)十吉瓦。在需要連續(xù)快速發(fā)射的場合，單一儲能難以滿足該要求。海軍工程大學(xué)提出了導(dǎo)軌式電磁發(fā)射裝置應(yīng)采用混合儲能方式供電，其原理如圖7所示，電路簡圖如圖8所示?；旌蟽δ艿暮诵乃枷胧菍㈦娋W(wǎng)能量在較長時間內(nèi)以較小功率存儲在電池中，在需要發(fā)射時，在短時間內(nèi)將能量傳遞至電容器中，最終在毫秒級瞬時以超大功率由電容器提供給負(fù)載?；旌蟽δ芾没瘜W(xué)儲能的高能量密度和物理儲能的高功率密度，實(shí)現(xiàn)了能量的壓縮和功率的放大。

圖7　電池+電容型混合儲能裝置原理Fig.7　The schematic diagram of hybrid energy storing device with storage battery and capacitor

圖8　利用蓄電池對脈沖電容器充電電路簡圖Fig.8　The charge circuit of pulsed power capacitor using storage battery

在直流斬波、恒壓充電和臺階式充電等充電方式中，海軍工程大學(xué)提出了圖8所示的臺階升壓式充電方式，用于實(shí)現(xiàn)電池對脈沖電容器的快速充電。臺階升壓式充電結(jié)構(gòu)簡單，具有近似恒流的輸出特性，且開關(guān)頻率低、損耗小。為了實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移過程的精確控制，電池對脈沖電容器的充電采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)采用均衡控制方法，降低蓄電池大倍率放電時的發(fā)熱量，保證放電一致性，延長使用壽命；外環(huán)采用時序串聯(lián)控制方法，并引入時序重構(gòu)算法，滿足對脈沖電容器的精準(zhǔn)快速充電。

2　脈沖功率變換技術(shù)

儲能電機(jī)輸出的電能不能直接供給脈沖發(fā)射裝置，必須通過脈沖功率變換系統(tǒng)將電能經(jīng)過交-直-交環(huán)節(jié)，變換成幅度、頻率、相位及相關(guān)動、靜態(tài)指標(biāo)符合要求的電能。發(fā)射裝置如果采用分段供電的形式，還需要通過分段切換開關(guān)輸送給脈沖發(fā)射裝置。

2.1脈沖式整流裝置的設(shè)計

電磁發(fā)射脈沖整流裝置的輸出功率需從0到幾十MW迅速變化，且以脈沖間歇的特殊模式運(yùn)行，裝置要承受劇烈的脈沖沖擊，這對其晶閘管觸發(fā)控制的精度和響應(yīng)速度都提出了很高的要求。

脈沖功率變換整流裝置選擇可控硅作為開關(guān)器件，正常工作時，可控整流橋處于不可控整流工作模式，此時最簡單、可靠的觸發(fā)方式為持續(xù)施加觸發(fā)脈沖。但在脈沖超大功率應(yīng)用場合，持續(xù)觸發(fā)方式會帶來極大的暫態(tài)損耗；而如果采取實(shí)時相控來準(zhǔn)確控制晶閘管觸發(fā)脈沖投切的話，由于整流橋輸入頻率、輸入電壓快速變化，并且輸入電壓波形畸變嚴(yán)重，給相控策略的實(shí)現(xiàn)帶來了很大難度，也將大大增加控制的復(fù)雜性，隨之帶來裝置可靠性的下降。

針對電磁發(fā)射整流裝置特殊的工作特性，在綜合考慮觸發(fā)板損耗與系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，脈沖功率變換整流裝置的觸發(fā)脈沖采取脈沖列的形式，脈沖列的高、低電平占空比均為50%，既能保證晶閘管對觸發(fā)脈沖持續(xù)時間的要求，又能在較大程度上減小觸發(fā)板損耗，觸發(fā)脈沖列如圖9所示。同時針對晶閘管功率脈沖進(jìn)行優(yōu)化，觸發(fā)控制邏輯會主動撤除不必要的觸發(fā)脈沖來降低門極功耗，因而門極功耗安全裕量增大，可以使用更強(qiáng)的觸發(fā)脈沖來增強(qiáng)晶閘管的動態(tài)性能。大部分情況下依靠預(yù)觸發(fā)脈沖即實(shí)現(xiàn)了晶閘管的可靠導(dǎo)通，實(shí)際工作中觸發(fā)電路需要發(fā)送的觸發(fā)脈沖的數(shù)量很少，觸發(fā)控制策略能有效控制門極功耗。圖10為晶閘管的端電壓、陽極電流和觸發(fā)脈沖波形，可見依靠預(yù)觸發(fā)脈沖即實(shí)現(xiàn)了晶閘管的可靠導(dǎo)通。

