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1、电磁弹射器技术篇之-大功率控制装置2011-11-10 14:33:50 林扬中华网论坛【大中小】关于电磁弹射器的优点，这里无需多说了，与蒸汽弹射器相比，不亚于电动机与蒸汽机相比。但是电磁弹射器在实现起来却存着很多的技术难关需要克服，它并不是说功率提高这么简单，关于强迫储能装置，前一段时间已经发表，因此本文继续描述电磁弹射器的另一部件，大功率控制装置。电磁弹射器的大功率控制装置在的原理上与高压变频器差不多，但是与实用的高压变频器也存在一定的差别，下面详细介绍大功率控制装置。对于变频器，我们并不陌生，也深入到生活方面的方方面面，冶金、化工、加工、风力、电力、市政供水和采矿等等都能看到它的影子。为
2、了更好的对电磁弹射器控制装置进行理解，这里需要对变频器做一下说明。变频器就是对我们目前的电网电压频率进行可调后供给设备，以达到电机变速运行的目的。总体上有整流、滤波、逆变三个大件，以实现变频的目的。电磁弹射器核心工作部件是直线电机，虽然它不是旋转类型电机，但是在原理上则与目常的旋转电机相同，或者说与三相异步电动机的原理相同，也是靠移动电磁波拖动动子，从而牵引战机加速以实现起飞。但是需要值得一提的是，电磁弹射器与我们日常的高压变频器还是有着很大的区别的，主要体现在以下几点：1、作功为加速度做功，这是电磁弹射器最显著特点，它与日常的恒功率不同，它的功率是不断增加的。其实只要对变频器有所了解的人都清
3、楚，变频器如果一直固定在革一频点，则扰动较小，工作波性也较好，这是人们所期望的，但是这些对电磁弹射器的控制装置来说，那是根本不能可能的。加速度做功，自然就要求频率不断的增加，以达到期望效果，频率的不断增加也必然伴随着功率的增加，元器件的热损耗也将增加，如何保持元器件稳定工作也是相当重要的事。2、作功时间短，量变参数大，真正大功率做功时间不过2秒，而输出到直线电机上的电压从3000伏增加到14000伏，电流也从零增加到几万安培，因此其最大输出功率将大于整个舰艇发电机的容量，这也解答了电磁弹射器为什么需要强迫储能装置的原因。当然，为了防止大功率控制装置产生的高次谐波对电网的影响也是重要原因之一。当
4、然，经强迫储能装置充电也是由大功率控制装置完成的，但是由于充电功率较小，基本上不到4000千瓦，而且是差不多恒功率工作，因此对大功率控制装置来说，简直是小菜一碟，早先的方案中，经强迫储能装置充电则由另一部件完成，但是考虑到强迫储能装置与电磁弹射器不可能同时工作，因此也由一个部件完成。有上述两个特点，使得大功率控制装置不同于普通的变频器，因此在实现起来，需要解决的问题很多，最主要的问题是均压和散热的问题。我们知道，由于高压变频器价格高昂，因此一些高压电动机甚到采用变压器先把电压降下来，然后采用变频器控制频率输出，再经过升压变压器输出到电机上，多了很多环节，效率也下降很多，为什么这么做呢？原因就是
5、现在的电子元器件耐压能力差，特别是导通变截止时对电流的阻断能力差，而且更严重的是串联起来的元器件，在实际工作中并不能均压，也就是说串联的元器件，分别加在上面的电压并不相同，这均会导致部分元器件过电压从而导致损坏。还有就是散热问题，大电磁弹射器的大功率控制装置室内，高大的柜内象排队一样排满了元器件，由于美国佬采用了IGCT大功率电子元器件，而这些元器件的单一元器件无论是耐压也是载流量都远远无法满足电磁弹射器控制装置的需要，因此，需要数量众多的IGCT元器件分别进行串联及并联，并用母线排分别把几个柜内的元器件连接起来，以适应电磁弹射器的冲击性负荷条件。如此数理众多的元器件难道仅仅是通过风扇散热的吗