圖9　觸發(fā)脈沖電壓電流波形Fig.9　Voltage and current waveforms of trigger pulse

圖10　晶閘管端電壓、陽極電流、觸發(fā)脈沖波形Fig.10　Waveforms of SCR terminal voltage，anode current and trigger pulse

2.2脈沖式逆變裝置的設(shè)計

脈沖式逆變裝置的單臺容量達(dá)幾十MV·A，輸出電壓達(dá)幾千伏、輸出電流高達(dá)上萬安培，如何在現(xiàn)有開關(guān)器件功率等級、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ臈l件下，突破高壓多電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)具有極高的挑戰(zhàn)性[17，18]。

為了滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，逆變裝置可采用如圖11所示的二極管鉗位H橋級聯(lián)混合九電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19-22]，以二極管鉗位三電平半橋單元為基本單元的模塊化結(jié)構(gòu)。

圖11　脈沖功率逆變裝置主電路拓?fù)銯ig.11　Main circuit topology of pulse power inverter

為了提高脈沖功率逆變裝置的電流輸出能力，結(jié)合大功率電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀，脈沖功率逆變裝置采用了器件和裝置兩級并聯(lián)的思路：①二極管鉗位式三電平半橋單元采用IGBT并聯(lián)技術(shù)，增加了開關(guān)器件的功率冗余性，降低了工作損耗；②主從兩臺脈沖功率逆變裝置并聯(lián)工作，共同為脈沖發(fā)射裝置的一相定子繞組供電。受裝置的體積、重量以及線路壓降的限制，逆變器的輸出不宜配置均衡電抗器進(jìn)行并聯(lián)，這對輸出電纜的布置以及主從逆變器控制脈沖的精確同步提出了嚴(yán)格要求。

IGBT并聯(lián)工作時，由于器件本身參數(shù)的分散性、驅(qū)動電路的不一致性以及外圍電路分布參數(shù)的差別，將導(dǎo)致并聯(lián)IGBT的靜態(tài)和動態(tài)電流不均衡。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外圍電路對并聯(lián)均流的影響是主要因素。通過對二極管鉗位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各種開關(guān)邏輯切換的換流過程進(jìn)行分析，對主回路復(fù)合母線結(jié)構(gòu)的分層和進(jìn)出線進(jìn)行了初步設(shè)計，通過對復(fù)合母線開不同類型的電氣孔進(jìn)行并聯(lián)器件外圍電路對稱性的匹配，確定了最佳的母線方案，母線模型如圖12所示。

圖12　復(fù)合母線Q3D模型Fig.12　Q3D model of composite busbar

通過采取以上措施，并聯(lián)運(yùn)行的逆變裝置均流效果良好，輸出電流波形如圖13所示，電流不均衡度控制在5%以內(nèi)。

圖13　并聯(lián)逆變器輸出電流波形Fig.13　Output currents of paralleled inverters

2.3分段供電技術(shù)

在發(fā)射行程較長的應(yīng)用場合，為了提高電磁發(fā)射系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)，降低系統(tǒng)對電源容量需求，需要采用分段供電技術(shù)，利用位置傳感器實(shí)時檢測動子的運(yùn)動位置，實(shí)時切換通電定子區(qū)間，實(shí)現(xiàn)與動子耦合的緊鄰數(shù)段定子模塊通電，而其他定子模塊不通電[23]。分段供電技術(shù)主要包括分段供電切換策略和切換開關(guān)設(shè)計技術(shù)。圖14為脈沖發(fā)射裝置分段供電的示意圖。

圖14　脈沖發(fā)射裝置分段供電示意圖Fig.14　Diagram of segmental pulse powered launch device

在段與段切換供電的過程中，電機(jī)不可避免地會出現(xiàn)錯位、并聯(lián)等特殊模態(tài)，切換不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)缺相模態(tài)。不同的切換策略將會導(dǎo)致直線電機(jī)出現(xiàn)不同的特殊模態(tài)，或者是特殊模態(tài)持續(xù)的時間有所不同。這些特殊模態(tài)會對發(fā)射推力造成不同程度的影響，必須對分段供電策略進(jìn)行深入研究。通過建立考慮分段切換供電暫態(tài)過程的脈沖發(fā)射裝置數(shù)學(xué)模型，對錯位、并聯(lián)、缺相等特殊模態(tài)進(jìn)行定量研究，結(jié)果表明分段切換策略應(yīng)遵循的基本設(shè)計原則是：絕對地避免缺相模式，盡可能減小并聯(lián)模態(tài)運(yùn)行的時間。采用三相電流過零時依次切換的方法，錯位模態(tài)不可避免，但錯位模態(tài)僅在切換的短暫過程中導(dǎo)致電流尖峰，對發(fā)射推力的影響較小。

圖15為脈沖發(fā)射裝置分段供電的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電磁發(fā)射過程中，切換開關(guān)處于高電壓、大電流、溫度等應(yīng)力疊加的暫態(tài)過程，對切換開關(guān)本體的可靠性提出了極高的要求。

圖15　脈沖發(fā)射裝置分段供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.15　Topology of segmental pulse powered launch device

理論和實(shí)踐證明，半導(dǎo)體器件失效、損壞以及性能劣化的絕大多數(shù)原因歸結(jié)為溫度超標(biāo)。當(dāng)工作電流大于500 A時，采用雙面壓接是最可靠的散熱方式。大功率切換開關(guān)采用雙面壓接安裝方式，實(shí)現(xiàn)主電路的兩極同時散熱，熱阻最小，散熱效果最好。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，兩只晶閘管采用背靠背壓接的方式充當(dāng)交流閥，并在它們的陽極與陰極之間并聯(lián)接入阻容吸收保護(hù)模塊，基于晶閘管反向恢復(fù)電荷動態(tài)特性，優(yōu)化計算阻容吸收參數(shù)[24]，解決高壓大電流分段切換開關(guān)切換過程中易過電壓擊穿的技術(shù)難題，以保證分段切換開關(guān)的運(yùn)行安全。

3　電磁發(fā)射的閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的能量釋放，控制脈沖功率變換系統(tǒng)的能量輸出，對脈沖發(fā)射裝置輸出電磁力精確控制，滿足不同發(fā)射載荷對速度和加速度的要求[25-27]。

圖16為電磁發(fā)射閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。軌跡生成算法生成理想的發(fā)射軌跡曲線；位置觀測算法根據(jù)從位置傳感器獲得的位置編碼信息，觀測出直線電機(jī)動子的瞬時位置和速度；位置控制算法實(shí)時計算出動子實(shí)際軌跡精確跟蹤預(yù)設(shè)發(fā)射軌跡曲線所需的給定電磁力的大?。皇噶靠刂扑惴ㄓ嬎阒本€電機(jī)定子所需的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流；最后通過電流閉環(huán)控制算法獲得直線電機(jī)定子的電壓指令，下達(dá)給脈沖功率變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“信息流”對“能量流”的控制，保證發(fā)射目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖16　電磁發(fā)射閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.16　Functional diagram of closed-loop control system of electromagnetic launch system

電磁發(fā)射系統(tǒng)由多個能量鏈組成，利用冗余提高了可靠性，同時對多個能量鏈的同步控制和故障條件下的系統(tǒng)重構(gòu)提出了極高的要求。閉環(huán)控制系統(tǒng)采用：①計算同步、PWM脈沖同步等多種同步技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了多個儲能裝置功率和能量釋放的均衡控制，又實(shí)現(xiàn)了多臺直線電機(jī)之間出力的均衡控制；②當(dāng)一個能量鏈故障時，電機(jī)的磁路和電路均會發(fā)生改變，相應(yīng)電機(jī)參數(shù)也會發(fā)生改變。電機(jī)閉環(huán)控制器能較好地適應(yīng)控制對象的變化，在發(fā)射的恒加速階段維持了直線電機(jī)輸出電磁力的穩(wěn)定。