6、？答案是否定的，美国佬采用的高压细流水冷却办法。冷却入水是04的水，由储能式液压装置负责水流的供给，主要采用的是前二后四的方法，也就是电磁弹射器弹射战机前两秒开始注入水流，弹射结束后再注入四秒后停止，弹射器返回及强迫储能装置充电则不需要采用水冷，直接由风扇冷却就够了，因为这种工作条件下，元器件的工作电流并不大，散热量也小。可以说，采取高压细流水冷方案真正使电磁弹射器实用走向可能，以前美国佬一直寻求高性能元器件或者说低耗元器件来满足工作要求，但是长期试验失败后，通过对有源相控阵雷达的液冷方案的提醒，最终采取了高压细流水冷方案。当然，如果有源相控阵雷达不采用液冷的话，实用化仍无从谈起。高压细流水冷
7、却说起来简单，但是实用起来却不是容易的事，首先，它需要水箱及冷却装置，同时需要储能式高压活塞注入装置，更困难的是每一个元器件都必需配备散热片及连通水管，与主回路、控制回路、仪表回路等一样，水管回路也是控制柜内的一大器件。要知道，目前国内的高压变频器功率最大做到了20000千瓦，比给强迫储能装置及弹射器返回工作时的功率都要高，但是目前无一采用水冷或液冷，而全部采用的是风扇冷却，可见水冷或液冷的难度。说到了不同，但是还有很多地方，从大功率控制装置上面我们仍然能很多的看到高压变频器的影子。因为其内部的整流及逆变原理及方式上与高压变频器一般无二。同样是三相交流电，电压11.5千伏，频率为60赫兹（这是
8、美国航母上发电机的稳定输出），经过整流器后变成直流，再进行滤波处理，以求电压较平稳点，然后再由逆变及脉冲宽度调制的方法转变成频率可调的交流，经过耦合电路制成较正规的正弦波后最后输出到直线电机上。由于其可以四象限运行，理论上它可以进行制动发电，但是制动发电需要的制运距离较长，而航母上空间宝贵，因此其仍然采用了反接制动，以求弹射梭在弹射完战机后能在极短时间内停下来。从构造看，脉冲宽度调制起到了很大的作用，那么为什么需要脉冲宽度调制呢？说到底也是为了弹射战机的需要。因为在弹射战机的2秒钟内，输入到直线电机上的电压和频率都在改变，也都是在不断增加。我们知道，经过桥式整流及滤波后，电源变成了直流电电源供
9、给方式，这部分电路是不需要控制的，只需检测就行，真正需要控制的重点脉冲宽度调制的控制。就是在经过逆变的电子元器件时（美国佬采用的是IGCT大功率电子元器件），控制基极对元器件的时间导通进行有效控制，可以实现调节电压和频率的目的，简单的说，逆变器输出的是矩形波，这里的脉冲宽度调制通过改变脉冲列的周期可以调节频率，改变脉冲的宽度或占空比（调制后的矩形波与未调制的矩形波之比，当然比值只能小于等于一）可以调压，从而实现可调电压和可调频率的需要。说到这里有必要强调一下，老美的和英国佬的电磁弹射器在脉冲宽度调制的控制方面存在区别。老美的脉冲宽度调制的控制根据仪表反馈工作，也就是根据直线电机工作情况进行控制
10、，从而保证了电磁弹射器在加速度做功方面力求尽可量的保持加速的稳定性，而英国佬则采用预先程序的方面，比如弹射F-35C时，启动控制程序，系统自动输入风速、航母的时速，再人工输入油量及载弹量，系统自动计算出一个最佳的脉冲宽度调制的控制程序，余下的一切都有系统完成。相比较而言，美国佬的更完美一些，也更可靠一些，而英国佬的却更简化一些，应该说各有各的优点。不过它们也有共同点，就是全面实现数字化（包括控制及通讯等）和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。从而使其能够高精度，快反应的工作。当然，由于电磁弹射器的工作特性，除了满足上述功能外，别无选择。值得一提的是，航母电磁弹射器的大功率控
11、制装置并不是直接从航母的发电机上供电，而是由惯性强迫储能装置供给，关于惯性强迫储能装置，本人已经发表过了，它与飞轮电池在原理上一样，并不是所谓的蓄电池和超级电容器，蓄电池不能承受大电流的充放，超级电容器储存的电量太少，当然，超级电容器如果能突破储存技术关的话，也不失一个好的选择。电磁弹射器核心部件之一些-大功率控制装置只介绍这么多，从一定程度上来讲，不仅为了航母，为了自己的民族工业，我们也更应该下定决心攻克电磁弹射器的大功率控制装置，因为它完全可以转化为民用。由于变频器，特别是高压变频器应用的领域和范围也越来越为大，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电