針對電磁發(fā)射的直線電機(jī)存在多定子耦合、邊端效應(yīng)、氣隙變化等非理想因素的問題，電機(jī)閉環(huán)控制器采取考慮耦合、不對稱性的控制方法，取得了很好的控制效果[28-30]；直線電機(jī)控制器具有較寬的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速工況下的矢量控制；電機(jī)閉環(huán)控制器采用軌跡觀測與矢量控制相結(jié)合的控制方法，通過優(yōu)化設(shè)計給定軌跡，結(jié)合精確的軌跡控制算法，使得發(fā)射過程具備較好的位置跟隨性能，很好地滿足了發(fā)射任務(wù)的要求，典型發(fā)射過程中的軌跡誤差如圖17所示。

圖17　閉環(huán)控制軌跡誤差Fig.17　Trajectory error of closed-loop control

4　總結(jié)和展望

電磁發(fā)射由技術(shù)設(shè)想轉(zhuǎn)變成工程應(yīng)用，標(biāo)志著發(fā)射技術(shù)發(fā)生了歷史性的變革。隨著電力電子裝置集成化、模塊化和能量密度的不斷提高，電磁發(fā)射技術(shù)將快速的升級換代，電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力將快速增長，體積、重量、成本、系統(tǒng)復(fù)雜程度會降低，這將使得電磁發(fā)射的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展。電磁發(fā)射系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)除了在軍用武器發(fā)射形態(tài)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用外，也可廣泛用于民用相關(guān)領(lǐng)域。例如將電機(jī)慣性儲能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場，可以起到削峰填谷的作用，大大改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動對電網(wǎng)的影響，對我國推廣大功率風(fēng)力發(fā)電具有重要意義；將閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)，可以大大提升地鐵、高鐵的控制可靠性和自動化水平；將電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到航天發(fā)射，具有發(fā)射成本低、環(huán)境污染小、可重復(fù)快速發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)。

同時，立足我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，可在以下幾方面繼續(xù)深入開展應(yīng)用及基礎(chǔ)研究，持續(xù)牽引和提升電力電子理論與技術(shù)發(fā)展：

1)深入器件內(nèi)部，研究其工作機(jī)理，建立電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時間尺度的動力學(xué)表征，在此基礎(chǔ)上查明器件極端工況下的可靠性量化評估方法，進(jìn)而建立電力電子器件盡限應(yīng)用理論，實(shí)現(xiàn)電力電子混雜系統(tǒng)的精確設(shè)計，為電磁發(fā)射系統(tǒng)的高功率密度和高可靠性提供有力的支撐，特別是應(yīng)用于艦船中壓大電流、短時脈沖間歇式工作等場合。

2)加強(qiáng)開展研究新結(jié)構(gòu)、新材料的電力電子功率器件制備與應(yīng)用研究，避免走跟蹤研仿的老路子，實(shí)現(xiàn)我國電力電子器件的跨越式發(fā)展。

3)研究電力電子電能變換數(shù)字控制中時延特性、量化誤差對裝置性能影響機(jī)理等基礎(chǔ)問題，并通過電力電子裝置控制網(wǎng)絡(luò)信息流的優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)能量流的精確控制。

4)開展基于多學(xué)科交叉的大容量電路級和系統(tǒng)級電力電子系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計方法，充分發(fā)揮現(xiàn)有器件的性能，實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的集成化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，使電能變換和控制技術(shù)得以更新?lián)Q代，彌補(bǔ)和減小由器件本身性能與國外的差距而造成的電力電子設(shè)備或系統(tǒng)性能的巨大差別。

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Applications and Development of Power Electronics in Electromagnetic Launch System

Ma WeimingXiao FeiNie Shixiong

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of EngineeringWuhan430033China)

With the rapid development of power electronics，electromagnetic launch technology is steadily turning to its engineering applications.Typical applications of power electronics in electromagnetic launch systems，such as the energy storage system，the pulse power convert system，the closed loop control system，are proposed.Some suggestions are given about how to accelerate the development of power electronic technology.

Electromagnetic launch，pulse power generation，pulse power convention，closed loop control

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51490681)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項(xiàng)目(2015CB251004)資助。

2016-09-07改稿日期2016-09-15

TM921

馬偉明男，1960年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)、電力電子、獨(dú)立電力系統(tǒng)以及電磁兼容等。

E-mail：ma601901@vip.163.com

肖飛男，1977年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動。

E-mail：xfeyninger@gmail.com(通信作者)