12、大户，高压大功率的性能更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频器，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。我国发展电磁弹射器的大功率控制装置，对变频器的核心元器件也能起到相当的推动作用，由于目前国产变频器中使用的功率半导体元器件中（如IGCT、SGCT等）关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口，通过由国家投资，军民合作的方式，核心部件自产，就象WS10A一样，不断提高我国自给能力，具有长期而久远的战略意义。电磁弹射器技术篇之-直线电机 电磁弹射器的部件很多，而在航空母舰上面，真正起弹射战机作用的，就是直线电机，直线电机是什么？这对于我们
13、不少人来说，是个陌生的概念。通常，我们日常所见的电动机都是旋转型的。它是由定子包围着圆筒形的转子，当通过三相交流电的时候，定子形成旋转磁场，旋转磁场会因感应在转子中流过电流，而转子产生的电流与定子磁场作用从而使转子产生旋转力矩。而直线电机可以看成是将旋转电机的定子和转子两个圆筒形部件剖开，并展开成平板状，面对面，定子固定在相应于动子（切记，这已经不是转子啦）移动的长度方向上延长，动子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成动子和定子之间的空隙。当定子通过三相交流电子，产生的是直线移动的磁场，而不是旋转磁场，与三相异步电动机同理，动子也会随着定子的移动磁场移动，这就是直线电机的原理。 直线电机
14、虽然应用不算广泛，但是也并非见不到它的身影，目前在车床上面，特别是磁悬浮列车上面，可以看到直线电机的影子。但是电磁弹射器与这些常用的直线电机还是有区别的。以磁悬浮列车的直线电机对比来说吧，电磁弹射器的感应动子比较短，只有7米多长，而含有线圈的定子却超过100米长，磁悬浮列车的直线电机恰恰相反，带线圈定子（这里所说的定子实际上是运动的）很短，而动子（实际上是固定在轨道之间不动的）却象轨道一样无限长。磁悬浮列车的直线电机加速并不快，大部分时间为匀速工作，而电磁弹射器却是加速度工作。为了更深层次了解电磁弹射器，下面对直线电机进行详细介绍。 美国福特级航母上的电磁弹射器定子定际上有288块直线电机模块
15、构成，按左右对称布置，也就是动子两边各有144块直线电机模块单元。之所以称为直线电机模块单元，是因为这288块直线电机模块单元完全相同，可以任意对调或更换，维修人员只需把电源及仪表监测线路接上就行了，这是为了便于维护及检修。由于航母上备有配件及备品（每个电磁弹射器备10个直线电机模块单元做为检修更换用，因此每个电磁弹射器在航母上实际上配298块模块单元），因此即便不是专业人员也可以根据反馈的信号上看出是哪个单元坏了，也可以自行更换，完全不用专业人员在场（当然，培训还是少不了的）。与磁悬浮列车的直线电机的定子不同，磁悬浮列车的直线电机的定子在动子上面，而且只是单面耦合，因为动子是固定在轨道上的，
16、轨道下面也不可能再放置一面定子的。而电磁弹射器是双面耦合，左右的定子线圈均可以对动子进行感应交拖动。说起来有点难，但事实上原理上是一样的，技术上也不存在任何难处。电磁弹射器每个直线电机模块单元宽0.725米，那么144个模块单元加上缓冲及边端装置接近110米长左右（加两端缓冲装置），这个长度比蒸汽弹射器稍长一点点。每个模块单元都是采用特种硅钢做铁芯，以铜导线做线圈，这一点让人有些奇怪，因为他们总认为会采用超导体、非晶合金、坡莫合金等一类东西的，但是由于超导体对低温要求太苛刻，而且过于娇贵，对维护十分不利，战时可靠性也受影响，一切为了维护方便出发，因此美国佬和DDG1000一样，仍采用了磁通率较高的硅钢（饱和磁通率在25000以上）和日常最普及的纯铜做材料。这么做也绝不是为了省钱，而更多的孝虑了维护及可靠性能上，由于硅钢的独特性
